최근 들어 지구온난화가 이례적으로 빠르게 심화하고 있다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)에 따르면, 이러한 변화는 인간 활동의 직접적인 결과인 것이 거의 확실하며, 그 결과 동물 종의 소멸, 농업 생산량 감소, 더욱 빈번해지는 극한 기후 현상, 사람의 이주 및 분쟁과 관련된 상당한 환경적 영향을 미친다. 이와 같은 거동의 주요 원인으로 화석 연료의 사용이 가장 주목받고 있다. 이를 위해 미국 환경보호청(United States Environmental Protection Agency, USEPA) 등 여러 국가 및 기관에서 다양한 정책 및 방안을 제시하여 여러 노력을 기울이고 있지만, 화석 연료는 단순히 에너지를 전달하는 매체일 뿐 아니라 다양한 에너지를 위한 주요 에너지원이기 때문에 쉽지 않다¹⁾. 이런 이유로 인해 다른 해결책으로 차세대 신재생에너지에 대한 개발이 주목받고 있으며, 특히 수소에 관한 연구가 초점이 맞추고 있다. 수소는 무독성이며 공기보다 매우 가벼워 방출 시 빠르게 소멸하기 때문에 누출 시 연료가 비교적 빠르게 분산되어 다른 유출 연료보다 상대적으로 안전하다. 또한, 298 K에서 연소 시 120-141.8 MJ/kg의 열을 방출하게 되는데 이는 가솔린의 약 3배(44 MJ/kg at 298 K)에 육박한다²⁾.

수소가 높은 에너지적 이점으로 화석 연료를 대체할 해결책으로 여겨지고 있지만, 상온 및 상압에서 기체로 존재하기 때문에 안전하고 경제적인 저장 기술이 필요하다. 이때문에 차세대 에너지 매체인 수소를 저장하기 위한 여러 연구가 진행되고 있다. 수소를 저장하는 방법은 방식에 따라 물리적 방법과 물질 기반 방식으로 나뉘게 된다. 현재 상용화 수준까지 오른 물리적 방법은 고압과 극저온의 조건을 유지하는 이유로 낮은 저장 효율과 안정성으로 높은 경제성 확보에 한계를 지니고 있다. 이와 달리 물질을 기반으로 하는 물질 기반 저장 방식은 상온, 상압 조건에서 수소를 저장해 상대적으로 안정적이다. 특히, 금속 수소화물(metal hydrides)은 부피당 높은 수소 저장량을 지녀 높은 에너지 효율을 지니고 있으며, 수소 원자가 금속과 결합할 때 수소 분자의 약한 반 데르 발스(Van der Waals) 반경보다 작은 간격으로 형성되기 때문에 안정적이다³⁾. 이러한 이점을 지닌 금속수소화물을 실용화하기 위해서는 상온 및 1-10기압(0.1-1.0 MPa)의 압력조건에서 수소의 저장 및 방출 속도가 빠르고 용이해야 한다⁴⁾.

현재 금속수소화물 중에서 가장 주목받고 있는 물질군 중 하나는 마그네슘 기반의 수소 저장체 물질들이다. 마그네슘은 높은 수소 저장 용량과 저비용, 풍부한 매장량 등의 이점을 지녀 장기간 연구됐다. 대표적으로 magnesium hydrides (MgH_x)는 체적당 110 g/L, 중량당 7.6 wt%의 높은 수소 저장 특성을 보이고 있다. 그러나 수소와 이온성 수소화물을 형성해 반응 속도를 저하시키고, 산소와의 높은 친화력으로 열화 현상 및 초기 활성화를 초래하여 수소 저장량이 감소하는 단점이 있다. 감소한 반응 속도 및 수소 저장량을 개선하기 위해 현재까지 금속간화합물의 형성 및 전이금속(Ni, Cu, Co 등) 첨가에 의한 촉매효과 등 여러 연구가 진행되어 왔다⁵⁾.

본 연구에서는 Mg계 수소 저장합금인 Mg₂Ni에 주목하였다. Mg₂Ni는 470-500 K의 높은 온도에서 수소화물을 형성하고, 3.6 wt%의 낮은 수소 저장량을 지녔지만, MgH₂의 수소 흡 ․ 탈착 kinetics를 개선하고 수소와 반응 시 MgH₂ (78 kJ/mol^-1⋅H₂)에 비해 65 kJ/mol^-1H₂의 비교적 낮은 열을 방출하여 열 안정성을 향상시킬 수 있다⁶⁾. 그리고 산화로 인한 수소 저장량 감소를 방지하기 위해 CaF₂를 촉매로 첨가하여 연구를 진행하였다. 불화물의 경우 불소 이온이 Mg와 결합해 불활성의 MgF₂ 상이 형성되면서 부식 등의 부반응을 제어하는 효과를 줄 수 있어 이를 고려했으며, 선행의 연구와 비교해 분석하였다^7-9).

