[POSTECH·美UC Merced·중앙대, 반도체 공정 기술로 전지 효율과 내구성 높일 소재 개발]

기계공학과 안지환 교수, 김형준 박사 연구팀은 미국 캘리포니아 주립대 머세드캠퍼스(UC Merced) 기계공학과 이민환 교수팀, 중앙대 융합공학부 박해선 교수팀과 협력하여 최신 반도체 공정인 원자층 공정을 활용, 수소 생산의 효율을 높이면서도 고온에서 안정한 연료극 촉매 소재를 개발했다. 이번 연구는 에너지 및 환경공학 국제 학술지인 ‘응용 촉매 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)‘ 온라인판에 게재됐다.

청정 에너지 수소(H2)는 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않아 환경에 무해하고, 전력 변환 시 에너지 효율도 높다. 특히 그린 수소는 재생에너지를 기반으로 수증기를 전기분해하여 생산되며, 이를 통해 전기 자동차 등 다양한 산업에서 전력을 생산한다. 특히, ’가역 고체 산화물 전지(reversible Solid Oxide Cell, 이하 rSOC)‘는 수소 생산 및 전력 생산이 모두 가능해 차세대 에너지 장치로 큰 기대를 받고 있다.

하지만, rSOC에서 주로 사용되는 ’니켈-이트리아 안정화 지르코니아(Ni-YSZ)‘라는 연료극 소재는 안정성은 뛰어나지만 수분 환경에서 수소 생산 효율을 높이는 데 한계가 있다. 이를 개선하기 위해 금속 촉매를 사용하는 방법도 연구됐으나 높은 비용과 빠른 열화로 인한 성능 저하가 걸림돌이었다.

이번 연구에서 POSTECH · UC Merced · 중앙대 연구팀은 반도체 첨단 공정 중 하나인 ’플라즈마 강화 원자층 증착(이하 PEALD^*1)‘으로 새로운 백금 코팅 방법을 개발했다. PEALD는 3차원 구조에 균일하게 나노 코팅을 형성하는 기술로 연구팀은 이를 통해 rSOC 연료극 표면에 극소량(<0.2μg/cm²)의 백금을 나노 입자 형태로 코팅하는데 성공했다.

그 결과, 연구팀은 극소량의 백금 코팅만으로도 rSOC의 수소 및 전력 생산 효율을 크게 향상시켰으며, 추가적으로 700°C 고온에서 100시간 이상 장시간 구동에도 성능 저하 없이 높은 효율을 유지함을 보였다. 나노 촉매는 보통 그 크기가 작고, 표면적이 넓어 효율은 좋지만 내구성이 떨어지는 단점이 있는데, 연구팀이 개발한 촉매 연료극은 고온 구동 환경에서도 장시간 뛰어난 내구성을 보였다. 연구팀은 이러한 결과가 Ni-YSZ 연료극 표면상 촉매 입자의 독특한 안정화 메커니즘을 통한 고밀도 촉매-전극 계면의 지속적인 확보 때문임을 밝혀냈다.

연구를 주도한 안지환 교수는 “반도체 기술과 수소 기술은 전혀 다른 분야처럼 보이지만 이번 연구에서는 두 기술을 융합해 새로운 가능성을 본 것”이라며, “이미 규모의 경제를 실현한 원자층 레벨의 첨단 반도체 공정 기술을 통해 에너지 소자 분야의 효율-내구성 간 딜레마를 효과적으로 해결할 수 있음을 증명한 사례”라고 전하며 이번 연구의 의의를 밝혔다.

 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업과 한국에너지기술평가원 신재생에너지기술개발사업, 대학중점연구소지원사업 에너지 환경 연구소 과제의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124740

1. PEALD
Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition