기존 대비 약 92%의 부식 감소 효과 확보, 친환경 암모니아 추진선의 조기 상용화 기대

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 극한재료연구소 장영준, 김종국 박사팀과 에너지·환경재료연구본부 문성모 박사팀이 공동으로 암모니아 연료의 심각한 부식·마모 문제를 줄이기 위한 고내식 탄소코팅 기술을 국내 최초로 개발했다. 친환경 암모니아 추진선의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 기반 기술로 자리매김할 것으로 기대된다.

기존 선박용 금속재료(STS 440C 강재)는 암모니아의 강한 알칼리성과 화학적 반응으로 인해, 장기 운용 시 표면의 산화막 붕괴, 국부 부식 및 마모가 반복적으로 발생한다고 잘 알려져 있다. 특히 엔진, 밸브, 펌프, 베어링 등 연료와 직접 접촉하는 부품의 경우, 구조적 취약성이 실험과 실증 자료로 명확히 확인됐다. 이 때문에 산업계에서는 암모니아 추진선 설계 및 선급 인증 단계에서 고내식 표면기술의 확보가 필수 요건으로 자리 잡고 있다.

연구팀이 개발한 친환경 연료선박용 탄소코팅 기술(ta-C:Hx)은 극저온은 물론, 중·저온 영역의 암모니아 연료 환경에서 급격히 진행되는 금속 부식과 마모 문제를 근본적으로 억제하는 고내식 표면보호 기술이다. 기존의 선박용 소재가 암모니아 용액에서 48마이크로암페어 퍼 제곱센티미터(㎂/㎠) 수준의 높은 부식 전류를 보이던 것과 달리, 신규 코팅은 4마이크로암페어 퍼 제곱센티미터(㎂/㎠)로 감소해, 약 92%의 부식 감소 효과를 확보했다.

기존에 널리 사용되던 질화물 코팅과 습식도금(도금층)은 해수, 대기, 일반 공정 환경을 전제로 최적화된 기술이다. 암모니아와 같은 강알칼리성 및 특이 반응성을 지닌 연료 환경에서의 장기 신뢰성은 충분히 검증되지 않았다. 특히, 도금층과 질화층은 공정 특성상, 기공, 두께 편차, 계면 결함 발생을 완전히 피하기 어려워, 고부식 환경에서 이러한 부위가 부식 개시점으로 작용할 수 있다는 한계가 있다. 이번에 개발한 기술은 암모니아 환경을 전제로 공정을 근본적으로 재설계한 것이 핵심이다. 자장여과아크 공정에 펄스 바이어스 제어를 적용해, 미세기공과 계면 결함을 최소화했으며, 수소 도입을 통해 코팅 내부 구조와 전기적 특성을 제어함으로써 암모니아 수용액에서도 부식 반응이 억제되는 안정한 탄소 구조를 구현했다. 이는 암모니아 추진선 설계 및 선급 인증에서 요구하는 내식 기준을 충족할 수 있는 국내 유일의 국산 표면 코팅 기술로 평가된다.

국제해사기구(IMO)는 ‘2023 IMO 온실가스 감축 전략’을 통해, 2030년까지 국제해운 연료의 일정 비율을 무탄소 연료로 전환하도록 요구하고 있으며, 해사안전위원회(MSC) 또한 암모니아 연료 선박 임시 지침을 승인해, 연료계 금속재료의 내식성 검증을 공식적으로 의무화했다. 일본, 노르웨이, 싱가포르 등 선진국에서는 암모니아 추진선 실증 프로젝트를 통해 금속 부품의 내식·마모 성능 검증이 활발히 진행 중이다. 우리나라 또한 ‘2050 녹색해운 국가 행동계획’과 ‘K-암모니아 친환경 선박 추진 전략’ 수립을 통해, 조선, 해운 산업의 전략 분야로 이를 지정한 바 있다.

하지만 국내 조선사들이 기초설계(AiP)를 확보했음에도, 고부식 환경에서 신뢰성 있게 작동할 국산 표면 코팅 기술의 부족이 상용화의 핵심 장애요인으로 지적되어 왔다.

이번 기술은 KIMS가 자체 연구사업을 통해 축적된 탄소코팅 기술과 환경부식 평가 역량을 기반으로 암모니아 전용 고내식 코팅 개발을 고도화해 왔으며, 암모니아 연료 시스템이 요구하는 내식성 수준을 실질적으로 달성할 수 있는 기술 경쟁력을 확보한 것으로 평가할 수 있다.

연구책임자인 장영준 책임연구원은 “본 기술이 상용화될 경우, 친환경 조선·선박용 핵심 부품의 고효율화와 신뢰성 향상을 통해, 장거리 운항이 가능한 실질적 솔루션을 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

또한 공동 연구자인 김종국, 문성모 책임연구원은 “외부 기술 도입이 아닌 KIMS의 내부 기술과 인프라 간 협력을 통해 기술 고도화에 집중한 점이 특징”이라며 “이를 통해 국내 산업 생태계 강화는 물론, 향후 글로벌 시장 진출에도 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

본 연구성과는 KIMS 자체연구사업(극저온 환경용 트라이볼로지 실용화 기술 개발)과 과학기술정보통신부 재원으로 지원되는 한국연구재단(나노 및 소재기술개발사업)의 지원을 받아 수행됐다. 또한 연구결과는 세계적 학술지인 카본(Carbon, IF 11.6)에 2025년 12월 1일 온라인 게재됐다.

현재 연구팀은 암모니아 연료 환경용 코팅 기술의 공정 안정화와 반복 신뢰성 평가를 진행 중이며, 실제 선박 부품 적용을 위한 후속 실증 연구 또한 병행하고 있다. 뿐만 아니라, 본 연구성과를 기반으로 추가 특허 확보를 함께 추진 중이며, 향후 산업체와의 협력을 통해 기술 이전 및 상용화 가능성도 적극 검토할 계획이다.