세라믹과 같은 고체 전해질을 사용하는 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)는 에너지 저장과 운반, 응용 분야에서 널리 사용되는 전지다.

이 전지의 효율은 전지 내 전극의 성능과 안정성에 달려있는데, 이를 높이려면 전극을 다공성 구조로 제작해야 한다. 하지만 현재 기술로는 복잡한 다공성 구조의 전극 내부까지 세라믹 물질을 균일하게 코팅하는 데 어려움이 많았다.

포스텍(포항공과대학교) 기계공학과 안지환 교수·박사과정 조성은 씨, KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 정우철 교수·전성현 씨 연구팀은 최신 반도체 공정을 사용해 SOFC용 다공성 전극을 제작하는 데 성공했다. 이 연구는 그 우수성을 인정받아 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘스몰 메소즈(Small Methods)’의 뒷 표지(back cover) 논문으로 최근 게재됐다.

원자층 증착 공정(이하 ALD)1)은 기체 상태의 물질을 기판 표면에 원자층 단위로 얇고 균일하게 증착하는 기술이다. 이전 연구에서 ALD 기술로 고체 산화물 연료 전지(SOFC)2) 효율을 높인 안지환 교수팀은 이번 연구에서 미세 분말 상 나노 박막을 정밀 코팅 할 수 있는 분말 ALD 공정 및 장비를 직접 개발하여 적용했다.

연구팀은 이 공정으로 산화지르코늄(ZrO2) 세라믹 물질을 다공성 구조체 공기극(LSCF)3)에 균일하게 코팅했다. 기존의 반도체용 ALD 공정으로는 기체 상태의 반응물질이 다공성 구조 표면에 주로 흡착되고 복잡도가 높은 공극 내부로의 침투에 한계가 있었던 반면, 분말 형태 전극 소재에 원자층 공정을 적용하여 구조체 내부까지 증착하는 데 성공한 것이다. 실험 결과, 연구팀이 제작한 전극은 고온 환경(700~750℃)에서도 전지 최대 전력 밀도를 기존 대비 2.2배 높였으며, 전지 효율을 떨어뜨리는 활성화 저항이 60% 감소했다.

연구를 이끈 안지환 교수는 “우수한 반도체 공정 기반 기술로 친환경 에너지 시스템 분야에서 혁신을 이룬 사례다. 분말 ALD 기술은 SOFC 뿐만 아니라 SOEC4) 등 수소 생산 및 이차전지 소자에도 활용도가 높은 기술”이라며, “후속 연구를 통해 지속 가능한 친환경 에너지 솔루션을 개선해 나가겠다”는 포부를 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소사업과 중견연구자지원사업 및 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원으로 진행됐다.