고려대 심준형 교수팀, 수소전지 셀 '프린터로 출력' … 재료 달라져도 같은 설비 쓰는 '잉크젯 방식' 개발

고려대학교는 기계공학부 심준형 교수 연구팀이 프린터로 인쇄하듯 수소전지를 제작할 수 있는 새로운 생산 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

연료전지는 로봇, 드론 등 고전력 미래 모빌리티 에너지원으로 주목받고 있다. 연료가 되는 수소를 기존 천연가스 개질 방식에 의존하는 '그레이 수소'에서 물을 전기로 분해하는 친환경 '그린 수소'로 전환하는 일이 글로벌 에너지 산업의 주요 과제로 부상했다.

연구팀은 연료전지와 수전해 수소 생산 장치의 핵심 부품인 프로톤 세라믹 전기화학 셀(PCEC)의 전 소재를 잉크젯 프린팅 방식으로 제작하는 데 성공했다. 다양한 기능성 재료를 잉크 형태로 합성하고 이를 정밀하게 적층 인쇄함으로써 원하는 크기와 구조의 전기화학 셀을 자유롭게 설계할 수 있는 공정을 구현했다.

기존 연료전지·수전해 셀 제작에는 스크린 프린팅이나 슬롯다이 코팅(좁은 틈(슬롯)을 통해 액체 코팅액을 일정한 속도로 기판 위로 밀어내 넓은 면적에서도 두께가 균일한 박막을 형성하는 코팅 공정) 방식이 주로 사용됐다. 하지만 이는 재료나 구조가 바뀔 경우 설비 자체를 변경해야 하는 한계가 있었다.

연구팀은 같은 장비에서 다양한 소재와 형상을 자유롭게 구현할 수 있는 잉크젯 프린팅 공정을 수소 에너지 분야에 성공적으로 접목했다.

이 기술을 통해 제작된 장치는 98% 이상의 고순도 수소를 생산하고 80% 이상의 높은 에너지 변환 효율을 달성했다. 이런 성능은 고온 연료전지(SOFC)나 수전해 공정 등에서 전해질로 활용되는 수소이온(H⁺) 전도 세라믹 기반 구조를 적용함으로써 가능했다.

심 교수는 "잉크젯 프린팅 기술을 활용하면 핵심 부품인 셀을 인쇄하듯 설계·제작할 수 있어 연료전지와 수전해 수소 생산 시스템 개발의 속도를 획기적으로 높일 수 있다"며 "향후 재료 조합과 구조를 자동으로 최적화하는 스마트 제조 플랫폼으로 발전시키는 게 목표"라고 말했다.

이번 연구 결과는 화학공학 분야의 권위 있는 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal·화학공학 저널) 지난 1일자 제531권에 출판됐다. 강성민 연구원이 제1저자, 심 교수가 연구책임자·교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단 '미래수소원천기술개발사업'의 하나로 수행됐다.