솔직히 저는 수소 에너지가 아직 먼 미래의 이야기라고 생각했습니다. 몇 년 전 제주도에서 풍력발전기가 쉼 없이 돌아가는 걸 바라보며 "저 바람으로 물을 분해하면 진짜 깨끗한 에너지가 되겠네" 하고 막연히 떠올렸는데, 막상 효율이 낮고 상용화는 멀었다는 얘기에 그냥 접어두었거든요. 그런데 최근 카이스트 연구팀이 수전해(물을 전기로 분해해 수소를 뽑아내는 기술)의 고질적인 기포 문제를 해결했다는 소식을 접하고, 그때의 아쉬움이 기대감으로 바뀌었습니다.
그레이·블루·그린 수소, 뭐가 다른 걸까
수소 에너지를 처음 접하면 "수소는 다 깨끗한 거 아닌가?" 하고 생각하기 쉬운데, 제가 처음 공부할 때 딱 그랬습니다. 알고 보니 생산 방식에 따라 환경 부담이 완전히 달라집니다.
현재 전 세계에서 유통되는 수소의 99% 이상은 그레이 수소입니다. 여기서 그레이 수소란 천연가스를 고온·고압으로 개질해서 뽑아내는 수소를 말하는데, 이 과정에서 이산화탄소가 그대로 대기 중에 방출됩니다. 가격은 킬로그램당 1~2달러 수준으로 저렴하지만, 사실상 화석연료를 태우는 것과 다를 바 없습니다.
블루 수소는 그레이 수소와 생산 방식은 같지만, 발생하는 이산화탄소를 지하에 포집·저장(CCS, Carbon Capture and Storage)하여 배출량을 줄입니다. 쉽게 말해 연기는 그대로 나오되, 그 연기를 땅속에 가두는 방식입니다. 가격은 킬로그램당 2달러 초반대입니다.
진정한 친환경은 그린 수소뿐입니다. 태양광·풍력 같은 재생 에너지로 만든 전기를 이용해 물(H₂O)을 전기분해하면, 이산화탄소 배출이 전혀 없습니다. 연소 후에는 다시 물방울로 돌아가는 완전한 순환 구조를 가집니다. 문제는 현재 한국 기준으로 그린 수소 가격이 킬로그램당 5,200~7,150원으로, 그레이 수소의 3~4배에 달한다는 점입니다. 이 가격 장벽이야말로 상용화의 가장 큰 벽이었습니다.
- 그레이 수소: 천연가스 개질, CO₂ 그대로 배출, kg당 1~2달러
- 블루 수소: 그레이와 동일 방식 + CCS 기술로 탄소 지하 매립, kg당 2달러 초반
- 그린 수소: 재생 에너지 전기로 수전해, CO₂ 배출 제로, kg당 6달러 이상(현재)
기포 문제, 왜 200년이나 해결 못 했나
수전해 기술 자체는 200년 전부터 알려져 있었습니다. 그런데 왜 지금껏 상용화가 어려웠냐고 묻는다면, 저는 세 가지 벽이 겹쳐 있었기 때문이라고 생각합니다.
첫째는 전기값입니다. 수소 1킬로그램을 만들려면 약 50~65kWh의 전기가 필요합니다. 재생 에너지 단가가 아직 비싼 현실에서 이는 곧 생산 원가의 핵심 변수가 됩니다. 둘째는 촉매값입니다. 수전해에는 백금·이리듐 같은 귀금속 촉매가 필수인데, 이 두 금속은 산출량 자체가 제한적이어서 대규모 생산으로 갈수록 비용이 눈덩이처럼 커집니다.
그런데 세 번째가 가장 결정적이었습니다. 바로 기포 문제입니다. 수전해 장치 내부 촉매층에서 수소 기포가 생성되면, 이 기포가 촉매 표면에 달라붙어 반응 자체를 방해합니다. 자동차가 가득 찬 도로에서 더 좋은 차를 투입해도 막힌 도로 때문에 속도가 나지 않는 것과 같은 이치입니다. 전류 밀도가 높아질수록 기포는 더 빠르게 쌓였고, 이것이 고성능 수전해 장치 개발의 발목을 잡아왔습니다.
