이오노머란? - 수전해와 연료전지 성능을 좌우하는 이온전도 고분자 (2026)
안녕하세요, AEM 수전해 기술로 청정수소 생산 단가를 낮추고 있는 HydroXpand입니다.
오늘은 이오노머가 무엇이고 수전해와 연료전지 성능에 어떻게 관여하는지, 그리고 왜 소재 국산화 측면에서 중요한 주제인지 정리해보겠습니다.
수전해와 연료전지를 이야기할 때 막과 촉매는 자주 등장하지만 이오노머는 상대적으로 덜 알려져 있습니다. 그런데 촉매층의 성능과 내구성을 좌우하는 숨은 변수가 바로 이오노머입니다. 소재 도입을 검토하시거나 음이온교환 수전해 기술을 살펴보시는 분들에게 도움이 되길 바랍니다.
이오노머, 핵심만 먼저
이오노머(ionomer)는 이온을 통과시키는 성질을 가진 고분자입니다.
촉매층 안에서 촉매 입자를 붙들어 두는 접착제 역할과 이온이 지나갈 길을 내어주는 전도체 역할을 동시에 합니다. 수전해와 연료전지의 효율과 내구성이 이 작은 소재에서 적지 않게 갈립니다.
정리하면 다음과 같습니다.
정의 - 이온 전도성이 있는 고분자입니다. 아이오노머라고도 부릅니다
역할 - 촉매층에서 바인더(촉매 결합)와 이온 전도 두 가지를 동시에 맡습니다
종류 - 수소이온을 나르는 양이온교환 이오노머와 수산화이온을 나르는 음이온교환 이오노머로 나뉩니다
소재 이슈 - 대표 소재인 과불화술폰산(PFSA) 계열은 PFAS 규제 흐름과 맞물려 대안 연구가 활발합니다
국산화 - 핵심 이오노머·막 소재의 국산화가 국가 차원 과제로 추진되고 있습니다
이오노머란? - 이온을 나르는 고분자
이오노머는 영어 ionomer를 그대로 읽은 말이고 아이오노머로도 표기합니다. 이온(ion)과 고분자(polymer)를 합친 이름 그대로 이온을 전달하는 성질을 가진 고분자를 뜻합니다.
조금 더 풀어보겠습니다. 고분자는 같은 단위가 길게 반복되어 사슬을 이루는 큰 분자입니다. 이 사슬에 이온을 띠는 작용기가 붙으면 특정 이온이 사슬을 따라 이동할 수 있게 됩니다. 이렇게 이온이 지나다닐 수 있도록 설계된 고분자가 이오노머입니다.
수전해와 연료전지에서 이오노머가 중요한 이유는 두 장치 모두 이온의 이동으로 작동하기 때문입니다. 전기로 물을 분해하거나 수소와 산소를 반응시킬 때 전극 사이에서 이온이 끊임없이 오갑니다. 이 이온의 길을 만들어주는 소재가 이오노머입니다.
촉매층 속 이오노머의 역할
이오노머가 가장 결정적으로 일하는 곳은 촉매층입니다. 촉매층은 촉매 입자와 이오노머가 섞여 만들어진 다공성 전극입니다.
여기서 이오노머는 두 가지 일을 동시에 합니다.
첫째는 바인더 역할입니다. 촉매 입자를 한자리에 붙들어 전극 구조를 유지합니다. 둘째는 이온 전도 역할입니다. 촉매 표면에서 만들어지거나 소모되는 이온이 막까지 오갈 수 있도록 3차원 통로를 만듭니다. 바인더이면서 동시에 전해질인 셈입니다.
이오노머가 촉매층에서 차지하는 양도 성능을 좌우합니다. 너무 적으면 이온 통로가 부족해 반응이 느려지고 전극 구조가 무너지기 쉽습니다. 너무 많으면 이오노머가 촉매 표면을 덮어 반응이 일어날 자리를 막습니다. 그래서 적절한 함량을 찾는 일이 중요하고 연구들은 대체로 중간 정도의 함량에서 가장 낮은 손실을 보고합니다. 촉매 대비 이오노머의 비율을 흔히 I/C 비율이라고 부르며 이 값이 효율과 내구성을 함께 좌우합니다.
