“설명 불가” – 새로운 초강력 스테인리스 스틸이 연구자들을 놀라게 하다

• 날짜:
• 2026년 5월 10일
• 출처:
• 홍콩대학교 (The University of Hong Kong)
• 요약:
• 홍콩대학교의 한 팀은 해수에서 그린 수소를 생산하는 데 필요한 가혹한 조건을 견딜 수 있는 새로운 “슈퍼 스틸”을 개발했습니다. 이 소재는 예상치 못한 이중 보호 메커니즘을 사용하여 기존 스테인리스 스틸보다 훨씬 나은 부식 저항성을 보입니다. 더욱 인상적인 점은, 오늘날의 수소 시스템에 사용되는 값비싼 티타늄(titanium) 부품을 대체할 수 있다는 것입니다.
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홍콩대학교(HKU)의 스테인리스 스틸 혁신은 그린 수소가 직면한 가장 큰 문제 중 하나를 해결하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 바로 해수에 충분히 견딜 만큼 강력하면서도 대규모 청정 에너지에 적용할 만큼 저렴한 전해조(electrolyzers)를 어떻게 구축하느냐 하는 문제입니다.

HKU 기계공학과 Mingxin Huang 교수팀이 주도하여 수소 생산용 특수 스테인리스 스틸(SS-H2)을 개발했습니다. 이 소재는 일반적으로 스테인리스 스틸의 한계를 넘어서게 만드는 조건에서도 부식에 저항하며, 해수 및 기타 가혹한 전해조 환경에서 수소를 생산하는 데 유망한 후보가 됩니다.

이 발견은 Materials Today에 게재된

최근 직접 해수 전기분해 (direct seawater electrolysis)에 관한 리뷰들은 동일한 핵심 과제를 계속해서 강조하고 있습니다. 이 기술은 수소 생산을 위한 더 지속 가능한 경로를 제공할 수 있지만, 부식 (corrosion), 염소 관련 부반응 (chlorine related side reactions), 촉매 성능 저하 (catalyst degradation), 침전물 (precipitates), 그리고 제한적인 장기 내구성 (long term durability)이 상용화의 주요 장애물로 남아 있습니다.

바로 이 지점에서 SS-H2가 중요해질 수 있습니다. 염수 전해조 (salt water electrolyzer)에서 HKU 팀은 이 새로운 강철이 탈염된 해수나 산 (acid)을 이용한 수소 생산을 위해 현재 산업 현장에서 사용되는 티타늄 (titanium) 기반 구조 재료와 대등한 성능을 낼 수 있음을 발견했습니다. 차이점은 비용입니다. 금 (gold)이나 백금 (platinum)과 같은 귀금속이 코팅된 티타늄 부품은 비싼 반면, 스테인리스 스틸 (stainless steel)은 훨씬 더 경제적입니다.

10 메가와트 (MW) 규모의 PEM 전기분해 탱크 시스템의 경우, HKU 보고서 작성 당시 총비용은 약 1,780만 홍콩 달러 (HK$17.8 million)로 추정되었으며, 구조 부품이 해당 비용의 무려 53%를 차지했습니다. 팀의 추정치에 따르면, 이러한 고가의 구조 재료를 SS-H2로 교체하면 구조 재료 비용을 약 40배 절감할 수 있습니다.

일반 스테인리스 스틸이 실패하는 이유

스테인리스 스틸은 스스로를 보호하는 특성 덕분에 부식성 환경에서 한 세기 넘게 사용되어 왔습니다. 핵심 성분은 크롬 (chromium)입니다. 크롬 (Cr)이 산화되면 강철을 손상으로부터 보호하는 얇은 부동태 피막 (passive film)을 형성합니다.

하지만 이 익숙한 보호 시스템에는 내재된 한계가 있습니다. 기존의 스테인리스 스틸에서 크롬 기반 보호층은 높은 전기 전위 (electrical potentials)에서 붕괴될 수 있습니다. 안정적인 $\text{Cr}_2\text{O}_3$는 더 산화되어 용해 가능한 $\text{Cr(VI)}$ 종으로 변할 수 있으며, 이는 약 ~1000 mV (포화 칼로멜 전극, SCE)에서 과부동태 부식 (transpassive corrosion)을 일으킵니다. 이는 물 산화 (water oxidation)에 필요한 ~1600 mV보다 훨씬 낮은 수치입니다.