기포 문제는 오래전부터 인지되어 있었지만, 대부분의 연구는 촉매 자체의 성능을 높이는 데 집중했습니다. "더 좋은 촉매를 만들면 어떻게든 되겠지"라는 접근이었던 거죠. 저는 이 부분을 알고 나서, 왜 아무도 '도로' 문제를 먼저 건드리지 않았을까 하는 생각이 들었습니다.
카이스트의 발상 전환, '촉매'가 아니라 '도로'를 바꿨다
2026년 5월, 대전 카이스트 이진우 교수 연구팀이 세계 최고 권위의 에너지 분야 학술지 줄(Joule)에 논문을 게재했습니다. 핵심은 단순하지만 강력한 발상 전환이었습니다. "촉매를 더 좋게 만들기 전에, 촉매가 서 있는 도로 자체를 다시 깔자."
연구팀이 선택한 방법은 벌집 모양의 구멍이 뚫린 얇은 탄소 시트를 촉매층으로 활용하는 것이었습니다. 여기서 탄소 시트란 전기 전도성이 뛰어나면서도 가볍고 유연한 소재로, 구멍 배열을 설계하면 기포가 사방으로 퍼지는 대신 직선 경로로 빠르게 빠져나갈 수 있습니다. 정체된 도로에 버스 전용차로를 뚫어준 셈입니다.
여기에 탄소 시트 표면에 의도적으로 미세한 흠집을 내어, 귀금속 촉매 금속이 안정적으로 고정되도록 했습니다. 덕분에 귀금속 사용량을 제곱센티미터당 0.09mg 수준까지 대폭 줄이면서도 성능을 끌어올릴 수 있었습니다.
결과는 놀라웠습니다. 이 기술로 달성한 전류 밀도는 17.1 A/cm²로, 미국 에너지부(DOE)가 2026년까지의 목표로 잡았던 수치를 이미 초과 달성했습니다(출처: 미국 에너지부(DOE)). 여기서 전류 밀도란 단위 면적당 흐르는 전류의 양을 뜻하며, 이 수치가 높을수록 같은 크기의 장치에서 더 많은 수소를 생산할 수 있습니다. 1,000시간 이상의 내구성도 함께 입증했으니, 단순 실험실 기록이 아닌 산업 현장에 가까운 조건을 통과한 셈입니다.
제가 특히 인상 깊었던 점은, 이 성과의 주역이 카이스트 박사 과정 대학원생들이라는 사실입니다. "한국은 원천 기술이 부족하다"는 편견이 적어도 이 분야에서만큼은 완전히 틀렸다는 증거라고 봅니다.
제주 실증에서 세계 시장까지, 상용화 퍼즐이 맞춰지고 있다
실험실 성과가 아무리 뛰어나도, 산업 현장에서 A4 용지 크기 이상으로 '대형화'하지 못하면 의미가 없습니다. 이 대형화 과정에서 성능 균일성을 유지하는 것이 얼마나 어려운지는, 반도체 산업을 보면 쉽게 짐작이 갑니다. 작은 칩에서 잘 되던 게 웨이퍼 전체에서는 또 다른 문제를 일으키는 것처럼요.
이 단계를 맡고 있는 곳이 한국전자기술연구원(KETI)입니다. KETI는 수전해 장치 내부의 핵심 부품인 다공성 확산체를 개발했습니다. 다공성 확산체란 전극과 분리막 사이에 위치하면서 물을 촉매층에 고르게 공급하고, 생성된 기포는 효율적으로 배출시키는 역할을 하는 부품입니다. KETI가 개발한 니켈 기반 차세대 확산체는 1,500cm² 이상의 대면적으로 구현되었고, 기존 대비 성능이 59% 향상되었다고 밝혔습니다(출처: 한국전자기술연구원(KETI)). 최적화된 구멍 크기로 모세관 현상을 강화하여 물 공급 효율을 높인 덕분입니다.
이렇게 카이스트의 촉매층 고속도로와 KETI의 확산체 인터체인지가 맞물리자, 각각의 기술이 홀로 있을 때보다 훨씬 강력한 시너지가 나오고 있습니다. 제주 구좌 풍력 단지에서는 이미 국내 최초 대규모 12.5MW급 그린 수소 실증 사업이 진행 중이며, 연간 1,176톤 생산을 목표로 하고 있습니다. 생산된 그린 수소는 수소 버스와 청소차에 실제로 투입됩니다.