이오노머의 종류 - 양이온교환과 음이온교환
이오노머는 어떤 이온을 나르느냐에 따라 크게 둘로 나뉩니다.
양이온교환 이오노머는 수소이온(H⁺)을 나릅니다. 대표 소재가 과불화술폰산(PFSA)이고 가장 널리 알려진 상품명이 Nafion입니다. 양이온교환막(PEM) 수전해와 수소연료전지에 주로 쓰입니다.
음이온교환 이오노머는 수산화이온(OH⁻)을 나릅니다. 음이온교환막(AEM) 수전해와 음이온교환막 연료전지에 쓰입니다. 양이온교환 쪽보다 개발 역사가 짧고 알칼리 환경에서 오래 견디는 안정성이 핵심 과제로 남아 있습니다.
불소의 딜레마와 PFAS 규제 흐름
양이온교환 이오노머의 대표 소재 PFSA는 오랜 기간 검증된 소재이지만 한 가지 부담을 안고 있습니다. PFSA가 과불화화합물(PFAS) 계열에 속한다는 점입니다.
PFAS는 자연에서 잘 분해되지 않아 환경과 건강 측면에서 규제 대상으로 논의되고 있습니다. 유럽연합에서는 2023년에 다섯 개 국가가 전체 PFAS를 대상으로 하는 규제안을 제출했고 이후 과학위원회 평가가 이어지고 있습니다.
2026년 기준으로는 위험성 평가위원회 의견이 채택되고 사회경제분석위원회 의견 수렴이 마무리되는 단계이며 최종 결정은 아직 내려지지 않았습니다. 불소중합체에 대해서는 조건부 사용을 허용하는 방안과 유예 기간도 함께 검토되고 있습니다.
규제가 확정되지 않았더라도 불확실성 자체가 산업에 영향을 줍니다. 그래서 불소를 쓰지 않는 탄화수소계 이오노머와 음이온교환 이오노머에 대한 연구가 활발해지고 있습니다. 소재 선택이 단순한 성능 문제를 넘어 규제 대응 문제로 확장되고 있는 셈입니다.
음이온교환 이오노머와 PiperION
음이온교환 이오노머는 비귀금속 촉매를 쓸 수 있는 AEM 수전해를 가능하게 하는 핵심 소재입니다. 다만 수산화이온이 오가는 알칼리 환경에서 고분자가 오래 견디도록 만드는 일이 어렵습니다. 알칼리 안정성이 음이온교환 이오노머 연구의 가장 큰 숙제입니다.
이 영역에서 가장 널리 알려진 상용 소재가 PiperION입니다. 미국 Versogen이 만드는 음이온교환막·이오노머이고 델라웨어대학교 연구에서 출발한 폴리아릴피페리디늄 계열 소재입니다. 막과 이오노머 분산액 형태로 모두 공급되며 AEM 수전해 연구와 상용에서 기준 소재로 자주 쓰입니다.
PiperION 같은 상용 소재가 자리를 잡았다는 것은 AEM 기술이 그만큼 성숙해지고 있다는 뜻입니다. 동시에 핵심 소재를 해외 공급에 기대는 구조라는 의미이기도 합니다. 이 지점이 소재 국산화 과제와 바로 이어집니다.
소재 국산화라는 과제
이오노머와 막은 수전해 성능을 좌우하는 소재이면서 동시에 공급망의 핵심입니다. 그래서 국산화 여부가 산업 경쟁력과 직결됩니다.
양이온교환 쪽을 보면 PFSA는 듀폰·AGC·솔베이 등 소수 글로벌 기업만 제조해왔고 국내에서는 상당 부분을 수입에 의존해왔습니다. 한국화학연구원이 2018년에 국내 최초로 PFSA 합성기술을 개발하며 국산화에 착수한 바 있습니다.
음이온교환 쪽에서는 국가 차원의 움직임이 더 뚜렷합니다. 한국재료연구원이 국가 수소 중점연구실의 음이온교환막 수전해 분야 총괄주관 기관으로 지정되었고 2030년 수소기술 국산화율 100%와 2035년 PEM 동등 효율의 대용량 시스템 개발을 목표로 제시했습니다. 연구 현장에서도 한국과학기술연구원(KIST)과 한양대학교 연구팀이 음이온교환막 수전해용 막전극접합체를 개발하는 등 국내 기술로 해외 소재를 대체하려는 시도가 이어지고 있습니다.
