수소 에너지 시스템의 안전성 확보: 피팅에서의 가스 누출

북일고등학교

이선재, 옥경한, 이건우, 정승훈, 이영주

abstract

수소 에너지는 탄소중립 시대의 핵심 에너지원으로 주목받고 있으나, 고압 저장·이송 과정에서 피팅부의 가스 누출은 안전성 확보에 있어 중요한 과제이다. 본 연구에서는 진동, 압력 변화, 열팽창, 재료 열화라는 네 가지 주요 요인이 각각 어떻게 작용하고 상호작용하는지를 분석하였다. 또한, cone & thread 방식의 한계를 보완하기 위해 이중 페룰 피팅과 가스켓 보강 구조를 결합한 방식을 제시하였다. 아울러 고니켈 스테인리스강, 티타늄 합금, 하이엔트로피 합금, DLC 코팅 등 신소재와 코팅 기술, 그리고 반도체 공정 기술의 접목 가능성을 검토하였다. 나아가 초임계 이산화탄소 및 수소 충전소 적용 등 다른 분야로의 확장 가능성도 논의하였다. 이를 통해 수소 에너지 인프라의 안정성과 지속 가능성을 동시에 확보할 수 있는 방안을 제시한다.

목차

1. 서론

2. 본론

2.1. 가스 누출의 주요 요인과 상호작용, 그리고 해결 방안

2.1.1. 네 요인의 상호 작용

2.1.2. 각 요인들에 대한 해결 방안

2.2. 수소 배관 피팅에 사용되는 새로운 소재나 코팅기술의 종류

2.2.1. 여러 소재들과 코팅기술

2.2.2. 환경적 지속가능성 평가

2.3. 반도체 공정 기술의 응용 및 수소 피팅의 혁신적인 설계

2.3.1. 진공 밀봉 기술

2.3.2. 초고정밀 가공 기술

2.3.3. 수소피팅에서의 혁신적인 설계 및 감지 기술

2.4. 수소 배관 피팅 시스템의 다른 분야에서의 활용

2.4.1. 초임계 이산화탄소

2.4.2. 수소 충전소

3. 결론 및 제언

4. 참고문헌

Ⅰ		서론

수소 에너지는 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있는 친환경 에너지로서, 미래 에너지 체계의 핵심으로 부상하고 있다. 그러나 수소는 분자 크기가 작고, 고압 상태에서 저장·이송되기 때문에 기존의 배관 및 피팅 기술로는 누출을 완벽히 방지하기 어렵다. 특히, 수소 충전소와 같은 고압 설비에서는 진동, 압력 변화, 열팽창, 재료 열화가 복합적으로 작용하여 피팅부의 손상과 누출을 유발한다. 따라서 단순히 개별 요인을 해결하는 것을 넘어, 이들 요인 간 상호작용을 분석하고, 구조적·재료적·공정적 측면에서 종합적인 대책을 마련하는 것이 필수적이다. 본 연구는 기존 cone & thread 방식의 한계를 분석하고, 이중 페룰 피팅과 가스켓 보강 구조를 통한 개선 방안을 제시한다. 또한 신소재 및 코팅 기술, 반도체 공정 기술을 적용한 혁신적 설계 가능성을 탐구하여 수소 에너지 시스템의 안전성을 높이고자 한다.

Ⅱ		본론

2.1. 가스 누출의 주요 요인과 상호작용, 그리고 해결 방안

수소 충전 설비와 같은 고압 배관 시스템에서는 진동, 압력 변화, 열팽창, 재료 열화라는 네 가지 주요 요인이 복합적으로 작용하여 누출을 유발할 수 있다. 이 요인들을 최소화하고, 안정적인 수소 설비를 제작하기 위해서는 이 요인들 뿐만 아니라 이 요인들 간의 상호 작용도 함께 살펴보아야 한다. 따라서 상호 작용이 어떻게 일어나는지 살펴보고, 이를 개선할 수 있는 방법으로 수소 충전 장비에서 가장 많이 쓰이는 cone & thread 방식 대신 이중 페룰 피팅에 가스켓 보강 구조를 융합한 방식을 제시한다.

2.1.1. 네 요인의 상호 작용

먼저 네 요인의 상호작용을 살펴보면, 이들은 독립적으로 작용하지 않고 서로를 증폭시킨다. 진동과 압력 변화는 진동으로 생긴 미세 틈새에 압력 변동이 겹치면 누설 경로가 확대되고 응력 집중이 심화된다. 진동과 열팽창은 열팽창·수축과 진동이 동시에 작용하면 접촉면에 마모가 발생하여 균열이 촉진된다. 압력 변화와 열팽창은 온도·압력 사이클이 동시에 작용하면 금속에 교번 응력이 걸려 피로 손상 속도가 가속된다. 마지막으로 재료 열화는 모든 요인과 상호작용하며, 일단 열화가 시작되면 나머지 요인들에 의해 손상이 가속되는 악순환이 형성된다.

