< (왼쪽부터) 기계공학과 이강택 교수, 김동연 박사과정, 배경택 박사과정 >
우리 대학 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 마이크로파를 이용한 초고속 소결 공정을 통해 고성능 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC) 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.
기존의 산소 이온 전도성 고체 산화물 연료전지(SOFC)와 달리, 프로토닉 세라믹 연료전지는 양성자 전도성 세라믹 전해질의 높은 이온 전도도와 낮은 활성화 에너지 특성으로 인해, 600oC 이하 저온에서 고효율로 전력 변환 및 수소 생산이 가역적으로 가능한 에너지 변환 시스템으로 이는 수소전기차, 수소 충전소, 건물 및 선박용 발전시스템 등에 활용이 가능한 탄소중립 사회를 위한 차세대 핵심 기술로 떠오르고 있다.
이러한 프로토닉 세라믹 연료전지는 난소결성 바륨 기반 산화물 전해질을 사용하는데, 이를 치밀화하기 위해서 1,500oC 이상 고온에서 장시간 소결(세라믹 입자를 가열하여 단단하게 결합시키는) 공정이 필수적이다. 하지만, 이러한 극한 공정 중에 산화물 내부에서 발생하는 양이온 확산으로 화학적 조성이 불안정해지는 치명적인 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있지만, 대부분 실험실에서 국소적으로 가능한 방법들이 보고되고 있으며, 실용적으로 상용화가 가능한 새로운 제조 공정의 연구가 시급한 실정이다.
연구팀은 이러한 문제점을 해결할 방법으로 기존에 복사열로 장시간 (300분) 소결하는 방법 대신 흔히 전자레인지나 오븐 등에 쓰이는 마이크로파를 사용해 5분 만에 초고속 소결을 해 이론적 화학조성의 전해질을 갖는 프로토닉 세라믹 연료전지를 개발하는 데 성공했다. 이와 동시에, 초고속 온도 상승으로 연료극이 나노 구조화돼 전기화학적 활성 영역 또한 크게 확장됨을 증명했다. 연구팀은 이와 더불어 3차원 형상 복원 기술을 통해, 연료극 입자 미세화로 인한 삼상계면 길이의 증가가 전극 표면 활성 반응을 가속화하는 미세구조와 전기화학 특성 간의 상관관계를 규명했다.
< 그림 1. 초고속 제작 공정을 적용한 고성능 프로토닉 세라믹 연료전지의 구성 및 구동 모식도 >
연구팀이 개발한 프로토닉 세라믹 연료전지는 현재까지 보고된 동일 소재의 연료전지 중 가장 우수한 성능을 보였으며, 장시간 (800시간) 구동에도 매우 높은 안정성이 확인돼, 마이크로파 기반 초고속 제조 공정 도입의 이점을 효과적으로 증명했다.
우리 대학 기계공학과 김동연, 배경택 박사과정생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지인 `에이씨에스 에너지 레터스, ACS Energy Letters' (IF:23.991) 6월 29일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: High-Performance Protonic Ceramic Electrochemical Cells)
< 그림 2. 제작 공정에 따른 프로토닉 세라믹 연료전지의 성능 그래프 등 >
< 그림 3. 소결 공정에 따른 프로토닉 세라믹 연료전지의 전해질 연료극 계면 3차원 형상복원 및 전기화학 활성부위 이미지 >
이강택 교수는 "이번 연구를 통해 마이크로파를 이용한 초고속 제조 공정이 기존 공정의 난제를 해결하고 프로토닉 세라믹 연료전지 성능을 극대화할 수 있음을 실험적으로 증명했고, 이는 탄소중립 사회 실현을 앞당길 수 있는 고성능 차세대 에너지 변환기술 발전의 촉매 역할을 할 것ˮ 이라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업, 중견연구자지원사업 그리고 나노 및 소재 기술개발사업의 지원으로 수행됐다.