국산화율 100%라는 목표 자체가 현재 핵심 소재의 상당 부분을 해외에 기대고 있다는 현실을 보여줍니다. 이오노머는 그 현실의 한가운데에 있는 소재입니다.
이오노머를 검토할 때 확인할 4가지
수전해 시스템이나 소재 공급사를 검토하실 때 이오노머 차원에서 점검하시면 좋은 4가지가 있습니다.
소재 종류 - 양이온교환(PFSA)인지 음이온교환인지 확인합니다. 양이온교환이면 PFAS 규제 노출 여부를, 음이온교환이면 알칼리 안정성 데이터를 함께 봅니다
자체 개발 여부 - 공급사가 이오노머를 자체 개발하는지 외부 소재를 구매해 쓰는지 확인합니다. 외부 의존도가 높으면 공급망 리스크가 커집니다
분산 품질 - 이오노머는 촉매와 고르게 섞여야 성능이 나옵니다. 분산액 형태와 분산 균일도, 촉매 대비 함량 설계를 확인합니다
내구성 데이터 - 실험실 측정값보다 실제 운전 환경에서 이온 전도도와 기계적 안정성이 얼마나 유지되는지 누적 데이터를 확인합니다
자주 묻는 질문 (FAQ)
이오노머와 막은 같은 건가요?
둘 다 이온을 통과시키는 고분자라는 점은 같지만 역할이 다릅니다. 막은 양극과 음극을 분리하면서 이온만 통과시키는 가운데 층입니다. 이오노머는 촉매층 안에서 촉매 입자를 붙들고 이온 길을 내는 소재입니다. 같은 계열의 소재가 막과 이오노머 양쪽에 쓰이기도 합니다.
이오노머와 아이오노머는 다른 건가요?
같은 말입니다. 영어 ionomer를 이오노머 또는 아이오노머로 표기할 뿐 같은 소재를 가리킵니다.
Nafion은 이오노머인가요?
Nafion은 과불화술폰산(PFSA) 계열 양이온교환 이오노머의 대표 상품명입니다. 막 형태와 이오노머 분산액 형태로 모두 쓰입니다.
음이온교환 이오노머가 양이온교환보다 좋은가요?
좋고 나쁨보다 쓰임이 다릅니다. 음이온교환 이오노머는 비귀금속 촉매를 쓸 수 있고 PFAS 부담이 작다는 장점이 있지만 알칼리 안정성이라는 과제가 있습니다. 양이온교환 이오노머는 성능이 검증되어 있지만 귀금속 촉매와 PFAS 규제 노출이라는 부담이 있습니다.
이오노머는 국산화가 가능한가요?
국내 연구기관과 기업이 자체 이오노머·막 소재 개발에 들어가 있습니다. 한국재료연구원을 중심으로 음이온교환막 수전해 소재 국산화가 국가 과제로 추진되고 있고 기업 차원의 자체 개발도 이어지고 있습니다.
HydroXpand를 더 알아보시려면
HydroXpand는 AEM 수전해 기술을 소재부터 시스템까지 수직 내재화한 회사입니다. 현재 8개국 이상의 연구기관과 산업체에 전극, 스택, 시스템을 납품하고 있습니다.
아래 소개서에는 이 블로그에서 다루지 않은 내용이 포함되어 있습니다.
제품별 상세 스펙 (양극, 음극, 2kW 스택, 30kW 스택, 시스템)
스택 효율·내구성에 대한 실측 데이터
수전해 타입별 정량 비교 - 효율, 단가, 시스템 비용
스케일업 로드맵 (2kW → 30kW → 250kW → MW)
수전해 장비 도입을 검토 중이시거나, 연구용 AEM 전극·스택이 필요하시거나, 기술 파트너십을 고려하고 계시다면 아래의 회사소개서가 판단에 필요한 구체적인 정보를 제공해드릴 수 있습니다.