2.1.2. 각 요인들에 대한 해결 방안

다음으로는 각 요인들에 대해 이중 페룰 피팅 + 가스켓 보강 구조의 장점과 단점, 그리고 해결점을 알아보겠다. 먼저, 진동이다. 수소 충전 장비는 이동식 구조로 차량 주행이나 펌프 작동 시 불규칙한 진동을 지속적으로 받는다. 진동은 체결부의 미세한 헐거짐과 미세 간극을 유발하여 누설 통로를 형성한다. 특히 cone & thread 피팅은 단일 접촉 라인에 의존하기 때문에 진동에 취약하다. 반면 이중 페룰 피팅은 앞·뒤 페룰이 각각 튜브와 피팅 본체에 밀착하여 두 개의 씰 라인을 형성하고, 가스켓 보강이 쿠션 역할을 수행하여 진동으로 생긴 틈새를 흡수한다. 따라서 진동 저항성에서 확실한 강점을 가진다.

두 번째로는 압력 변화이다. 수소는 보통 70~100 MPa 이상의 초고압 상태로 저장·이송된다. 압력 사이클링은 체결부에 인장·압축 응력을 번갈아 가하며 가스켓과 금속부에 피로 손상을 준다. cone & thread 방식은 초고압에 적합하지만, 반복 압력 변동에서 국부 응력 집중이 커져 장기 사용에 불리하다. 이중 페룰 + 가스켓 구조는 압력 변화로 생기는 미세 간극을 가스켓이 보완해 단기적 기밀성은 우수하나, 극한 압력 변동이 잦으면 가스켓이 먼저 열화되는 한계를 가진다. 따라서 가스켓의 재료 무결성을 높여야 한다. 이를 위해서 가스켓에 니켈과 크롬 함유량을 높이면 초고압 환경에서도 충분히 버틸 수 있을 것이다. 하지만 이 방법에서 가공 문제와 비용 문제는 아직 해결되어야 할 문제이다.

세 번째로는 열팽창이다. 온도 변화는 피팅 재질에 열팽창·수축을 반복적으로 일으킨다. cone & thread 피팅은 단일 금속 접촉만으로 밀폐하기 때문에, 열팽창 시 미세 틈새가 발생하면 수소 누출 가능성이 높아진다. 반면 이중 페룰 구조는 응력을 분산시키고, 가스켓은 탄성 변형을 통해 온도 변화로 생긴 간극을 메운다. 그러나 고온 환경에서는 비금속 가스켓이 열화되고, 금속 가스켓은 복원력이 떨어지는 문제가 있다. 이 문제 또한 니켈과 크롬 함유량을 높이는 방법을 사용하면 일부 해결할 수 있지만, 근본적으로는 가스켓 재질의 탄성·내열 특성을 적절히 선택하는 것이 중요하다.

마지막으로는 재료 열화이다. 수소 환경에서는 금속이 수소취성에 의해 미세 균열이 생기거나, 장기간 사용으로 피로·부식이 진행될 수 있다. cone & thread는 단순 구조라 열화 요소가 적지만, 응력 집중 때문에 균열 발생에 민감하다. 이중 페룰 피팅은 응력 분산 효과로 상대적으로 유리하지만, 장기적으로는 페룰 자국 부위에서 국부 변형이 누적된다. 또한 가스켓은 장기간 압축·진동에 의해 성능이 떨어진다. 이 역시 니켈과 크롬 함유량을 높여 일부 해결 가능하다. 그러나 장기적으로는 가스켓 교체 주기를 설정하고 미세 균열을 점검하는 것이 필요하다.

이중 페룰 피팅 + 가스켓 방식은 좋은 피팅 설계를 위한 특성인 씰 견고성, 그립 강도, 진동 저항성, 재료 무결성 측면에서 이점을 가진다. 먼저 진동 저항성은 앞·뒤 페룰이 튜브를 이중으로 잡아 흔들림 억제하고 가스켓이 진동 쿠션 역할을 하여 미세 간극 변화 흡수하여 기존 cone & thread보다 진동 안정성이 월등히 높다. 씰 견고성 강화는 앞 페룰이 튜브 외벽을 눌러 첫 번째 씰을 형성하고 뒤 페룰이 피팅 본체와의 접촉으로 두 번째 씰을 형성하며 거기에 가스켓이 금속 접촉부 사이 틈새를 보강해 줘 기밀성을 유지할 수 있다. 그립 강도 확보는 이중 페룰이 콜릿 방식으로 관을 잡아주어 강력한 기계적 고정을 이룰 수 있다. 재료 무결성은 니켈과 크롬 함유량을 높여 확보할 수 있으며 여기에 응력 분산 설계와 정기적인 유지보수 전략을 병행해야 한다.

