【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)은 안지환 교수 연구팀이 최근 반도체 공정으로 강력한 접착제와 같은 나노막을 개발해 수소 생산 장치의 성능과 내구성을 획기적으로 높이는 데 성공했다고 8일 밝혔다.
 ▲ 나노결정성 박막이 삽입된 SOEC 단면도와 수소 생산 및 구동 안정성 향상 모식도 © 포스텍 |
국제에너지기구(IEA)는 2030년을 기점으로 석탄, 석유, 천연가스 소비가 감소할 것으로 전망하며, 그 근거로 태양광과 풍력 등 재생에너지 기술의 비약적인 발전을 꼽았다. 그러나 태양광·풍력으로 생산한 전기는 날씨와 시간에 따라 생산량이 들쭉날쭉해, 남는 전기를 저장하거나 다른 형태로 바꿔 둘 필요가 있다.
이러한 전력 저장·활용의 대안으로 주목받는 것이 ‘수소’다. 특히, 오염물질을 배출하지 않고 생산된 수소를 ‘그린 수소’라고 한다. ‘고체 산화물 수전해 전지(이하 SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell)’는 고온에서 고체 재료로 물을 효율적으로 분해할 수 있어 다른 방식보다 훨씬 많은 수소를 만들어 낼 수 있다.
하지만 SOEC에는 치명적인 약점이 있었다. 오랫동안 사용하다 보면 내부에서 균열이 생기거나 중요한 부품들이 떨어져 나가면서 성능이 크게 떨어진다는 것이다. 특히 ‘전극’과 ‘전해질’이라는 핵심 부품이 만나는 부분이 헐거워지면서 산소가 새어 나오거나 전기가 잘 흐르지 않아 장치 수명이 짧아지는 것이 가장 큰 문제였다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 반도체 제조에 쓰이는 '스퍼터 증착 공정(Sputter deposition)1)‘에 주목했다. 이 공정은 마치 스프레이처럼 재료를 아주 얇고 균일하게 뿌려서 나노미터(10억분의 1미터) 두께의 막을 만드는 기술이다. 연구팀은 이 기술을 사용해 ‘LSCF2)’라는 특수한 재료로 머리카락 두께의 1000분의 1도 안되는 매우 얇은 막을 만들고, 이 나노막을 전극과 전해질 사이에 끼워 넣었다.
이 얇은 나노막은 강력한 접착제처럼 전극과 전해질을 견고하게 결합했다. 그 결과는 연속적이고 치밀한 계면 구조를 통해 산소 이온과 전자의 전달 경로가 최적화되었다. SOEC는 물을 전기로 분해해 수소를 만드는 ‘전기분해 모드’와, 수소를 연료로 전기를 생산하는 ‘연료전지 모드’ 두 가지 방식으로 작동하는데, 연료전지 모드에서는 기존 대비 3배 이상 많은 전력을 생산했고, 전기분해 모드에서는 물을 분해해 수소를 만드는 속도가 4배나 빨라졌다. 특히 650℃의 높은 온도에서 100시간 이상 연속으로 작동해도 성능 저하가 거의 나타나지 않았다.
이 기술은 재생 에너지로 수소를 생산하고 이를 효율적으로 활용하는 과정을 경제적으로 만들어, 수소 경제 시대를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다. 그동안 수소 생산 장치는 잦은 고장과 높은 교체 비용 때문에 상용화에 어려움이 있었으나, 이번 연구를 통해 이러한 한계가 크게 개선될 수 있을 전망이다.
안지환 교수는 “반도체 기술을 수소 분야에 접목해 SOEC 성능과 내구성을 동시에 해결한 사례”라며 “이산화탄소를 다른 유용한 물질로 바꾸는 전기화학 시스템, 고온에서 안정적으로 작동하는 이차전지, 전기화학 촉매를 활용한 수소 생산 장치 등 다양한 분야에 널리 응용될 수 있을 것”이라고 전했다.