해수에서 강력한 공식 저항성 (pitting resistance)을 가진 크롬 기반 합금의 기준점인 254SMO 슈퍼 스테인리스 스틸 (super stainless steel)조차도 이 높은 전압 한계에 부딪힙니다. 일반적인 해양 환경에서는 성능이 좋을 수 있지만, 수소 생산의 극한 전기화학적 환경 (electrochemical environment)은 차원이 다른 도전 과제입니다.

두 번째 방패를 구축하는 강철

HKU 팀의 해답은 "순차적 이중 부동태화 (sequential dual-passivation)"라고 불리는 전략이었습니다. SS-H2는 일반적인 크롬 산화물 (chromium oxide) 장벽에만 의존하는 대신, 두 번째 보호층을 형성합니다.

첫 번째 층은 익숙한 Cr2O3 기반의 부동태 피막 (passive film)입니다. 그 후, 약 ~720 mV에서 크롬 기반 층 위에 망간 (manganese) 기반 층이 형성됩니다. 이 두 번째 방패는 염화물 (chloride)을 포함하는 환경에서 최대 1700 mV의 초고전위 (ultra high potential)까지 강철을 보호하는 데 도움을 줍니다.

이것이 바로 이번 발견이 매우 놀라운 이유입니다. 망간은 보통 스테인리스 스틸의 부식 저항성에 도움이 되는 요소로 간주되지 않습니다. 사실, 망간이 저항성을 약화시킨다는 것이 지배적인 견해였습니다.

"처음에는 믿기지 않았습니다. 망간이 스테인리스 스틸의 부식 저항성을 저해한다는 것이 지배적인 견해였기 때문입니다. 망간 기반의 부동태화 (Mn-based passivation)는 현재의 부식 과학 지식으로는 설명할 수 없는 직관에 반하는 발견입니다. 하지만 수많은 원자 수준 (atomic-level)의 결과가 제시되었을 때, 우리는 확신했습니다. 놀라움을 넘어, 우리는 이 메커니즘을 활용하기를 고대하고 있습니다"라고 Huang 교수의 지도하에 박사 과정을 밟고 있는 논문의 제1저자 Kaiping Yu 박사는 말했습니다.

놀라움에서 응용까지, 6년간의 추진

첫 관찰에서 출판에 이르기까지의 과정은 빠르지 않았습니다. 팀은 이 특이한 스테인리스 스틸의 초기 발견에서부터 더 깊은 과학적 설명, 그리고 출판과 잠재적인 산업적 활용에 이르기까지 거의 6년을 보냈습니다.

"자연 전위 (natural potentials)에서의 저항에 주로 집중하는 기존의 부식 연구 커뮤니티와 달리, 저희는 고전위 저항성 합금 (high-potential-resistant alloys) 개발을 전문으로 합니다. 우리의 전략은 기존 스테인리스 스틸 (stainless steel)의 근본적인 한계를 극복했으며, 고전위에서 적용 가능한 합금 개발의 패러다임을 구축했습니다. 이 돌파구는 매우 흥미로우며 새로운 응용 분야를 가져다줄 것입니다,"라고 Huang 교수는 말했습니다.

이 연구는 실험실을 넘어섰습니다. 연구 성과는 여러 국가에 특허로 제출되었으며, HKU 발표 시점에 이미 두 건의 특허가 승인되었습니다. 연구팀은 또한 중국 본토의 공장과 협력하여 수 톤의 SS-H2 기반 와이어 (wire)가 생산되었다고 보고했습니다.

"실험용 재료에서 수전해 장치 (water electrolyzers)를 위한 메쉬 (meshes) 및 폼 (foams)과 같은 실제 제품에 이르기까지, 여전히 해결해야 할 도전적인 과제들이 남아 있습니다. 현재 우리는 산업화(industrialization)를 향해 큰 발걸음을 내디뎠습니다. 중국 본토의 공장과 협력하여 수 톤의 SS-H2 기반 와이어가 생산되었습니다. 우리는 재생 에너지원으로부터의 수소 생산에 더 경제적인 SS-H2를 적용하는 방향으로 나아가고 있습니다,"라고 Huang 교수는 덧붙였습니다.