2.2. 수소 배관 피팅에 사용되는 새로운 소재나 코팅기술의 종류

수소 에너지는 탄소중립 시대의 핵심 에너지원이지만, 수소 취성과 침투 문제로 인해 배관 피팅에서 안전성이 크게 위협받는다. 이를 해결하기 위해 신소재나 코딩기술이 개발 되고 있다.

2.2.1 여러 소재들과 코팅기술

1. 고니켈 스테인리스강

Ni 함량 증가는 오스테나이트 안정성(높은 SFE 등)을 높여 HE 민감도를 낮추는 것으로 보고되며, 실제 가스 서비스에서는 316L 등 오스테나이트계가 304L보다 우수한 선택으로 권고된다. 따라서 고니켈 스테인리스는 배관 또는 피팅 재료로 현실적이며 기존 제조,재활용 인프라를 활용하기 용이하다.

2. 티타늄 합금

일부 β계·특정 합금 조성은 수소로 인한 수화물 형성이나 확산 특성이 달라 HE에 상대적으로 강하다고 보고된다. 티타늄은 고유의 우수한 내식성, 강도-중량비를 가지지만 원료, 제련, 가공의 에너지 집약도가 높다.

3. 하이엔트로피 합금(HEA)

최근 연구는 특정 FCC 계-조성 설계로 수소 확산, 트랩(site) 설계를 통해 HE 저항성을 크게 개선할 가능성을 제시한다. 다만 HEA는 합금 설계·대량 생산 측면에서 기술 성숙도와 비용면의 과제가 남아 있다.

4. 무수소 DLC(다이아몬드 유사 탄소) 코팅

DLC는 밀도가 높고 구조적으로 기체 투과가 낮아 수소 투과 방어에 유리하며, 마모-내식성도 높여 피팅 표면 보호에 적합하다. 적용은 주로 박막 진공공정(PECVD)으로 이루어지며 접착, 박막 균일성, 공정 비용이 상용화 관건이다.

5. 무전해 Ni-P 등 금속 전착 코팅

무전해 니켈-인 코팅은 균일한 막을 형성해 수소 투과율을 낮추는 실무적 장점이 있고, 도금 공정의 대량 처리성 때문에 레트로핏(현관 배관 개보수)에 현실적으로 적용 가능하다.

6. 나노입자 기반 물리적 차단층 및 유기/복합 코팅

그래핀또는 그래핀 산화물 기반 복합층이나 고분자-나노필러 혼합 코팅은 실험, 파일럿에서 투과율 저감과 기계적 부착성 향상을 보였으나, 생산 공정, 균일도, 현장 적용법 표준화가 필요하다.

2.2.2. 환경적 지속가능성 평가

수소 배관 피팅 소재와 코팅 기술의 환경적 지속가능성을 논할 때에는 전 과정 평가의 관점에서 원료 채굴부터 제조, 사용, 폐기까지를 종합적으로 고려해야 한다.

우선 철강, 특히 스테인리스강은 스크랩 재활용률이 높고 전기로 전환을 통해 탄소 배출을 줄일 수 있어 상대적으로 환경적 부담이 낮은 소재로 평가된다. 반면 티타늄, 하이엔트로피 합금에 포함되는 희소 금속, 그리고 고순도 그래핀-그래파이트와 같은 첨단 소재는 채굴과 제련 단계에서 에너지와 탄소 집약도가 높아 초기 환경 비용이 크다는 한계를 지닌다.

따라서 이러한 소재들은 사용 수명 동안 부식 저감과 교체 주기 감소를 통해 발생하는 장기적 이익과 초기 환경 부담을 균형 있게 비교하는 접근이 필요하다.

또한 표면처리와 도금 공정은 무전해 니켈이나 전기도금 과정에서 폐수와 슬러지가 발생하며, 특히 니켈 화합물의 유출은 수질과 토양에 심각한 환경 부담을 줄 수 있다. 이 때문에 대규모 적용 시에는 폐수 재순환 시스템 구축, 슬러지 안정화 처리, 저오염 전구체 사용과 같은 관리 전략이 반드시 수반되어야 한다.

한편 그래핀이나 나노입자 기반 코팅 기술은 수소 투과 방지 성능이 탁월하지만, 생산과 사용, 폐기 단계에서 인체 흡입이나 수계 유입을 통한 생태 독성 위험이 존재한다는 점에서 잠재적 환경 리스크를 동반한다. 따라서 이러한 기술은 상용화에 앞서 충분한 환경영향평가와 규제 검토가 요구된다.

마지막으로 폐기 및 재활용 단계에서는 스테인리스강이 회수와 재활용 인프라가 잘 구축되어 있어 지속가능성이 높으나, 티타늄 합금, 하이엔트로피 합금, 그리고 CFRP 복합소재 등은 분해와 재활용이 어렵다는 점에서 환경 비용이 커질 수 있다. 따라서 이러한 신소재의 도입에는 설계 단계에서부터 분해 용이성과 재활용 가능성을 고려하는 재활용 지향 설계가 함께 수반되어야 한다.