또한, 공정의 환경적 영향을 분석하기 위해 물질 전과정 평가(material life cycle assessment, MLCA)를 진행하였다. 전과정 평가(life cycle assessment, LCA)는 특정 제품 및 서비스의 원료 채취, 가공, 제품의 생산, 유통, 사용, 폐기의 전과정에서 사용되는 자원 및 에너지에 의한 환경적 부하와 배출물에 의한 환경적 영향을 평가하기 위해 투입 및 산출물의 정량적인 목록을 작성하고, 환경 영향을 규명하여 환경 부담을 저감시키기 위한 방안을 검토하는 기법이다. 이러한 방법은 국제표준화기구(International Organization for Standardization, ISO)에서 환경관리규격(ISO 14000 series) 작성 작업의 일환으로서 절차와 방법을 규격하고 있어 국제적인 기술적 기반을 이루고 있으며, 제품 개발 및 설계, 구기술과 신기술의 비교 등 여러 용도로 활용이 가능하여 연구를 위한 다목적 도구라고 할 수 있다¹⁰⁾.

그러나 LCA가 환경적 부하를 측정하는 데 있어 높은 잠재력을 지니고 있지만 “요람에서 무덤까지(cradle-to-grave)”라는 말처럼 원료의 추출 및 생산(cradle)에서 폐기(grave)까지에 대한 일련의 과정에 대해서만 이루어지기 때문에 제품의 공정 전체에 대한 데이터를 비교 분석하는 데 있어서는 한계가 있다. MLCA는 제품에 대한 공정보다 물질 및 재료가 환경에 미치는 영향이 어느 정도인지를 평가하는 방법으로 환경 친화적인 소재 개발에 중요한 척도가 될 수 있다¹¹⁾. 이번 연구에서는 Mg계 수소 저장체의 수소화 반응 kinetics에 CaF₂의 효과를 비교하기 위해 Mg₂NiH_x-CaF₂ 수소 저장 복합체를 합성하고, 선행 연구⁸⁾와 비교하여 합성된 물질과 공정 과정을 MLCA를 통해 환경에 미치는 영향을 분석하는 것을 주목표로 한다.

MLCA의 절차는 분류화, 특성화, 정규화로 진행되며, 이 순서에 맞춰 환경영향을 도출하고 이를 토대로 주요 이슈를 규명하였다. 영향평가 과정에서 분류화는 10개 세부 영향 범주로 분류하였다. 10개의 영향 범주로는 무생물 자원 고갈(abiotic resource depletion, ARD), 지구 온난화(global warming potential, GWP), 오존층 고갈(stratospheric ozone depletion potential, ODP), 산성화(acidification potential, ACP), 부영양화(eutrophication potential, EUP), 생태 독성(ecotoxicity potential, ETP), 인간 독성(human toxicity potential, HTP)이 포함된다. 이 중 생태 독성은 수계생태 독성(fresh-water aquatic ecotoxicity potential, FAETP)과 해양생태 독성(marine aquatic ecotoxicity potential, MAETP), 토양생태 독성(terrestrial ecotoxicity potential, TETP)을 포함하였다¹⁸⁾. 해당 범주에 대한 내용과 단위는 Table 2에 따로 분류해 표기하였다.

Fig. 5에서는 전과정 영향 평가 방법(life cycle impact assessment, LCIA)으로 CML 2001을 통한 분석 데이터를 보여주고 있다. 무생물 자원 고갈(ARD)이 가장 높은 수치를 보였고, 그 다음으로 지구 온난화 지수(GWP)가 높게 나타났다. 무생물 자원 고갈의 경우 합성 과정에서 Mg를 비롯한 Ni, CaF₂의 소모가 대부분을 차지하였으며 전기 사용에 대한 영향도 상당하다. 지구온난화 지수의 비율이 높은 것도 합성 중 사용된 전력으로 인한 오염으로 나타났으며 공정에서의 전기 사용량이 환경오염에 상당한 영향을 끼치는 것을 보여주고 있다. 특히, CaF₂의 상대적인 비율이 증가할수록 ARD와 GWP가 높은 것으로 보아 CaF₂에 의한 환경 부담이 높다고 판단된다. 따라서 환경적 부하를 감소시키기 위해 복합체 제조에 의한 물질의 양을 감소시키고 전기량을 최소화하는 공정이 요구된다. 예를 들어 탄소 등의 다른 물질 내부에 물질을 저장하는 nanoconfinement 효과를 이용하여 효율을 증대시키거나¹⁹⁾, 고효율의 저전력 장비를 사용하고 환경적 부담이 적은 1차 재생 가능 에너지원(태양열, 풍력, 조력 등)을 활용하여 전기 사용을 줄이는 방법에 관한 추가적인 연구를 진행할 필요가 있다.

