수소취화란 무엇인가요?

[수소취화 (hydrogen embrittlement)]

금속에 수소가 흡수되면 취약해지는 현상으로 수소취성파괴라고도 한다. hydrogen-assisted cracking 현상의 하나이다. 금속이 수소원자를 포함하는 수용액 또는 가스분위기 중에 놓여 있을 때, 금속내부에 수소가 금속 내부에 침투, 확산, 집적되면서 균열의 개시 및 성장을 쉽게 만들어 파손을 유발하는 현상을 말한다. 산세, 전해, 부식 등에 의해 생긴 수소가 침입하여 취화가 발생하며, 또한 금속이 고온에서 수소분위기에 있는 경우에 발생한다. 금속 중에 수소가 침입하면 탄소강에서는 탄소에 반응하여 메탄이 생성되거나 티탄-지르코늄에서는 입계에 수소화물이 생성되어 취약의 원인이 된다.

[관련 학설]

수소취성에 대한 학설은 여러 가지가 있으며, 수소취화 거동은 온도, 변형 속도, 응력 상태, 수소 농도 등에 따라 달라지며 단일 메커니즘으로 설명되지 않는다.

1. 압력설 (hydrogen pressure theory): 격자 내로 확산한 원자상태의 수소가 vacancy나 void 등에서 수소분자를 형성하고 그것이 축적되어 가스가 된 다음 가스압력이 매우 높아져서 그 힘에 의해 크랙이 전파된다는 설.

2. 표면 흡착설 (Surface adsorption): 수소가 크랙 선단에 흡착되어 크랙 성장에 필요한 표면에너지를 감소시켜 크랙 성장을 쉽게 일어나게 한다는 설.

3. 결합력 저하설 (decohesion): 수소가 금속원자 상호간의 결합력(bonding force)을 약화시킴으로써 수소취성이 일어난다는 설.

4. 국부소성 증가설 (localized enhanced plastic flow): 수소로 말미암아 국부적으로 소성이 증가된 부분이 변형되지 않고 주위 물질로부터 소성 구속을 받아 크랙이 성장한다는 설.

수소에너지 시대의 도래와 함께 수소취화는 소재 공학 분야에서 가장 중요한 안전 이슈 중 하나로 부상하였다. 고압 수소 배관·저장 탱크(Type I~IV)·수소충전소 부품·연료전지 스택 등 다양한 수소 인프라에서 수소취화가 발생할 수 있다. 특히 700 bar 고압 수소 충전 시스템에서는 금속 재료의 수소취화 내성이 설계 기준의 핵심 항목이다. 이에 대응하기 위해 고강도 저합금강의 미세조직 제어(수소 트랩 사이트 최소화), 탄소섬유 복합재 라이너(Type IV 탱크), 니켈기 초합금, 고엔트로피 합금(HEA) 등 새로운 내수소취화 소재 개발이 활발히 진행되고 있다. POSCO·현대제철·한화솔루션이 이 분야 소재 개발에 적극 투자하고 있다.