2.2.3. 경제적 대규모 적용 요건

수소 배관 피팅 소재와 코팅 기술이 실질적으로 확산되기 위해서는 원자재 가용성, 제조 및 가공 비용, 공정 확장성, 그리고 인프라 적용 전략을 종합적으로 고려해야 한다.

우선 원자재와 공급망 측면에서 니켈, 크롬, 티타늄, 특정 합금 원소 등은 수소 인프라 확대와 함께 수요가 급격히 증가할 수 있으며, 일부 원소는 채굴, 정련 설비의 한계와 지정학적 요인으로 가격 변동성과 공급 리스크가 크다.

따라서 소재 선택 시 단순한 성능뿐 아니라 원료 확보 가능성과 전략적 리스크 관리가 필수적이다. 제조 및 가공 비용을 살펴보면, 고니켈 스테인리스강은 기존 강관 제조 및 피팅 공정과 호환성이 높아 초기 투자비용 부담은 낮지만, 니켈 함량 증가에 따른 원재료비 상승은 고려해야 한다. 티타늄 합금은 단위 재료비와 가공비가 높아 초기 비용이 크지만, 뛰어난 내식성과 긴 사용 수명 덕분에 총소유비용 관점에서는 경쟁력을 가질 수 있다.

반면 하이엔트로피 합금은 아직 연구나 시제품 수준에 머물러 있어 제조단가가 높고 대규모 용융, 정제 공정이 미성숙하다는 한계가 있다. 따라서 경제적 확산을 위해서는 분말 공급망 확보, 대규모 정제 및 균일화 공정 최적화와 같은 제조혁신이 선행되어야 한다. 코팅 기술의 확장성 측면에서는 무전해 Ni-P 코팅이 연속적이고 대량 처리 공정으로 이미 산업적 확장성이 입증되어 있으며, 기존 배관 내부에 레트로핏 방식으로 적용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 폐수 처리 비용과 환경 규제가 경제성에 큰 영향을 줄 수 있다는 점은 부담 요소다.

반면에 DLC나 그래핀 복합 박막 코팅은 고진공 기반의 PECVD, PVD 공정에 의존해 장비 투자와 처리 속도 측면에서 비용이 높으며, 대규모 배관 적용을 위해서는 현장형 연속 처리 장비나 모듈화된 전처리-후처리 공정 개발이 필요하다.

마지막으로 인프라 적용 전략은 기존 배관망과 신규 구축 구간을 구분해 접근하는 것이 바람직하다. 기존 배관망 전환에는 폴리머 또는 전착 코팅을 활용한 내부 라이닝 방식이 초기 비용을 낮추고 빠른 확산에 유리하며, 신규 구축 구간은 고니켈 스테인리스강이나 복합소재를 설계 단계부터 적용하여 장기적 TCO를 최적화하는 것이 효과적이다. 이러한 레트로핏과 신설을 병행하는 혼성 전략은 경제성과 효율성 모두를 확보할 수 있는 현실적인 방안으로 평가된다.

2.3. 반도체 공정 기술의 수소 피팅에서의 사용

2.3.1. 진공 밀봉 기술

반도체 제조 공정에서는 나노미터 단위의 미세한 회로를 안정적으로 만들기 위해 매우 깨끗한 환경이 필요하다. 이를 유지하기 위해 가장 중요한 기술 중 하나가 바로 진공 밀봉 기술이다. 진공 밀봉 기술이란, 장비 내부를 공기, 수분, 먼지 같은 불순물이 거의 없는 진공 상태로 유지하고, 밀봉 부위를 통해 외부가 들어오지 않도록 막는 기술을 의미한다.

반도체 장비 내부에서는 일반적인 밀폐 방식으로는 충분하지 않다. 그 이유로는, 분자 단위로 이동하는 기체조차 장비 내부의 회로에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 따라서 반도체에서는 금속-금속 밀봉이나 고진공용 특수 가스킷을 사용하여, 금속 표면끼리 직접 맞닿게 하거나 특수 재료를 끼워서 틈을 거의 완전히 차단한다. 이러한 방식은 단순히 공기가 새지 않게 하는 것뿐만 아니라, 원자 단위의 기체 이동까지 최소화할 수 있을 정도로 정밀하다.

이러한 진공 밀봉 기술은 수소 배관 피팅 시스템에도 적용될 수 있다. 수소는 분자 크기가 매우 작아 기존 배관이나 피팅의 미세한 틈으로도 쉽게 새어나갈 수 있기 때문에, 일반적인 가스 배관 밀폐 방식만으로는 수소 누출을 완전히 막기 어렵다. 하지만 반도체에서 사용되는 진공 밀봉 기술을 적용하면, 피팅과 배관 연결부의 틈새를 나노미터 수준으로 제어할 수 있어 누출 가능성을 크게 줄일 수 있다. 예를 들어, 반도체 장비에서 쓰이는 고진공 씰링 구조를 수소 배관에 적용하면, 장기간 사용에도 안정적인 밀폐성을 유지할 수 있으며, 이는 곧 수소 시스템의 안정성과 효율성 향상으로 이어진다.