몇 년 전 제주에서 제가 눈으로 봤던 그 풍력발전기들이, 이제는 실제로 수소를 만들어 버스를 달리게 하는 시대가 된 겁니다. 향후 기술 검증이 마무리되면 국내 그린 수소 가격이 킬로그램당 3,000원대까지 떨어질 것으로 전망되며, 세계 그린 수소 시장은 2030년에 160억 달러 규모로 성장할 것으로 예상됩니다. 한국은 현대차 넥쏘(세계 판매 1위 수소 승용차)와 발전용 연료전지 설비 용량 세계 1위라는 활용 분야 기반 위에, 이제 생산 기술까지 얹히는 구조가 갖춰지고 있습니다.
자주 묻는 질문
Q. 그린 수소는 언제쯤 실제로 쓸 수 있게 되나요?
A. 이미 제주도에서 12.5MW급 실증 사업이 진행 중이고, 수소 버스·청소차에 실제 투입되고 있습니다. 다만 전국 규모의 상용화까지는 대형화 검증, 재생 에너지 발전 비중 확대 등 풀어야 할 과제가 남아 있어, 빠르면 2030년 전후로 의미 있는 규모가 될 것이라고 보는 시각이 많습니다. 저도 낙관하기 전에 재생 에너지 인프라 문제가 함께 해결되어야 한다고 생각합니다.
Q. 카이스트가 해결한 기포 문제가 왜 그렇게 중요한가요?
A. 기포가 촉매 표면을 덮으면 전기화학 반응이 차단되어 수소 생산 효율이 급격히 떨어집니다. 전류를 높이면 기포도 더 빨리 쌓여서, 고성능 장치를 만들수록 오히려 더 심각한 문제가 됩니다. 이 문제를 해결했다는 건 단순히 성능 수치 하나를 올린 게 아니라, 대규모 수전해 장치 설계의 근본적인 걸림돌을 제거했다는 의미입니다.
Q. 그린 수소가 진짜 친환경이려면 어떤 조건이 필요한가요?
A. 수전해에 사용되는 전기가 반드시 재생 에너지여야 합니다. 석탄이나 LNG 발전으로 만든 전기로 수전해를 하면, 오히려 그레이 수소보다 탄소 발자국이 더 커질 수 있습니다. 한국은 현재 재생 에너지 발전 비중이 약 10%대에 머물러 있어, 그린 수소의 진정한 친환경성을 실현하려면 재생 에너지 비중 확대가 기술 개발만큼 중요한 과제라고 봅니다.
Q. 수소차와 전기차, 어떤 게 더 유리한가요?
A. 용도에 따라 다르다고 보는 시각이 설득력 있습니다. 수소차는 충전 시간이 짧고 연료 탱크 무게가 배터리보다 가벼워 장거리 운송 트럭·시외버스에 유리합니다. 반면 단거리 도심 주행에서는 전기차가 인프라나 에너지 효율 면에서 앞서는 경우가 많습니다. 두 기술이 경쟁이 아닌 상호 보완 관계로 자리잡을 가능성이 크다고 봅니다.
결론
제가 제주에서 막연히 품었던 기대가, 카이스트 연구팀의 기포 문제 해결과 KETI의 대면적 다공성 확산체 기술, 그리고 제주 실증 사업이라는 세 개의 퍼즐 조각으로 구체화되는 것을 보며 진심으로 가슴이 벅찼습니다. "한국은 원천 기술이 부족하다"는 말을 저도 무심코 믿었던 적이 있는데, 이번 일로 그 편견을 완전히 내려놓게 됐습니다.
물론 재생 에너지 발전 비중 확대, 대형화 과정의 균일성 검증, 유럽과의 국제 경쟁이라는 과제는 여전히 남아 있습니다. 기술이 사업으로 이어지려면 갈 길이 더 있다는 것도 냉정하게 봐야 합니다. 그럼에도 지금 이 방향은 옳다고 생각합니다. 관심이 생기셨다면, 제주 그린 수소 실증 사업 현황이나 국내 수소 에너지 정책 동향을 함께 찾아보시는 걸 추천합니다.