세라믹 연료전지 원자층 단위 표면 처리 기술 개발

심준형 교수팀, '어드밴스드 에너지 머터리얼즈' 논문 개제

▲ 참여연구원, 왼쪽부터 심준형 교수(연구책임자, 교신저자), 최형종 박사(제1저자)

ALD 기술을 이용하여 세라믹 연료전지 전극 “표면”만 다른 성분으로 바꾸는 원자층 단위 페이스오프(face-off) 기술 개발에 성공하고 성능을 획기적으로 개선하는 길이 열렸다.
 
공과대학 기계공학부 심준형 교수 연구팀은 세라믹 연료전지 전극 표면 성분을 원자층 단위로 변화시킬 수 있는 ALD 기술 개발에 성공했다고 밝혔다.
 
심준형 교수 연구팀 소속 최형종 박사가 제1저자로 참여한 이 연구는 에너지 분야의 세계적인 저명 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’(Advanced Energy Materials (IF : 21.875, JCR 분야상위 1.7%))에 최근 게재됐다.
- 논문명 : Surface Tuning of Solid Oxide Fuel Cell Cathode by Atomic Layer Deposition

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 나노·소재기술개발사업의 일환으로 수행되었으며, 독일 아헨 공과대학 Manfred Martin 교수팀이 참여했다.
 
이번 연구에 적용된 원자층 박막 증착법(Atomic layer deposition, ALD)은 금속 및 세라믹 박막을 제작하는 기술로, 물질의 최소 단위인 원자 하나의 두께로 성분을 조절하기 때문에 지금까지 개발된 코팅 기법 중 가장 정밀도 높은 궁극의 기술로 여겨진다. 이러한 이유로 집적도가 높은 소자의 성분을 정밀하게 제어해야 하는 메모리, 반도체 제품 생산의 핵심 기술로 사용되고 있다.

고려대 연구팀은 이러한 반도체 제작 기술을 세라믹 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)에 접목했다. 심준형 교수팀은 상용 SOFC 전극인 LSCF 표면 활성도가 상대적으로 높지 않다는 점에 주목했다. 여기에 활성도가 월등히 높은 LSC로 표면 코팅을 하면 전극 저항이 줄어들면서 연료전지 출력을 올릴 수 있다. 그러나 LSC는 내구성이 좋지 않아 성능이 오래가지 못한다는 문제점이 있다. 이에 연구팀은 LSCF의 몸체는 그대로 두면서 표면 성분만 LSC로 바꾸어주는, 소위 페이스오프(face-off) 아이디어를 구상했다. 이를 구현하기 위해 원자층 단위로 성분을 조절할 수 있는 ALD 기술로 LSC를 증착한 결과 섭씨 500-600도 환경에서 SOFC 출력을 2배 이상 늘리는데 성공했다.
 
심준형 교수는 “반도체 기술인 ALD 기법이 SOFC 성능 개선에도 효과가 있음을 입증했다. 앞으로 연료전지처럼 표면 성능이 중요한 다른 에너지 시스템에도 ALD 기술을 활용할 수 있다.”며 연구 성과에 대한 의의를 밝혔다.  끝.

[▲ 그림]  원자 단위 표면처리 기술을 세라믹 연료전지에 적용. LSCF 전극의 표면성분만 LSC로 바꾸어주는 페이스오프 (face-off) 아이디어를 통해 SOFC의 성능개선 구현.