결국, 반도체 제조 공정에서 발전한 진공 밀봉 기술은 수소 에너지 산업에서도 핵심적인 역할을 할 수 있을 것이다. 수소는 친환경적이고 미래 에너지로 주목받지만, 누설과 안전 문제는 여전히 큰 과제로 남아 있다. 따라서 반도체 공정에서 검증된 진공 밀봉 기술을 수소 배관 시스템에 접목하면, 수소 활용의 안정성을 높이고 대규모 보급에도 기여할 수 있을 것이다.

2.3.2. 초고정밀 가공 기술

반도체의 제조 공정에서 활용되는 진공 밀봉 기술 뿐만 아니라 초고정밀 가공 기술 또한 수소 배관 피팅시스템에서 밀폐성 향상에 기여할 수 있다. 초고정밀 가공 기술이란 나노미터 또는 그 이하의 정밀도로 재료의 표면 형상이나 특성을 제어하여, 오차를 극도로 줄이는 첨단 제조 기술로 크게 화학기계적 평탄화(CMP)와 전해연마가 존재한다. CMP는 반도체 제조 공정 과정에서 웨이퍼의 표면을 평탄하게 다듬는 기술이다. 슬러리라는 연마액 속 화학 물질이 표면 재료와 반응하게 괴어 표면을 연마한다. 이는 웨이퍼 상부의 단차를 줄여 막 두께의 불균일을 예방할 수 있다. 한편 전해연마는 금속 제품을 전해액 속에 넣고 양극을 연결하여 전류를 흘렸을 때 돌출부위가 다른 부위보다 빠르게 용해되면서 매끄러운 표면을 얻는 방법이다.

화학기계적 평탄화(CMP) 기술은 수소 가스 피팅 시스템의 성능을 다각도로 향상시키는 핵심 공정이다. 첫째, CMP는 씰(seal) 견고성을 강화하여 수소 누출을 효과적으로 방지한다. 피팅 본체 내부의 원추형 밀봉좌(seat)와 페룰의 접촉면을 CMP 수준으로 정밀하게 평탄화함으로써, 부품 간의 접촉 면적을 극대화한다. 이 과정은 페룰과 본체가 맞닿는 면에 미세한 틈새를 남기지 않으며, 결과적으로 수소처럼 작은 분자도 통과할 수 있는 마이크로 채널의 발생을 근본적으로 억제한다. 이는 초기 밀폐 성능을 극대화하는 동시에 장기적인 기밀성을 보장한다. 둘째, CMP는 그립(grip) 견고성을 높여 높은 압력 환경에서도 배관을 안정적으로 고정한다. CMP 공정을 통해 페룰의 각도와 치수를 초정밀하게 가공하면, 앞뒤 페룰과 너트가 맞물리는 기계적 콜릿(collet) 구조의 효율이 최적화된다. 이를 통해 제조사 스펙 이상의 고압 환경에서도 튜브를 견고하게 잡아주는 효과를 얻을 수 있다. 셋째, CMP는 진동 저항성을 개선한다. CMP로 정확하게 가공된 페룰 경사면은 진동 시에도 균일한 면압을 유지함으로써 밀봉 부위의 흔들림을 억제한다. 마지막으로, CMP 과정 중 불순물이 함께 제거되는 효과는 재료의 무결성을 높여 부식이나 피로 파괴에 대한 저항성을 강화하는 데 기여한다. 이처럼 CMP는 피팅의 씰, 그립, 진동 저항성 및 재료 무결성을 동시에 향상시켜 수소 배관 시스템의 장기적인 신뢰도와 안전성을 크게 높인다.

전해연마는 이중 페룰 피팅의 성능을 여러 면에서 향상시키는 핵심 기술이다. 우선, 피팅 부품 표면의 미세한 흠집과 이물질을 제거하여 거울처럼 매끄럽게 만든다. 이를 통해 페룰과 피팅 본체가 맞닿는 밀봉면의 접촉 면적을 극대화하여 수소 누출을 야기하는 미세한 틈새, 즉 마이크로 채널의 발생을 억제하고 초기 기밀성을 높인다. 장기적으로도 균일한 금속-금속 접촉을 유지해 씰 성능을 안정적으로 만든다. 또한 전해연마는 그립 강도를 향상시킬 수 있다. 이중 페룰 피팅 구조에서 뒤쪽 페룰은 튜브를 물어주며 하중을 분산시키고 마찰력을 형성하여 고정을 시킨다. 만약 전해연마로 튜브의 외경 표면에 존재하는 불순물층이나 미세 균열을 제거한다면 금속의 균질한 표면의 결함이 적어져 국부 변형에 대한 저항이 증가하고 균일한 물림이 이루어지면서 더욱 강하게 이를 유지할 수 있다. 또한 전해연마로 형성되는 산화 피막은 표면 경도의 향상과 마찰 특성을 안정화시켜 누설이나 풀림 현상을 억제한다. 이외에도 페룰 자체를 전해연마로 마감하면 접촉면의 버(burr)가 제거되어 튜브 손상을 최소화하면서도 마찰력을 안정적으로 유지할 수 있다. 진동 환경에서는 매끄러운 표면이 미세한 슬립과 마찰 마모를 줄여 부품이 헐거워지는 것을 방지하며, 표면에 형성된 치밀한 산화 피막은 반복적인 진동에 대한 저항성을 높여준다. 마지막으로, 전해연마는 재료의 무결성을 강화한다. 금속 표면에 보호 산화막을 형성하여 스테인리스강의 내식성을 크게 향상시키고, 소재 내부에 잔류하는 수소를 제거하여 수소취성을 완화한다. 이 모든 효과들이 결합되어 이중 페룰 피팅의 장기적인 안전성과 신뢰도를 크게 높여준다.

