포스텍 연구팀, 수소생산 장치의 성능과 내구성 획기적 개선 기술 개발

강력한 접착기능 탑재한 나노막 통해 전력생산은 3배, 속도는 4배↑

포스텍 안지환 교수

포스텍(포항공대) 안지환 교수 연구팀이 강력한 접착제와 같은 나노막을 개발해 수소 생산 장치의 성능과 내구성을 획기적으로 높이는 데 성공했다.

연구 성과는 재료 화학 분야 학술지인 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A'의 '이머징 인베스티게이터 2025'로 선정됐다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 2030년을 기점으로 석탄·석유·천연가스 소비가 감소할 것으로 보이며 그 근거로 태양광과 풍력 등 재생에너지 기술의 비약적인 발전을 꼽고 있다.

그러나 태양광·풍력으로 생산한 전기는 날씨와 시간에 따라 생산량 변화가 심해 남는 전기를 저장하거나 다른 형태로 바꿔 둘 필요가 있다.

앞으로 에너지 시장에서 전력 저장·활용이 매우 중요한 문제로 인식되고 있는 것인데, 이를 효율적으로 대응할 수 있는 게 '수소'다.

수소를 만들기 위한 방식으로는 '고체 산화물 수전해 전지(이하 SOEC)가 많이 쓰인다.

SOEC는 물을 전기로 분해해 수소를 만드는 '전기분해 모드'와, 수소를 연료로 전기를 생산하는 '연료전지 모드' 두 가지 방식으로 작동한다.

무엇보다 SOEC는 고온에서 고체 재료로 물을 효율적으로 분해할 수 있기 때문에 다른 방식보다 훨씬 많은 수소 생산이 가능하다는 게 가장 큰 강점이다.

하지만 SOEC는 오랫동안 사용하다 보면 내부에서 균열이 생기거나 중요한 부품들이 떨어져 나가면서 성능이 크게 떨어진다는 치명적인 약점이 있다. '전극'과 '전해질'이라는 핵심 부품이 만나는 부분이 헐거워지면서 산소가 새어 나오거나 전기가 잘 흐르지 않아 장치 수명이 짧아지는 것도 문제다.

이에 연구팀은 반도체 제조에 쓰이는 '스퍼터 증착 공정'에 주목했다. 이 공정은 마치 스프레이처럼 재료를 아주 얇고 균일하게 뿌려서 나노미터(10억분의 1미터) 두께의 막을 만드는 기술이다.

연구팀은 이 기술을 사용해 머리카락 두께의 1천분의 1도 안되는 매우 얇은 막을 만들고, 이 나노막을 전극과 전해질 사이에 장착했다.

얇은 나노막은 강력한 접착제처럼 전극과 전해질을 견고하게 붙이며 산소 이온과 전자의 전달 경로를 최적화시켰다.

그 결과 SOEC 방식 중 연료전지 모드에서는 기존 대비 3배 이상 많은 전력을 생산했고, 전기분해 모드에서는 물을 분해해 수소를 만드는 속도를 4배 이상 앞당겼다. 또 650℃의 높은 온도에서 100시간 이상 연속으로 작동해도 성능 저하가 거의 나타나지 않았다.

연구팀은 이 기술을 활용하면 수소생산 장치의 잦은 고장과 높은 교체 비용 등을 해결할 수 있다는 점에서 수소 경제 시대를 앞당기는데 큰 역할을 할 것으로 내다봤다.

포스텍 안지환 교수는 "반도체 기술을 수소 분야에 접목해 SOEC 성능과 내구성을 동시에 해결한 사례"라며 "이산화탄소를 다른 유용한 물질로 바꾸는 전기화학 시스템, 고온에서 안정적으로 작동하는 2차전지, 전기화학 촉매를 활용한 수소 생산 장치 등 다양한 분야에 널리 응용될 수 있을 것으로 기대된다"고 했다.