성균관대-삼성전기, ‘차세대 세라믹 수전해 전지’ 개발

▲(왼쪽부터)성균관대 이원영 교수, 삼성전기 박중덕 마스터, 성균관대 방세희 박사과정생 및 유현식 박사과정생. (사진=성균관대)

성균관대 기계공학부 이원영 교수 연구팀은 삼성전기 중앙연구소와 산학 공동연구를 통해 물을 전기 분해해 청정에너지인 그린수소를 생산하는 고체산화물 수전해전지(SOEC)의 성능과 내구성을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 제조 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

고체산화물 수전해전지는 700℃ 이상의 고온에서 수증기를 전기로 분해해 수소를 생산하는 장치다. 기존 수전해 방식보다 적은 에너지로 많은 양의 수소를 얻을 수 있어 차세대 친환경 수소 생산 기술로 주목받고 있다.

다만 고온 제조 및 장시간 작동 과정에서 전지 내부 미세 입자가 서로 뭉치거나 층이 박리되는 현상이 발생해 성능이 급격히 저하되는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 산업 현장에 적용 가능한 두 가지 제조친화형 나노 설계 전략을 제시했다.

첫 번째 전략은 연료극(수소가 발생하는 곳) 촉매 입자 표면에 분말 기반 원자층 증착법(ALD)을 활용해 수 나노미터(nm) 두께의 얇은 막을 입히는 기술이다. 이를 통해 니켈 입자가 고온에서도 서로 뭉치지 않도록 고정했고, 수소 환경에서 스스로 합금 촉매로 변하도록 해 수소 생산 효율을 기존 대비 약 두 배 높였다.

두 번째 전략은 공기극과 전해질이 만나는 경계면에 약 50nm 두께의 나노 코팅층을 형성하는 방식이다. 연구팀은 전기정전 분무증착법(ESD)을 활용해 미세 입자를 균일하게 분사함으로써 전지 내부 층 사이에서 발생하는 박리 현상을 효과적으로 억제했다. 이 공정은 대기압 환경에서도 구현 가능해 대규모 생산 시설에 적용하기 쉽다는 장점이 있다.

특히 이번 연구는 실험실 수준을 넘어 기업과 협력해 대면적 셀에서도 성능 개선 효과를 확인했다. 차세대 수소 생산 장치 상용화의 핵심 장애물로 꼽히던 수명 문제와 제조 공정 난제를 동시에 해결할 수 있는 기술적 기반을 마련했다는 평가다.

이 교수는 “전극 구조 변화와 계면 박리 문제는 SOEC 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다”며 “나노 기술을 실제 제조 공정에 접목해 수소 에너지 시대를 앞당길 수 있는 실용적 플랫폼을 제시했다는 데 의미가 있다”고 말했다.