수소차 연료전지스택의 핵심부품 멤브레인 소재 ePTFE 알아보기 (ft. 상아프론테크, 고어)

 

안녕하세요. 현미밸입니다.

 

지난번 포스팅에서 수소차의 핵심부품은 전장부품, 운전장치가 아닌 연료전지스택이라고 말씀드렸습니다.

 

수소연료전지스택은 수소차 원가 중 가장 높은 약 40% 정도로 알려져 있습니다.

 

그리고 연료전지스택에서 가장 중요한 부품은 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)로 전해질막과 백금촉매로 구성되어 있습니다.

 

<연료전지스택 구조 - MEA, 멤브레인막>

 

전해질막(멤브레인)은 수소 이온만 통과시키는 ePTFE 필터로 현재는 고어텍스로 유명한 고어(Gore)사가 독점하고 있습니다.

 

고어사가 독점하고 있는 이 전해질막은 불소수지 중 가장 난이도가 높아 불소수지 전문업체라 하더라도 개발과 실증에 최소 5년~10년은 소요될 것으로 예측하고 있습니다. 

 

상아프론테크가 주목받은 것은 이미 2017년에 관련 특허를 출원하고 개발을 완료했다는 것입니다. 

 

고어사 독점에서 고어(Gore)와 상아프론테크의 과점 시장이 된다면 다행이지만 후발주자들 마저 상용화에 쉽게 성공한다면 상아프론테크에 투자하는 것이 잘못된 선택일 수도 있습니다.

 

그렇기에 전해질막의 기본인 불소수지 플라스틱인 PTFE와 ePTFE에 대한 이해가 필요합니다.

 

먼저 불소수지는 내약품성, 내열성, 윤활성이 우수한 불소를 함유한 엔지니어링 플라스틱의 총칭입니다.

 

영어로는 Fluoroplastics(플루오르 플라스틱)라고 표현하며 여기서 Fluoro(플루오르)가 불소를 뜻합니다.  

 

불소수지의 종류로는 가장 대표 격인 PTFE가 있고 FEP(FluoroEthylenePropylene), PFA(Per Fluor Alkoxy), ETFE (Ethylene Tetra Fluoro Ethylene Copolymer), E-CTFE (Ethylene-Chloro Tri Fluoro Ethylene), PVDF(Poly Vinylidene Fluoride), PVF(Polyvinyl Fluoride)가 있습니다.

 

우리 같은 일반인에게 PTFE조차 낯설지만 화학 관련 기업, 특히 불소수지계 플라스틱 기업들에게 PTFE는 누구나 아는 내용이라고 합니다.

 

PTFE는 1938년 미국의 화학회사 듀퐁의 화학자였던 로이 플렁켓(Roy J. Plunkett)에 의해 발명되었으며 테프론이란 상표명으로 더 유명합니다.

 

82년 전에 발명되었으니 화학 업종에 계신 분들이 모를 리가 없겠네요.

 

PTFE(폴리테트라 풀르오로에틸렌)은 가장 특이한 불소중합체(폴루오르폴리머)이며 온도, 내화학성 및 비점착성 측면에서 최고의 성능을 나타냅니다. 다음과 같은 이점도 제공합니다.

 

* 최적의 가성비

* 거의 모든 매체에 화학적으로 비활성
* 넓은 범위의 열저항 ( -268˚C ~ 315˚C) 
* 낮은 마찰 표면
* 매우 높은 전기 저항

 

PTFE의 장점은 많았지만 유일한 단점은 기계적으로 약했습니다.

 

 

<PTFE의 특징 @ 고어사 웹사이트>

그렇다면 ePTFE는 뭘까요?

 

ePTFE에서 e는 expanded를 의미하고 있었습니다. 확장형 PTFE라고 불릴 수도 있겠네요.

 

ePTFE는 PTFE 보다 31년 뒤인 1969년 미국 고어사의 밥 고어(Bob Gore)에 의해 발견되었습니다. 저는 사실 이게 발명인지 발견인지 헷갈리는데 고어사 history에는 discovered라고 표현되어 있어 발견이라고 표현하였습니다.

 

<ePTFE를 발견한 밥 고어>

빌 고어의 아들 밥 고어가 ePTFE를 발견한 과정은 고어사 웹사이트에 흥미롭게 기록되어 있습니다.

 

1963년 회사에 합류한 빌의 아들 밥은 기업인이자 혁신가였습니다.
십 년 전 아버지인 빌이 PTFE의 잠재성을 발견한 것처럼 1969년 밥은 PTFE에 더 많은 기회가 있을 것이라 확신했고, PTFE를 팽창하면 늘어난 공기량으로 인해 PTFE가 더 가벼워지고 유연해져 비용 효율이 높아질 것이라 판단했습니다. 
밥은 PTFE를 확장시키는 개발 연구에 몰두하기 시작했고, PTFE를 가열한 후 양쪽 끝에서 당겨보았지만 PTFE는 끊어지기 일수였습니다. 
수차례 실패를 거듭하던 중 밥은 우연히 PTFE를 갑작스럽게 늘렸고, 그 순간 PTFE의 길이는 열 배 가량 늘어났습니다!
이를 목격한 밥은 PTFE에 수많은 가능성이 열려 있다는 것을 확인했습니다. 확장된 소재에서 공기가 차지하는 비율은 70%였고, 나머지는 보조 물질로 채울 수 있었습니다. ePTFE는 놀라울 정도로 가벼우면서도 내구성과 통기성이 뛰어나고 다방면으로 사용될 수 있어, 고어의 핵심 기술을 더 많은 응용제품에 활용하는 데 주도적인 역할을 해냈습니다. 