한편, POSTECH 기계공학과 안지환 교수, 기계공학과 김형준 박사, 박사과정 이주환 씨가 참여한 이 연구는 재료 화학 분야의 학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)’의 ‘Emerging Investigator 2025’로 선정됐다. 이는 연구팀이 해당 연구 분야의 차세대 리더로 인정받았음을 의미한다. 또한, 이번 연구는 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업, 한국연구재단 대학중점연구소사업과 중견연구자지원사업 지원으로 진행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
POSTECH, Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) Performance and Durability Enhanced with Semiconductor Process
POSTECH (Pohang University of Science and Technology) announced on the 8th that Professor Ahn Ji-hwan's research team recently developed a strong adhesive-like nano-film using a semiconductor process, successfully dramatically enhancing the performance and durability of hydrogen production devices.
The International Energy Agency (IEA) forecasts that coal, oil, and natural gas consumption will decrease starting in 2030, and cited the rapid development of renewable energy technologies such as solar and wind power as the basis for this. However, electricity produced by solar and wind power fluctuates depending on the weather and time, so it is necessary to store the remaining electricity or convert it into another form.
Hydrogen is attracting attention as an alternative to this type of electricity storage and utilization. In particular, hydrogen produced without emitting pollutants is called 'green hydrogen.' The ‘Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC)’ can efficiently decompose water using solid materials at high temperatures, producing much more hydrogen than other methods.
However, the SOEC had a fatal weakness. When used for a long time, cracks would form inside or important parts would fall off, significantly reducing its performance. In particular, the biggest problem was that the part where the core parts called the ‘electrode’ and the ‘electrolyte’ meet would become loose, causing oxygen to leak or electricity to not flow properly, shortening the lifespan of the device.
To solve this problem, the research team focused on the ‘sputter deposition process’1) used in semiconductor manufacturing. This process is a technology that sprays materials very thinly and evenly like a spray to create a film that is nanometers (one billionth of a meter) thick. Using this technology, the research team created an extremely thin film less than one-thousandth of the thickness of a hair using a special material called ‘LSCF2)’, and inserted this nano film between the electrode and the electrolyte.
This thin nanofilm firmly bonds the electrode and electrolyte like a strong adhesive. The result is an optimized transfer path of oxygen ions and electrons through a continuous and dense interface structure. SOEC operates in two modes: ‘electrolysis mode’, which electrolyzes water to produce hydrogen, and ‘fuel cell mode’, which uses hydrogen as fuel to produce electricity. In fuel cell mode, it produces more than three times more electricity than before, and in electrolysis mode, it produces hydrogen by decomposing water four times faster. In particular, there was almost no performance degradation even after continuous operation for more than 100 hours at a high temperature of 650℃.
This technology is expected to contribute to advancing the hydrogen economy era by making the process of producing hydrogen using renewable energy economical and utilizing it efficiently. Until now, hydrogen production devices have had difficulties in commercialization due to frequent breakdowns and high replacement costs, but this research is expected to significantly improve these limitations.
Professor Ahn Ji-hwan said, “This is a case where semiconductor technology was applied to the hydrogen field to simultaneously solve SOEC performance and durability,” and added, “It can be widely applied in various fields such as electrochemical systems that convert carbon dioxide into other useful substances, secondary batteries that operate stably at high temperatures, and hydrogen production devices using electrochemical catalysts.”
Meanwhile, this research, in which Professor Ahn Ji-hwan of the Department of Mechanical Engineering at POSTECH, Dr. Kim Hyung-jun of the Department of Mechanical Engineering, and Ph.D. candidate Lee Ju-hwan participated, was selected as the ‘Emerging Investigator 2025’ by the ‘Journal of Materials Chemistry A,’ an academic journal in the field of materials chemistry. This means that the research team has been recognized as a next-generation leader in the field of research. In addition, this research was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning’s New and Renewable Energy Core Technology Development Project, the National Research Foundation of Korea’s University Key Research Institute Project, and the Mid-career Researcher Support Project.
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