초고정밀 가공 기술인 화학기계적 평탄화(CMP)와 전해연마는 수소 배관 피팅 시스템의 성능과 안전성을 획기적으로 향상시키는 데 기여한다. 이 기술들은 부품의 표면을 나노미터 수준으로 정밀하게 다듬어 접촉면의 미세한 흠집이나 불순물을 제거한다. 이를 통해 피팅 부품 간의 밀봉 접촉면적을 극대화하여 수소 누출을 방지하고, 그립 강도와 진동 저항성을 강화한다. 궁극적으로, 이러한 초고정밀 가공은 부식과 수소취성을 완화하여 재료의 무결성을 높이고 반도체와 수소 배관을 접목시킨다는 점에서 의의를 갖는다.

2.3.3. 수소피팅에서의 혁신적인 설계 및 감지 기술

수소 배관 피팅 시스템에서는 안전성과 효율성을 높이기 위해 혁신적인 설계와 감지 기술이 점점 더 중요해지고 있다. 여기서 말하는 혁신적인 설계란, 그냥 배관을 연결하는 구조가 아닌, 누출 가능성을 최소화하고 유지보수를 쉽게 할 수 있도록 전체 구조를 최적화하는 방법을 의미한다. 예를 들어, 기존의 나사형 연결 방식은 설치 과정에서 작은 틈새가 생기거나 시간이 지나면서 느슨해질 수 있다. 반면,  원터치 밀폐형 구조는 배관과 피팅이 서로 맞닿는 면을 정밀하게 설계하여 틈새를 최소화하고, 설치 후에도 장기간 안정적인 밀폐성을 유지할 수 있다. 이러한 구조적 설계 개선은 수소와 같은 분자 크기가 매우 작은 가스가 새는 문제를 근본적으로 줄여주며, 장치의 안전성과 신뢰성을 동시에 높이는 효과를 갖는다.

또한, 수소 누출 감지 센서는 배관 내부에서 발생할 수 있는 미세한 누출을 실시간으로 감지하여, 즉시 안전 장치를 작동시키거나 경보를 보내는 기술이다. 이 센서는 반도체 소자에 사용되는 정밀 센싱 기술을 기반으로 하여, 아주 작은 변화까지 감지할 수 있다. 예를 들어, 수소 누출량이 극히 적더라도 센서가 이를 감지해 경보를 울리거나, 자동으로 밸브를 차단함으로써 사고를 예방할 수 있다. 이러한 감지 기술은 수소 배관 외에도 공정 장치나 실험 장비의 안전성을 높이는 데 매우 유용하다.

이러한 혁신적 설계와 감지 기술은 단순히 수소 산업에서만 유용한 것이 아니라, 반도체 제조 공정과 바이오테크 산업에서도 활용될 수 있다. 반도체 공정에서는 장비 내부의 미세 가스 누출이나 압력 변화를 감지하는 것이 매우 중요합니다. 수소 배관에서 사용되는 고감도 센서를 응용하면, 장비 내부의 극소량 가스 누출이나 압력 변화도 빠르고 정확하게 모니터링할 수 있다. 이는 공정의 안정성을 높이고, 제품 생산에서 불량률을 줄이는 데 기여한다. 특히, 나노미터 단위의 회로를 제작하는 공정에서는 환경 변화가 조금이라도 생기면 큰 손실로 이어질 수 있기 때문에, 미세 누출 감지 기술의 응용이 매우 중요하다.

바이오테크 산업에서도 비슷한 원리가 적용될 수 있다. 세포 배양 장치, 배양기, 밀폐형 유리병 등에서는 세포가 성장하는 환경을 일정하게 유지하는 것이 필수적이다. 수소 누출 감지 기술과 유사한 방식으로, 산소 농도, 이산화탄소 수준, 습도, 온도 등을 실시간으로 정밀하게 감지하고 조절할 수 있다. 이를 통해 세포 손상이나 오염을 예방하고, 실험 결과의 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 자동화된 센서와 경보 시스템을 활용하면 연구자의 직접 개입 없이도 안정적인 환경을 유지할 수 있어, 실험 효율성과 안전성 모두를 동시에 높일 수 있다.

