성균관대-삼성전기 공동연구팀, 극한 조건에서도 끄떡없는 ‘차세대 세라믹 수전해 전지’ 개발

- 나노 스케일 설계 기술로 그린수소 생산 성능 2배 높이고 내구성까지 동시에 확보

- 세계적 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’표지 논문 선정 및 ‘ACS Nano’게재로 연구 성과 입증

기계공학부 이원영 교수 연구팀은 삼성전기 중앙연구소와의 산학 공동연구를 통해, 물을 전기분해하여 청정 에너지인 ‘그린수소’를 생산하는 고체산화물 수전해전지(SOEC)의 성능과 내구성을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 제조 기술을 개발했다.

고체산화물 수전해전지는 700℃ 이상의 높은 온도에서 수증기를 전기로 분해해 수소를 만드는 장치다. 기존 방식보다 적은 에너지로 많은 양의 수소를 얻을 수 있어 차세대 친환경 에너지 시스템으로 주목받고 있다. 하지만 고온에서 제조 및 장시간 작동할 경우 전지 내부의 미세한 입자들이 뭉치거나 층이 박리되는 현상이 발생해 성능이 급격히 떨어지는 고질적인 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 복잡한 공정 대신, 실제 산업 현장에서 바로 적용할 수 있는 두 가지 ‘제조친화형 나노 설계 전략’을 제시했다.

첫 번째 전략은 연료극(수소가 발생하는 곳)의 촉매 입자 표면에 분말 기반 원자층 증착법 (ALD)을 활용해 수 nm(나노미터, 10억 분의 1m) 두께의 얇은 막을 입히는 기술이다. 이 기술을 통해 니켈 입자가 고온에서도 서로 뭉치지 않게 고정했으며, 수소 환경에서 스스로 합금 촉매로 변하게 하여 수소 생산 효율을 기존보다 약 2배 높이는 데 성공했다.

두 번째 전략은 공기극과 전해질이 만나는 경계면에 약 50nm 두께의 나노 코팅층을 형성하는 것이다. 연구팀은 정전기를 이용해 미세한 입자를 뿌리는 공법인 전기정전 분무증착법 (ESD)을 사용해, 전지의 층과 층 사이가 벌어지는 박리 현상을 효과적으로 막아냈다. 이 기술은 대기압 상태에서도 가능해 공장과 같은 대규모 생산 시설에 적용하기 매우 유리하다는 장점이 있다.

이번 연구의 핵심은 단순히 실험실 수준의 성과에 그치지 않고, 기업과의 협업을 통해 실제 대면적 셀에서도 그 효과를 입증했다는 점이다. 이는 차세대 수소 생산 장치의 상용화를 가로막던 ‘수명 문제’와 ‘제조 공정의 어려움’을 동시에 해결할 수 있는 실용적인 발판을 마련한 것으로 평가받는다.

이원영 교수는 “이번 연구는 고체산화물 수전해전지의 상용화에 있어 가장 큰 걸림돌이었던 전극 구조의 변화와 계면 박리 문제를 산학 협력을 통해 극복한 사례”라며 “나노 기술을 실제 제조 공정에 도입해 수소 에너지 시대를 앞당길 수 있는 실용적인 플랫폼을 제시했다는 데 큰 의미가 있다”고 밝혔다.

삼성전기 박중덕 마스터는 “이번 공동연구를 통해 고체산화물 수전해전지의 성능과 내구성 향상을 위한 제조 기술의 가능성을 확인했다”며 “앞으로도 관련 기술의 산업 적용 가능성을 높이기 위해 지속적으로 협력해 나갈 계획”이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 중견연구자지원사업, 나노‧소재기술개발사업, 미래수소혁신기술개발사업, 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업, 에너지인력양성사업 및 삼성전기 등의 지원으로 수행되었으며, 재료 과학 분야의 세계적 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’와 ‘ACS Nano’에 각각 게재되었다. 특히 ‘Advanced Functional Materials’에 실린 연구는 그 우수성을 인정받아 해당 호의 표지 논문으로 선정되었다.

※ 논문명: Sequential core-shell to alloy evolution enables the structural stabilization and catalytic activation of solid oxide electrolysis cells
※ 저널명: Advanced Functional Materials
※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adfm.202525596

※ 논문명: Conformal Nanocoating at the Electrode-Electrolyte Interface for Active and Durable Solid Oxide Electrochemical Cells
※ 저널명: ACS nano
※ 논문링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c19038