[POSTECH, 반도체 공정으로 고체 산화물 수전해 전지(SOEC) 성능·내구성 다 잡았다 ]

 

 

수소를 깨끗하게 만드는 기술에도 ‘튼튼한 뼈대’가 필요하다. 안지환 교수 연구팀이 최근 반도체 공정으로 강력한 접착제와 같은 나노막을 개발해 수소 생산 장치의 성능과 내구성을 획기적으로 높이는 데 성공했다.

 국제에너지기구(IEA)는 2030년을 기점으로 석탄, 석유, 천연가스 소비가 감소할 것으로 전망하며, 그 근거로 태양광과 풍력 등 재생에너지 기술의 비약적인 발전을 꼽았다. 그러나 태양광·풍력으로 생산한 전기는 날씨와 시간에 따라 생산량이 들쭉날쭉해, 남는 전기를 저장하거나 다른 형태로 바꿔 둘 필요가 있다.

 이러한 전력 저장·활용의 대안으로 주목받는 것이 ‘수소’다. 특히, 오염물질을 배출하지 않고 생산된 수소를 ‘그린 수소’라고 한다. ‘고체 산화물 수전해 전지(이하 SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)’는 고온에서 고체 재료로 물을 효율적으로 분해할 수 있어 다른 방식보다 훨씬 많은 수소를 만들어 낼 수 있다.

 

 하지만 SOEC에는 치명적인 약점이 있었다. 오랫동안 사용하다 보면 내부에서 균열이 생기거나 중요한 부품들이 떨어져 나가면서 성능이 크게 떨어진다는 것이다. 특히 ‘전극’과 ‘전해질’이라는 핵심 부품이 만나는 부분이 헐거워지면서 산소가 새어 나오거나 전기가 잘 흐르지 않아 장치 수명이 짧아지는 것이 가장 큰 문제였다.

 

 연구팀은 이를 해결하기 위해 반도체 제조에 쓰이는 '스퍼터 증착 공정(Sputter deposition)^*1 ‘에 주목했다. 이 공정은 마치 스프레이처럼 재료를 아주 얇고 균일하게 뿌려서 나노미터(10억분의 1미터) 두께의 막을 만드는 기술이다. 연구팀은 이 기술을 사용해 ‘LSCF^*2 ’라는 특수한 재료로 머리카락 두께의 1000분의 1도 안되는 매우 얇은 막을 만들고, 이 나노막을 전극과 전해질 사이에 끼워 넣었다.

 이 얇은 나노막은 강력한 접착제처럼 전극과 전해질을 견고하게 결합했다. 그 결과는 연속적이고 치밀한 계면 구조를 통해 산소 이온과 전자의 전달 경로가 최적화되었다. SOEC는 물을 전기로 분해해 수소를 만드는 ‘전기분해 모드’와, 수소를 연료로 전기를 생산하는 ‘연료전지 모드’ 두 가지 방식으로 작동하는데, 연료전지 모드에서는 기존 대비 3배 이상 많은 전력을 생산했고, 전기분해 모드에서는 물을 분해해 수소를 만드는 속도가 4배나 빨라졌다. 특히 650℃의 높은 온도에서 100시간 이상 연속으로 작동해도 성능 저하가 거의 나타나지 않았다. 

 이 기술은 재생 에너지로 수소를 생산하고 이를 효율적으로 활용하는 과정을 경제적으로 만들어, 수소 경제 시대를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다. 그동안 수소 생산 장치는 잦은 고장과 높은 교체 비용 때문에 상용화에 어려움이 있었으나, 이번 연구를 통해 이러한 한계가 크게 개선될 수 있을 전망이다.

 

 

 안지환 교수는 “반도체 기술을 수소 분야에 접목해 SOEC 성능과 내구성을 동시에 해결한 사례”라며 “이산화탄소를 다른 유용한 물질로 바꾸는 전기화학 시스템, 고온에서 안정적으로 작동하는 이차전지, 전기화학 촉매를 활용한 수소 생산 장치 등 다양한 분야에 널리 응용될 수 있을 것”이라고 전했다. 

 한편, 기계공학과 안지환 교수, 기계공학과 김형준 박사, 박사과정 이주환 씨가 참여한 이 연구는 재료 화학 분야의 학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)’의 ‘Emerging Investigator 2025’로 선정됐다. 이는 연구팀이 해당 연구 분야의 차세대 리더로 인정받았음을 의미한다. 또한, 이번 연구는 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업, 한국연구재단 대학중점연구소사업과 중견연구자지원사업 지원으로 진행됐다. 

DOI: https://doi.org/10.1039/D5TA01063B

1. 스퍼터 증착 공정(Sputter deposition) : 박막(thin film)을 형성하는 대표적인 물리적 증착 방법(PVD, Physical Vapor Deposition) 중 하나로, 주로 반도체, 디스플레이, 태양전지, 연료전지 등의 분야에서 널리 사용된다.

2. LSCF: La0.6Sr0.4Co0.4Fe0.6O3-δ