결국, 수소 배관에서 발전한 혁신적 설계와 정밀 감지 기술은 에너지 안전성을 높이는 데 그치지 않고, 반도체 장비의 공정 안정화와 바이오 실험 환경의 정밀 관리에도 핵심적으로 기여할 수 있다. 이러한 기술 융합은 산업 전반에서 효율과 안전성을 동시에 향상시키는 효과를 가지며, 나아가 미래 산업의 지속 가능한 발전에도 중요한 역할을 할 수 있다. 수소 산업과 반도체, 바이오테크 산업 간의 기술 교류와 응용은 앞으로 더욱 확대될 가능성이 크며, 이를 통해 각 산업에서 발생할 수 있는 안전 문제와 효율 문제를 함께 해결할 수 있을 것이다.

2.4. 수소 배관 피팅 시스템의 다른 분야에서의 활용

2.4.1. 초임계 이산화탄소

초임계 상태의 CO2는 기체와 액체의 성질을 동시에 가지는 상태로써, 소분자, 고압, 열사이클 환경 등에서 수소와 유사한 누출 문제를 갖는다. 따라서 수소 배관 피팅 시스템에서의 누출 방지 기술이 초임계 상태 CO2의 인프라에서도 활용할 수 있다. 이를 통해 sCO2에서의 문제점을 수소 피팅 누출 방지 기술을 적용하여 해결할 수 있는 방법에 대해 생각해볼 수 있다.

우선, 초임계 CO2는 임계점인 대략 31도 이상에서 기체와 액체의 성질을 동시에 지니며, 확산성이 큰 유체이다. 밀도가 높고 점도가 낮으며 확산성이 높아 열전달, 혼합, 용해 특성이 모두 유리하여 에너지 공정 환경 분야에서 폭 넓게 활용된다. 많은 활용 방안 중sCO2 냉각 시스템은 초임계 이산화탄소를 냉각 매체로 써서 장치에서 열을 빼내는 시스템이다. 압축 펌프 장치로 CO2를 초임계 상태로 유지하고, 원자로 노심, 전력전자 장비 등을 냉각 대상으로 활용하고, sCO2가 열을 흡수하도록 하여 외부 공기와 열을 교환하여 압력과 온도를 일정 범위 내로 유지한다. 그러므로 대략적인 구조는 열원, 초임계 CO2,  열교환기, 압축 및 재순환으로 이루어진다.

sCO2의 냉각 시스템에는 장점도 있지만 해결해야할 난제도 존재한다. 이 시스템은 고압 설계가 필수적이고 임계점 근방에서의 불안정성 문제에 대해 해결이 필수적으로 여겨진다. 또한, 부식과 누설 관리가 철저해야 더욱 완전하고 안정적인 시스템을 요할 수 있다. 우선 최소 8 MPa 이상의 고압을 가져야 실제 운용이 가능할 것이므로 피팅 및 씰링 기술이 중요할 것이고, 온도와 압력 변동 시 밀도와 열전달 계수가 급격히 달라져서 제어가 중요하다. 마지막으로, 고압 상태에서 미세 누설이나 재료 취성이 치명적임으로 수소 피팅 기술에서의 활용점들을 접목시키는 것이 필수적으로 보인다. 이 과정에서 고압 설계를 위해 수소 피팅 기술의 다층 씰링 구조가 활용되는데, 앞서 언급한 바와 같이 sCO2는 확산성이 높기에 누설 문제가 유발된다. 이를 방지하기 위해 메탈과 폴리머 복합 씰을 도입하게 되면 메탈로 고압과 고온을 견디는 구조를 이룰 수 있고 폴리머는 미세한 틈으로 인한 진동을 메꿔주는 역할을 하고 저압 저온 구간에서도 신속한 밀봉을 가능하게 해주기 때문에 적절한 방안이다. 나아가, 고강도 스테인리스강이나 니켈 합금을 통해 부식과 확산을 방지해주므로 곧 sCO2 냉각 신뢰성 기술이 가능하게 한다.

2.4.2. 수소 충전소

또 다른 활용 방안으로 수소 충전소의 안정성과 신뢰성을 수소 피팅 기술을 통해 확보할 수 있다. 수소 충전소는 단순히 차량에 연료를 공급하는 시설이 아니라, 고압, 저온, 소분자 특성을 모두 다루어야하는 첨단 시스템이다. 따라서 수소의 특성에 따른 안정성 기술이 핵심적인 역할을 할 것임을 알 수 있다. 수소 충전소는 저장-압축-냉각-충전 과정으로 이루어진다. 외부에서 수소를 공급하게 되면 이는 고압 용기에 저장되고, 압축기를 통해 350~700 bar로 압력을 높인다. 이 과정에서 압축열이 발생할 수 있기 때문에 이를 억제하기 위해 수소를 영하 40도 정도로 냉각시킨 뒤 충전기에 의해 차량으로 보급된다.

