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왼쪽부터 성균관대 이원영 교수, 김동욱 박사과정생, 이동규 석사.

[대학저널 이선용 기자] 성균관대학교 기계공학과 이원영 교수 연구팀은 전지 내부의 핵심 부품들이 만나는 경계면을 정밀하게 설계하여, 가혹한 환경에서도 망가지지 않고 세계 최고 수준의 효율을 내는 ‘차세대 세라믹 연료전지’를 개발했다고 5일 밝혔다.

이번 연구는 친환경 수소 에너지를 더 쉽고 안전하게 만들고 사용하는 데 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

연구팀이 집중한 ‘프로톤 세라믹 연료전지’는 수소로 전기를 만들거나, 반대로 전기로 수소를 생산할 수 있는 스마트한 에너지 장치다. 기존 전지들은 아주 뜨거운 고온에서만 작동해 수명이 짧다는 단점이 있었지만, 이 전지는 400 ~ 600℃의 상대적으로 낮은 온도에서도 잘 작동한다. 하지만 전지의 핵심 부품인 ‘전극’과 ‘전해질’이 만나는 경계면(계면)에서 전기가 잘 흐르지 못하게 방해하는 저항이 생겨 성능을 높이는 데 한계가 있었다.

이원영 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 ‘계면 공학’이라는 특별한 기술을 도입했다. 전극의 구조를 여러 층으로 쌓는 ‘다층 구조’ 방식을 사용한 것이다. 특히 경계면 부분에 아주 작은 입자들을 균일하게 배치하여, 마치 좁은 길을 넓은 고속도로로 만드는 것처럼 전하들이 이동할 수 있는 면적을 크게 넓혔다. 그 결과, 전기의 흐름을 방해하던 저항이 획기적으로 줄어들었다.

이렇게 만들어진 전지는 성능 시험에서 놀라운 결과를 보였다. 500℃의 온도에서 전기를 만들어낼 때 1.04W/cm²의 출력 밀도를 기록했는데, 이는 전 세계적으로 보고된 비슷한 종류의 전지들 중 최고 수준이다. 또한, 온도를 급격하게 변화시키거나 장시간 연속으로 작동시켜도 성능이 떨어지지 않는 뛰어난 내구성까지 증명했다.

이번 연구의 또 다른 강점은 ‘경제성’이다. 비싸고 복잡한 새로운 소재를 개발하거나 어려운 제조 공정을 쓰지 않고, 기존에 사용하던 소재와 단순한 공정만으로도 이 정도의 고성능을 끌어냈기 때문이다. 이는 실제 공장에서 제품을 대량으로 만들 때 매우 유리한 조건이다.

이원영 교수는 “전극과 전해질이 만나는 계면은 전지의 심장과 같지만, 그동안 이를 정확히 수치화해서 설계하는 것이 어려웠다”며 “이번 연구는 계면의 구조를 수학적으로 분석하고 설계하는 틀을 마련했다는 데 큰 의미가 있으며, 다가올 수소 사회를 현실로 만드는 중요한 발판이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었으며(No. SRFC-MA2402-10, No. 2022R1A2C3012372), 연구 결과는 에너지 분야의 세계적인 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 지난 1월 4일 게재되었으며, 표지 논문으로도 선정됐다.

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