- 수소, 천연가스, 알콜 등 다양한 연료의 전기 에너지 변환에 중요한 연구성과
- 기존의 저온형 고체산화물 연료전지의 최고 성능을 50%이상 개선한 연료전지 개발

연일 전국적으로 미세먼지가 기승을 부리는 가운데 학계에서는 오늘도 공해 물질 배출이 없는 차세대 에너지 시스템에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

서울과학기술대학교 글로벌융합산업공학과 MSDE전공·일반대학원 스마트생산융합시스템공학과 안지환 교수 연구팀(사진 왼쪽부터 안지환 교수, 제1저자 오성국 석사과정생, 공동저자 신정우, 양병찬 석사과정생) 이 최신 반도체 공정을 활용하여 「무기 박막 전해질을 적용한 고성능 저온형 고체산화물 연료전지 개발」에 성공하였다.

고체산화물 연료전지는 수소 뿐 아니라 천연가스, 알콜 등 다양한 연료에 기반하여 높은 효율로 전기 에너지 변환이 가능하다는 장점 때문에 차세대 연료전지로 주목받고 있다. 특히 500℃ 미만의 온도에서 작동하는 저온형 고체산화물 연료전지는 800℃ 이상의 고온에서 작동하는 기존의 고체산화물 연료전지와 비교하여 휴대용 전원 등 실생활 분야로의 활용도가 높다는 장점 있다. 하지만, 낮은 온도 구동으로 성능이 낮아진다는 점이 상용화의 큰 걸림돌로 작용해 왔다.


  ▲ 최신 반도체 공정(원자층 증착법)응 적용하여 제작된 샌드위치형 초박막 전해질 구조와 이를 활용한 고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템 도식

안지환 교수팀은 다공성 나노 구조 기판에 원자층 증착 공정을 적용한 샌드위치 모양의 연료전지 전해질막을 최적 설계·제작하였다. 원자층 증착법은 얇은 막을 원자층 단위로 정밀하게 증착할 수 있는 기술로써 기존 저온형 고체산화물 연료전지의 최고 성능을 50% 이상 개선한 고성능 박막 연료전지 개발을 이끌어 냈다. 또한, 기존의 공정 대비 양산이 용이한 공정으로써 향후 고체산화물 연료전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

본 연구결과는 기존의 배터리 대비 수배~수십배의 에너지 밀도로 인하여 방전 걱정이 없는 휴대폰 및 노트북 충전에 응용될 수 있다. 특히 최근에는 4시간 이상 장시간 연속 비행이 가능한 드론용 전원 시스템 등으로의 활용이 주목받고 있다.


  ▲ 영국왕립화학회 재료화학A 저널 표지그림

이번 연구개발 성과는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 화학소재 분야 최우수 과학 저널인 「Journal of Materials Chemistry A(재료화학A 저널, IF 8.867)」의 ‘전면 표지논문(front cover article)’으로 선정되었다.

한편, 본 연구는 교육부의 이공계 개인기초연구 지원사업, 산업통상자원부의 창의융합특성화 인재양성사업의 지원을 받아 수행되었으며 안지환 교수팀 이외에 서울과기대 장동영 교수, 미국 스탠포드대 박준석 박사, 휴렛패커드연구소 지아밍 장(Jiaming Zhang) 박사가 참여하였다.