전체적인 과정에서 피팅부와 배관은 앞서 반복적으로 확인할 수 있듯이 반복적인 압력 변화와 열 그리고 진동에 노출되기에 까다로운 누설 관리가 필요하다. 이를 해결하기 위해 우선, 메탈과 폴리머를 결합한 다층 씰링 구조를 사용함으로써 앞서 언급했듯이 미세 틈이나 고압 고온 상태에서 방어선을 형성하고 밀봉성을 확보할 수 있기 때문이다. 또한, 누설을 완벽하게 방지하기 위해 2차 씰에 인터스페이스 포트를 두어 누설을 완벽히 차단한다. 다음으로, 자가가압 메탈 씰을 도입하여 충전 압력이 높아지게 되면 자동적으로 접촉 압력이 증가하도록 설계 해주어서 초고압 환경에서도 안정적인 차단 성능을 제공한다. 다음으로, 진동과 열팽창 방지 기술이 필요하고 웨이브 스프링과 비대칭 나사산을 적용하여 연결 부위의 자기 풀림을 방지하고, 벨로즈나 루프 조인트를 설치에 열충격을 분산시킨다. 나아가 고강도 스테인리스강과 니켈 합금을 사용하긴하나 그 사용용도는 위에서와는 다르게 접촉면 밀착성을 높이기 위해 사용한다. 마지막으로, 운행 중의 검증과 실시간 누설 감시를 위해 MSLT와 같은 시스템을 도입한다.

Ⅲ		결론 및 제언

본 연구는 수소 에너지 시스템의 안전성 확보를 위해 피팅에서 발생하는 가스 누출의 주요 요인을 체계적으로 분석하였다. 진동, 압력 변화, 열팽창, 재료 열화는 독립적으로 작용하지 않고 서로를 증폭시키며, 이에 따라 단순한 구조적 보완만으로는 안전성을 확보하기 어렵다. 이에 본 연구에서는 이중 페룰 피팅과 가스켓 보강 구조를 제안하여 기밀성, 진동 저항성, 재료 무결성을 동시에 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한 고니켈 스테인리스강, 티타늄 합금, 하이엔트로피 합금 등 다양한 신소재와 코팅 기술의 가능성을 검토하고, 반도체 공정에서 사용되는 진공 밀봉 및 초정밀 가공 기술을 접목할 수 있음을 제시하였다. 더 나아가 초임계 이산화탄소 냉각 시스템과 수소 충전소 등 다른 고압 에너지 인프라 분야에도 응용 가능성을 확인하였다. 따라서 수소 피팅의 안전성은 단일 기술이 아니라 소재, 구조, 공정, 감지 기술의 융합적 접근을 통해 확보될 수 있으며, 이는 향후 수소 사회 구현을 위한 핵심적 과제가 될 것이다.

Ⅳ		참고 문헌

권준영, 오승준, 윤정환, 최정주. (2024). 이동식 수소 충전 장비용 100 MPa급 고압 피팅의 진동 해석. 한국수소및신에너지학회논문집, 35(1), 83-89.10.7316/JHNE.2024.35.1.83

소형모듈원전.초임계 이산화탄소.고속중성자로.분산전원.피동안전시스템.SMR.Supercritical CO2.Fast neutron reactor.Distributed power source.Passive safety system.

He, J., Zhang, Y., Li, Z., Huang, W., & Wang, Y. (2023). The hydrogen embrittlement of pure Ni fabricated by laser-based powder bed fusion (L-PBF). International Journal of Hydrogen Energy. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.063

미래창조과학부. (2016). 고효율 수소 저장용 기능성 수소투과 복합차단층 개발 (보고서번호 TRKO201700012187). 과천: 미래창조과학부.

DAHO. (n.d.). 수소투과 & 수소취성. DAHO Theory 게시판. http://www.daho.co.kr/bbs/board.php?bo_table=theory&wr_id=33&lang=kr

Damm, B. (n.d.). How to avoid hydrogen embrittlement. Swagelok Blog. https://www.swagelok.com/ko/blog/avoid-hydrogen-embrittlemen

오재환, 김우혁, 조혜원, 곽병관, 윤상화 and 유봉영. (2024). 전해연마를 이용한 STS 304의 부식방지 효과 연구. 한국표면공학회지, 57(3), 221-224.

강효림, 강수정, 한승호. (2024). 고압 기체수소용 이중 페룰 방식 피팅의 누설방지 설계. 한국기계가공학회지, 23(4), 86-91. http://dx.doi.org/10.14775/ksmpe.2024.23.04.086

김민호, 정효림. (2016). CMP의 화학 기계적 균형. 기계저널, 56(7), 36-39.