<출처 : 고어코리아 ePTFE 스토리>

 

여하튼 불소수지의 조상 격인 PTFE의 미세 다공성 버전이 바로 ePTFE입니다. 

 

ePTFE, 다른 말로 '확장형 PTFE'는 미세 다공성으로 공기 투과성이 뛰어나며 투과성 소재가 필요한 모든 응용 분야에 적합합니다. 따라서 ePTFE는 기존의 PTFE와는 다릅니다. 소재는 부드럽고 유연하며 촉감이 부드럽고 스펀지 같은 마시멜로처럼 느껴집니다. ePTFE는 종종 코드, 밀봉 테이프 또는 튜브 형태로 사용됩니다.

 

ePTFE는 PTFE와 유사한 특성을 보이지만 이 소재는 완전히 무독성이며 위생적이며 여전히 최대 260°C의 작동 온도를 제공합니다.

 

◆ ePTFE의 특성 고다공성 저다공성 초박형 와이드형 연속성 청정성(기체 방출 없음) 비분말 고온 활용 저온 활용 조작이 용이한 형태 생체적합성 표면적 높음 화학적 비활성 저마찰계수 추가 부하량 높음 UV 저항 비가연성 소리 투과

◆ ePTFE의 성능 특성 전기 전도성 열 전도성 촉매 활성 화학적 활성 흡수성 자기 활성 항균 기능 악취 흡수 방사선 저항 반사성 선택적 투과성 투명성/불투명성 치수 안정성 높은 유전상수 낮은 유전상수 다양한 경도 및 강성도 저/고 표면 에너지 저/고 내마모성 비투과성 방벽 속성 유체 전달 제어

 

ePTFE는 투과성 특성 덕분에 의료기기, 전자 절연체, 고성능 필터 및 기타 다양한 용도에 이상적입니다. 

 

ePTFE는 또한 부드럽고 강하고 유연하면서도 다공성이 매우 큰 임플란트용 메시와 같은 구조를 만드는 데 사용됩니다. 이식할 때, 이것은 신체 조직이 그 안으로 원활하게 자라도록 하여, 혈관 이식, 탈장 수술, 그리고 다른 재건 수술에 사용하기 위한 훌륭한 재료가 됩니다.

ePTFE는 환경 여과 및 유체 정화 응용 분야에도 벽하게 적합합니다.

 

그렇게 때문에 ePTFE를 생산하는 회사라도 밀도 수준, 다공성의 정도, 내부의 기하학적 구조, 형태 등 다양한 변형 기술을 통해 서로 다른 제품을 생산할 수 있는 것입니다.

 

예를 들어 고어사의 위성 케이블과 고어텍스 섬유 소재의 재킷에는 공통점이 없어 보이지만 두 제품 모두 멤브레인 레이어를 가지고 있습니다. 단지 노드와 소섬유 내부 구조가 전혀 다른 방식으로 형성되어 하나는 정보 전송용으로 쓰이고 하나는 신체적 편안함을 제공하는데 쓰이는 겁니다.  

 

우리는 ePTFE를 만드는 회사라고 하더라도 이 회사들이 모두 수소연료전지 스택의 핵심인 멤브레인을 만들 수 있는 것이라 착각해선 안됩니다.

 

<현대 수소차 넥소에 들어가는 고어사 멤브레인 관련 기사>

 

막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 개발하고 있다고 밝히는 회사는 꽤 여러 곳입니다. 개발을 완료한 상아프론테크 외에도 비나텍, 코오롱인더스트리 등이 있습니다.

 

앞서 말씀드렸듯이 ePTFE 멤브레인을 생산한다고 연료전지스택에 들어갈 전해질막을 생산할 수 있는게 아닙니다.

 

결국 어느 업체가 고어사의 독점을 깨고 현대차에 납품하느냐에 달렸습니다.

 

일단 상아프론테크가 앞서 있는게 확실해 보입니다.

 

지난주 금요일 상아프론테크의 주가는 제가 첫 포스팅한 2월 18일 종가 56,800원 대비 20% 하락한 45,200원 입니다. 

 

<상아프론테크 최근 주가 동향 @ 알파스퀘어>

 

길게 투자하실 분은 꼭 상아프론테크 눈여겨 보시기 바랍니다.

 

여러분의 성공 투자를 기원합니다.

 

 

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