성균관대 이원영 교수팀, 고체산화물 수전해전지 고질적 수명·제조공정 문제 동시 해결 … 상용화 청신호

성균관대학교는 기계공학부 이원영 교수 연구팀이 물을 전기분해 해 청정에너지인 '그린수소'를 생산하는 고체산화물 수전해전지(SOEC)의 성능과 내구성을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 제조 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

이번 연구는 삼성전기 중앙연구소와 공동으로 진행했다.

고체산화물 수전해전지는 700℃ 이상의 온도에서 수증기를 전기로 분해해 수소를 만드는 장치다. 기존 방식보다 적은 에너지로 많은 양의 수소를 얻을 수 있어 차세대 친환경 에너지 시스템으로 주목받고 있다. 하지만 고온에서 제조하거나 장시간 작동할 경우 전지 내부의 미세한 입자들이 뭉치거나 층이 박리되는 현상이 발생해 성능이 급격히 떨어지는 고질적인 문제가 있었다.

공동 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 기존의 복잡한 공정 대신 산업 현장에서 바로 적용할 수 있는 두 가지 '제조친화형 나노 설계 전략'을 제시했다.

먼저 연료극(수소가 발생하는 곳)의 촉매 입자 표면에 분말 기반 원자층 증착법 (ALD)을 활용해 수 나노미터(㎚, 10억 분의 1m) 두께의 얇은 막을 입히는 기술이다. 이를 통해 니켈 입자가 고온에서도 서로 뭉치지 않게 고정했다. 수소 환경에서 스스로 합금 촉매로 변하게 해 수소 생산 효율을 기존보다 2배쯤 높이는 데 성공했다.

다음으로 공기극과 전해질이 만나는 경계면에 약 50㎚ 두께의 나노 코팅층을 형성하는 것이다. 연구팀은 정전기를 이용해 미세한 입자를 뿌리는 공법인 전기정전 분무증착법(ESD)을 사용해 전지의 층과 층 사이가 벌어지는 박리 현상을 효과적으로 막아냈다. 이 기술은 대기압 상태에서도 가능해 공장 등 대규모 생산시설에 적용하기 매우 유리하다는 장점이 있다.

이번 연구의 핵심 성과는 기업과 협업해 실제 대면적 셀에서도 그 효과를 입증했다는 점이다. 차세대 수소 생산 장치의 상용화를 가로막던 수명 문제와 제조공정의 어려움을 동시에 해결할 수 있는 발판을 마련했다는 평가다.

이원영 교수는 "이번 연구는 고체산화물 수전해전지의 상용화에 있어 가장 큰 걸림돌이었던 전극 구조의 변화와 계면 박리 문제를 산·학 협력을 통해 극복한 사례"라며 "나노 기술을 실제 제조공정에 도입해 수소 에너지 시대를 앞당길 수 있는 실용적인 플랫폼을 제시했다는 데 의미가 크다"고 말했다.

삼성전기 박중덕 마스터는 "이번 연구를 통해 고체산화물 수전해전지의 성능과 내구성 향상을 위한 제조 기술 가능성을 확인했다"며 "앞으로도 관련 기술의 산업 적용 가능성을 높이기 위해 지속해서 협력해 나갈 계획"이라고 했다.

이번 연구 결과는 재료 과학 분야의 세계적 권위지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials·첨단 기능성 소재)'에 지난 1월 14일 온라인 게재됐다. 게재 호의 표지 논문으로 선정됐다. 미국화학회(ACS)에서 발간하는 재료과학·나노기술 분야 국제학술지 'ACS Nano'에도 지난달 9일 실렸다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업, 나노·소재기술개발사업, 미래수소혁신기술개발사업, 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업, 에너지인력양성사업, 삼성전기 등의 지원으로 수행됐다.