성균관대 이원영 교수, 삼성전기 박중덕 마스터, 성균관대 방세희 박사과정생 및 유현식 박사과정생(사진 제공=성균관대)
연구팀은 삼성전기 중앙연구소와의 공동연구를 통해 고체산화물 수전해 전지(SOEC)의 성능과 내구성을 획기적으로 높이는 제조 기술을 개발했다.
고체산화물 수전해 전지는 700℃ 이상의 높은 온도에서 수증기를 전기로 분해해 수소를 만드는 장치다. 기존 방식보다 적은 에너지로 많은 양의 수소를 얻을 수 있어 차세대 친환경 에너지 시스템으로 주목받고 있다. 다만 고온에서 장시간 작동할 경우 전지 내부의 미세한 입자들이 뭉치거나 층이 박리되는 현상이 발생해 성능이 급격히 떨어지는 고질적 문제가 있다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 공정 대신 산업 현장에서 바로 적용할 수 있는 두 가지 ‘제조 친화형 나노 설계 전략’을 제시했다.
첫 번째 전략은 연료극(수소가 발생하는 곳)의 촉매 입자 표면에 분말 기반 원자층 증착법 (ALD)을 활용해 수 nm(나노미터, 10억 분의 1m) 두께의 얇은 막을 입히는 기술이다. 이 기술을 통해 니켈 입자가 고온에서도 서로 뭉치지 않게 고정했다. 이어 수소 환경에서 스스로 합금 촉매로 변하게 해 수소 생산 효율을 기존보다 약 2배 높이는 데 성공했다.
두 번째 전략은 공기극과 전해질이 만나는 경계면에 약 50nm 두께의 나노 코팅층을 형성하는 것이다. 연구팀은 정전기를 이용해 미세한 입자를 뿌리는 공법인 전기 정전 분무 증착법 (ESD)을 사용, 전지의 층과 층 사이가 벌어지는 박리 현상을 효과적으로 막아냈다. 이 기술은 대기압 상태에서도 가능해 공장과 같은 대규모 생산 시설에 적용하기 매우 유리하다는 장점이 있다.
성균관대는 “이번 연구는 차세대 수소 생산 장치의 상용화를 가로막던 수명 문제와 제조 공정의 어려움을 동시에 해결할 수 있는 발판을 마련한 것으로 평가받는다”고 설명했다.
이원영 교수는 “이번 연구는 고체산화물 수전해 전지의 상용화에 있어 가장 큰 걸림돌이었던 전극 구조의 변화와 계면 박리 문제를 산학 협력을 통해 극복한 사례”라며 “나노 기술을 실제 제조 공정에 도입해 수소 에너지 시대를 앞당길 플랫폼을 제시했다는 데에 큰 의미가 있다”고 했다. 삼성전기 박중덕 마스터는 “이번 공동연구를 통해 고체산화물 수전해전지의 성능과 내구성 향상을 위한 제조 기술의 가능성을 확인했다”고 했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자사업 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 재료과학 분야 저명 국제학술지 (Advanced Functional Materials) 표지 논문으로 선정됐다.