Fig. 5. 
Impact assessment results for manufacturing process of Mg₂NiH_x-10 wt% CaF₂ by CML 2001

Fig. 6에서는 CML 2001을 적용한 Mg₂NiH_x-X wt.% CaF₂ (X=5, 10, 20) 복합재료의 정규화 결과를 하나의 그래프로 도식하였다. 결과적으로 Mg₂NiH_x-CaF₂ 복합재료는 자원 고갈(abiotic depletion), 지구온난화 잠재력(GWP), 부영양화(EUP) 순으로 높은 영향 정도를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 자원 고갈에 있어서 Mg₂NiH_x보다 매우 높은 수치를 확인할 수 있는데, 이는 앞서 언급한 것과 같이 제조공정에서 Mg 및 Ni, CaF₂ 등의 자원 소모로 인한 것으로 판단되며, CaF₂가 첨가된 Mg₂NiH_x-5, 10, 20 wt.% CaF₂의 복합재료가 상당히 높은 수치를 보이는 것으로 보아 CaF₂의 환경 부담에 미치는 영향이 크다고 볼 수 있으며, 실제로 CaF₂에 의한 오염 등의 문제로 이를 해결하기 위한 여러 연구가 진행되는 점을 고려할 때 다소 상응한다고 본다²⁰⁾. 또한, 지구 온난화 지수에서도 두드러지는 증가를 확인할 수 있었다. 이러한 증가는 CaF₂ 촉매 사용과 합성을 위한 추가적인 기계적 합금화 공정에서 소모되는 전력으로 인한 것으로 나타났다. 결과적으로 CaF₂ 촉매의 환경적 부담이 심각하므로 이를 대체할 다른 촉매에 대한 탐색이나 전력 소비를 낮추는 방안 모색이 반드시 이루어져야 한다.

Fig. 6. 
Normalization of Mg₂NiH_x-CaF₂ composites by Environmental impact category (CML 2001)

Fig. 7은 Mg₂NiH_x-X wt.% CaF₂ (X=5, 10, 20) 복합재료를 EI99’ 방법론을 이용해 비교 대상과 하나로 나타낸 그래프를 보여주고 있다. 그래프 결과로 화석 연료(fossil fuels)가 가장 높은 영향력을 보였고, 호흡기(respiratory), 기후변화(climate change) 순으로 높게 측정되었다. 이를 통해 Mg₂NiH_x-CaF₂ 복합체가 화석 연료 및 호흡기, 기후변화에 영향을 주는 것을 확인할 수 있지만, Mg₂NiH_x와 비교하였을 때 화석 연료 항목이 약간 증가하는 점 외에 크게 두드러지는 차이를 알 수 없으며 이러한 결과를 통해 CaF₂의 사용이 기후변화에 미치는 영향은 그리 크지 않는 것으로 분석할 수 있다. 이러한 결과는 CML 2001에서 GWP의 결과와 부합하지 않아 보이는데, CO₂ 배출이 EI 99’에서 ‘climate change’ 항목에만 연관성 있는 점을 고려할 때 CaF₂ 제조 혹은 복합체의 합성 과정에서 발생하는 CO₂의 미세한 증가가 지구 온난화에 상당한 영향을 준 것으로 판단할 수 있다. Yuan 등²¹⁾의 경우 E-waste (전자 쓰레기)에서 mechanochemical 공정을 통한 물질의 반환에 관해 연구하였으며, 이를 통해 Cu, Pd, Ag 등의 물질들을 회수할 수 있었다. 이와 같은 물질의 재활용은 탄소 배출을 낮출 수 있으므로 이를 위한 저탄소 공정에 대한 방안 탐색이 필수적이다.

Fig. 7. 
Normalization of Mg₂NiH_x-5, 10, 20 wt% CaF₂ by environmental impact category Eco-Indicator 99' (EI '99)

본 연구에서는 MLCA 소프트웨어를 통하여 Mg₂NiH_x-5, 10, 20 wt% CaF₂ 수소 저장 복합체 합성에 따른 환경오염 평가를 하였다. Sphera 사의 Gabi 6 프로그램을 사용하여 진행하였으며, Eco-Indicator 99’ 방법론을 통한 11가지 영향 범주와, CML 2001 방법론을 통한 10가지 영향 범주에 대하여 평가하였다. CML 2001을 기반으로 한 분석결과로 무생물 자원 고갈(ARD)이 약 48-56%, 지구 온난화 지수(GWP)가 약 29-35%의 환경 영향 수치를 보여주었고, 이러한 원인은 Mg 및 Ni, CaF₂의 소모와 전력 사용이 주원인으로 나타났다. 이에 대한 방안으로 물질의 효율을 극대화하기 위한 공정과 고효율의 신재생에너지를 탐색 및 사용하는 방법에 관한 연구가 필요하다. EI 99’를 통한 영향평가 결과, 화석 연료(fossil fuels), 호흡기(respiratory), 기후변화(climate change) 순으로 큰 값을 보이는 것을 알 수 있었다. 일반적으로 CML 2001 의 GWP 와 EI 99’의 climate change간의 다소의 상관관계가 존재하는데, Mg₂NiH_x와 Mg₂NiH_x-X wt% CaF₂ (X=5, 10, 20)의 결과값은 이러한 관계를 찾기 어려웠다. 이는 EI 99’ 항목 중 climate change가 CO₂와 연관이 있는 점을 고려할 때 공정에서 발생하는 CO₂의 양은 소폭 증가하였지만, 그로 인한 환경적 부담은 상당한 것으로 판단되며, 이를 위해 물질의 재활용 등의 다른 연구가 추가적으로 진행되어야 한다.