[투데이에너지 최인영 기자] 최신 반도체 공정 기술로 연료전지, 수소 생산, 이차전지 소자 등의 효율을 높였다. 국내 연구진이 개발한 이 기술은 재료과학분야 우수 사례로 꼽혔다.
포스텍(포항공과대학교)은 기계공학과 안지환 교수와 박사과정 조성은 씨가 한국과학기술원 신소재공학과 정우철 교수, 전성현 씨 연구팀과 함께 최신 반도체 공정을 사용해 SOFC(고체산화물연료전지)용 다공성 전극을 제작하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.
세라믹과 같은 고체 전해질을 사용하는 SOFC는 에너지 저장·운반·응용분야에서 널리 사용되고 있다. SOFC 효율은 전지 내 전극의 성능과 안정성에 달려 있는데 이를 높이려면 전극을 다공성 구조로 제작해야 한다. 하지만 현재 기술로는 복잡한 다공성 구조의 전극 내부까지 세라믹 물질을 균일하게 코팅하는 데 어려움을 겪고 있다.
연구팀은 원자층 증착 공정(이하 ALD)으로 산화지르코늄(ZrO2) 세라믹 물질을 다공성 구조체 공기극(LSCF)에 균일하게 코팅했다. 기존 반도체용 ALD 공정으로는 기체 상태의 반응물질이 다공성 구조 표면에 주로 흡착되고 복잡도가 높은 공극 내부 침투에 한계가 있던 반면 분말 형태 전극 소재에 원자층 공정을 적용해 구조체 내부에 증착하는 데 성공했다.
실험결과 연구팀이 제작한 전극은 700~750℃에 이르는 고온에서도 전지 최대 전력 밀도를 기존 대비 2.2배 높였으며 전지 효율을 떨어뜨리는 활성화 저항이 60% 감소했다.
ALD는 기체 상태의 물질을 기판 표면에 원자층 단위로 얇고 균일하게 증착하는 기술이다. 이전 연구에서 ALD 기술로 SOFC 효율을 높인 안지환 교수팀은 이번 연구에서 미세 분말상 나노 박막을 정밀 코팅할 수 있는 분말 ALD 공정과 장비를 직접 개발해 적용했다.
안지환 교수는 “우수한 반도체 공정 기반 기술로 친환경 에너지시스템분야에서 혁신을 이룬 사례”라며 “분말 ALD 기술은 SOFC를 비롯해 SOEC(고체산화물수전해) 등 수소 생산과 이차전지 소자에도 활용도가 높은 기술로 후속 연구를 통해 지속가능한 친환경 에너지 솔루션을 실현해 나가겠다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소사업과 중견연구자지원사업, 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발 사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 성과는 재료과학분야 국제 학술지 스몰 메소즈의 뒷 표지 논문으로 최근 게재됐다.