왜 타이밍이 여전히 중요한가

SS-H2 연구는 2023년에 발표되었지만, 그 핵심 문제는 더욱 중요해졌습니다. 최신 해수 전해 (seawater electrolysis) 연구는 여전히 동일한 병목 현상에 집중하고 있습니다: 부식 저항성 재료 (corrosion resistant materials), 장수명 전극 (long lasting electrodes), 염소 억제 (chlorine suppression), 그리고 이상적인 실험실 용액이 아닌 실제 해수에서 견딜 수 있는 시스템 설계가 그것입니다. 2025년 Nature Reviews Materials의 리뷰 논문은 직접 해수 전해를 유망하다고 설명하면서도, 부식 (corrosion), 부반응 (side reactions), 금속 침전물 (metal precipitates), 그리고 제한된 수명에 의해 여전히 제약을 받고 있다고 기술했습니다.

다른 최근 연구들은 천연 해수에서의 내구성 (durability)을 향상시키기 위해 NiFe 기반 코팅 (coatings) 및 Pt 원자 클러스터 (atomic clusters)를 포함한 보호 촉매층 (protective catalytic layers)을 갖춘 스테인리스 스틸 기반 전극을 탐구해 왔습니다. 연구자들은 또한 스테인리스 스틸 기판 (substrates) 위에 구축된 부식 방지 양극 (corrosion resistant anode) 전략을 보고하였으며, 이는 해수 전기분해 (seawater electrolysis)를 더욱 실용적으로 만들기 위한 노력 속에서 스테인리스 스틸이 여전히 주요 초점임을 보여줍니다.

이러한 최신 연구들이 SS-H2의 발견을 대체하는 것은 아닙니다. 대신, 이는 HKU 팀의 접근 방식이 왜 중요한지를 강화해 줍니다. 이 분야는 여전히 염수 화학 (saltwater chemistry), 고전압 (high voltage), 그리고 산업적 운용 요구 사항 (industrial operating demands)이라는 가혹한 조합 속에서 살아남을 수 있는 재료를 찾고 있습니다. SS-H2가 돋보이는 이유는 코팅이나 촉매로만 문제를 해결하는 것이 아니라, 스테인리스 스틸이 스스로를 보호하는 방식을 바꾸는 새로운 합금 설계 전략 (alloy design strategy)으로 문제에 접근하기 때문입니다.

청정 에너지 잠재력을 가진 강철의 돌파구

SS-H2는 아직 수소 경제를 위한 즉시 사용 가능한 (plug and play) 솔루션은 아닙니다. 연구팀은 실험용 재료를 메쉬 (meshes) 및 폼 (foams)을 포함한 실제 전해조 (electrolyzer) 제품으로 전환하는 데 여전히 어려운 엔지니어링 작업이 수반된다는 점을 인정했습니다.

그럼에도 불구하고, 그 가능성은 명확합니다. 값비싼 티타늄 기반 (titanium based) 부품을 대체하면서 고전압 해수 조건을 견딜 수 있는 스테인리스 스틸은 수소 생산을 더 저렴하고, 확장 가능하며, 재생 에너지와 결합하기 더 쉽게 만들 수 있습니다.

비용과 내구성이 기술의 실험실 탈출 여부를 결정하는 경우가 많은 분야에서, 스스로 두 번째 방패를 구축하는 강철은 단순한 재료 과학적 놀라움 그 이상일 수 있습니다. 이는 산업적 규모의 더 깨끗한 수소를 향한 실질적인 단계가 될 수 있습니다.

스토리 출처:

The University of Hong Kong에서 제공한 자료. 참고: 콘텐츠는 스타일과 길이에 따라 편집될 수 있습니다.

저널 참조:

• Kaiping Yu, Shihui Feng, Chao Ding, Meng Gu, Peng Yu, Mingxin Huang.
  A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation.Materials Today, 2023; 70: 8 DOI: 10.1016/j.mattod.2023.07.022

이 페이지 인용하기:

ScienceDaily. 2026년 5월 13일에 www.sciencedaily.com에서 검색됨.