[POSTECH·서울과학기술대·UC Merced 공동 연구팀, 반도체 공정으로 고체 산화물 수전해 전지 효율 향상]

최근 파티 비롤 국제에너지기구(IEA) 사무총장은 2030년을 기점으로 석탄과 석유, 천연가스의 소비가 감소할 것으로 예측했다. 그리고, 그 근거로 태양광과 풍력 등 재생 에너지 기술의 눈부신 발전을 언급했다.

이러한 친환경 에너지 기술 중 하나인 고체 산화물 수전해 전지(이하 SOEC)^*1는 재생 에너지 기반 전력으로 물을 전기 분해하여 그린 수소를 생산할 수 있는 시스템이다. SOEC의 성능을 높이기 위해 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)과 같은 귀금속 촉매를 사용할 수 있지만 단가가 높고 매장량이 제한되어 있어 활용에 어려움이 있었다. 그런데, 최근 POSTECH 연구팀이 최신 반도체 공정을 활용하여 그 한계를 극복했다.

기계공학과 안지환 교수, 서울과학기술대 에너지환경연구소 김형준 박사, 미국 캘리포니아대 머세드 캠퍼스(The University of California, Merced) 기계공학과 이민환 교수 · Haoyu Li(하오위 리) 씨 공동 연구팀은 플라즈마^*2를 활용한 원자층 증착 공정을 통해 아주 적은 양의 루테늄으로 SOEC의 성능을 획기적으로 높이는 데 성공했다. 이번 연구는 해당 분야 국제 저명 학술지인 ‘ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)’에 게재됐다.

‘원자층 증착 공정(Atomic layer deposition, 이하 ALD)’은 기판에 원자층 단위로 매우 균일하고 얇은 막을 입히는 방법으로 최근 반도체 소자의 소형화에 따라 큰 주목을 받고 있는 기술이다. 연구팀은 이 ALD 공정에 플라즈마를 결합한 공정(Plasma enhanced ALD, 이하 PEALD)을 통해 SOEC의 전극에 7.5Å(옹스트롬, 10-10미터) 정도의 매우 얇은 루테늄을 증착시켰다.

산소 전극 표면에 얇게 증착된 루테늄은 산소 발생 반응을 촉진함과 동시에 전극을 구성하는 스트론튬(Sr)과 화합물(SrRuO3)을 형성해 스트론튬이 전극에서 분리되지 않도록 하여 SOEC의 내구성을 높였다. 실험 결과, 얇은 루테늄 막이 코팅된 SOEC의 수소 생산 성능이 기존 전지 대비 49.1% 향상되었다.

또, 수소로 전기를 생산하는 수소 연료전지에 이 기술을 적용한 결과, 전지의 성능이 기존 대비 31.9% 증가했다. 매우 적은 양의 루테늄 양방향 촉매로 수소를 생산하고, 수소로 전기를 만드는 두 전지의 성능을 모두 높이는 데 성공한 것이다.

 

이번 연구를 이끈 안지환 교수는 “최신 반도체 공정인 PEALD로 극미량의 안정적 촉매를 제작함으로써 SOEC 및 연료전지(SOFC)의 효율을 높일 수 있었다”며, “앞으로도 국내의 우수한 반도체 공정 기술이 수소와 재생 에너지 분야의 기술 혁신을 이끄는 디딤돌이 되길 바란다”는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소사업과 중견연구자지원사업의 지원으로 진행됐다.

1. 고체 산화물 수전해 전지(Solid Oxide Electrolyzer Cell)
물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생산하는 고체 산화물 기반 고온 수전해 전지를 말한다.

2. 플라즈마(plasma)
기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 말한다.