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연구 제작온도 500℃↓전력 생산 2배 ↑...차세대 세라믹 전지 재탄생
AI 시대 전력 수요가 폭증하는 가운데, 전기와 수소를 동시에 생산할 수 있는 ‘프로토닉 세라믹 전기화학전지(PCEC)’는 차세대 에너지 기술로 각광받고 있다. 그러나 이 전지는 1,500℃의 초고온 제작 공정이라는 기술적 한계를 안고 있었다. 우리 대학 연구진은 이러한 한계를 500℃ 이상 낮춘 새로운 제조 공정을 세계 최초로 구축하는 데 성공했다. 우리 대학은 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 전자레인지 원리와 특정 화학 성분의 ‘화학 증기(chemical vapor)’ 확산 환경을 활용한 ‘'마이크로파+증기 제어 기술' 을 이용해, 기존보다 500℃ 이상 낮은 온도에서 빠르고 단단하게 ‘고성능 프로토닉 세라믹 전기화학전지’를 제작할 수 있는 신공정을 개발했다고 4일 밝혔다. 프로토닉 세라믹 전지의 핵심 재료인 전해질에는 바륨(Ba)이 포함되어 있는데, 바륨은 1,500℃ 이상 고온에서 쉽게 날아가
2025-12-04 -
인물 조은애 교수, 한국여성단체협의회 ‘여성1호상’ 수상
우리 대학 신소재공학과 조은애 교수가 한국여성단체협의회가 주관한 ‘올해의 여성1호상’을 수상했다. 시상식은 11월 18일 서울 삼성동 코엑스에서 열린 제60회 전국여성대회에서 진행됐다. 조은애 교수는 탄소중립 실현과 수소경제 분야에서 선도적인 연구성과를 창출하며 미래 에너지 기술 발전에 기여한 공로를 인정받아 수상자로 선정됐다. 한국여성단체협의회는 54개 회원단체, 17개 시·도 여성단체협의회 전국 500만 회원으로 구성된 국내 첫 여성단체 연대 기구로, 매년 여성의 권익 신장과 사회 발전에 기여한 인물을 선정해 시상해왔다. 한편, 이날 행사에서는 조선일보 최초 여성 편집국장인 강경희 편집국장이 ‘올해의 여성상’을, 54년간 의료봉사를 이어온 이향애 성북구의사회 회장이 용신봉사상을 각각 수상했다. 올해 광복 80주년을 맞아 새로 제정된 ‘6080특별상’은 하와이 이민 1세대로서 독립운동을 위해 꾸
2025-11-19 -
인물 생명화학공학과 최민기 교수, ‘11월 과학기술인상’ 수상
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수가 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인상’을 수상한다. 이번 시상은 ‘평화와 발전을 위한 세계과학의 날(11월 10일)’을 기념해 진행된다. 이달의 과학기술인상은 최근 3년간 독창적인 연구 성과를 창출해 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매달 1명씩 선정해 과기정통부 장관상과 상금 1,000만원을 수여하는 상이다. 최민기 교수는 친환경 암모니아 합성을 위한 고성능 촉매를 개발해 탄소중립과 수소 경제 전환을 위한 핵심 기술을 마련한 공로를 인정받았다. 암모니아는 비료와 의약품 등 필수 산업 원료일 뿐 아니라 액화가 쉽고 수소 저장 밀도가 높아 재생에너지 기반 수소를 저장·운송할 수 있는 차세대 에너지 매개체로 주목받고 있다. 그러나 현재 상용화된 ‘하버-보슈 공정’은 500℃ 이상, 100기압 이상의 고온·고압이 필요해
2025-11-05 -
연구 KAIST-프린스턴대, 기후위기 대응 ‘넷제로 코리아’ 공식 출범
우리 대학 녹색성장지속가능대학원 전해원 교수 연구팀이 미국 프린스턴대학교 앤드링거 환경·에너지 연구센터와 탄소중립 공동연구 추진을 위한 양해각서(MOU)를 체결하고, ‘넷제로 코리아(Net-Zero Korea, 이하 NZK)’ 프로젝트를 공식 출범했다고 27일 밝혔다. 이번 프로젝트는 부산 벡스코에서 열린 기후산업국제박람회(WCE) 현장에서 발표됐으며, 구글의 시드펀딩으로 시작된다. NZK 프로젝트는 단기적으로 한국의 에너지 및 산업 부문의 탄소중립 전환을 가속화하고, 중장기적으로는 정책 수립과 실행을 위한 한국의 에너지시스템 모델링 역량을 강화하는 것을 목표로 한다. 에너지 시스템 모델링은 청정에너지로과 탄소중립으로의 전환을 연구하는데 핵심적인 역할을 한다. 특히, 이번 연구는 프린스턴대가 2021년 발표해 주목을 받은 ‘넷제로 아메리카(Net-Zero America)’ 프로젝트의 선도적 모델링 방법론을 KAIST의
2025-08-28 -
행사 녹색성장지속가능대학원(GGGS)-홍콩대학교(HKU) 탄소중립연구소(ICCN), 기후변화 대응 및 지속가능성 강화를 위한 업무협약 체결
우리 대학 녹색성장지속가능대학원(대학원장 엄지용)과 홍콩대학교(HKU) 탄소중립연구소(Deputy Director 저우 유위(Yuyu Zhou) 교수)는 8월 20일 홍콩대학교 탄소중립연구소에서 회의를 갖고, 연구 협력, 교육 프로그램 공동 개발, 정책 교류 활성화를 위한 양해각서(MOU)에 서명했다. 이번 협약은 한국과 홍콩이 각각 2050 탄소중립 달성을 목표로 추진 중인 국가·지역 전략의 이행을 가속화하고, 글로벌 기후변화 대응 역량을 강화하기 위한 공동 노력의 일환이다. 양 기관은 이번 협약을 통해 다음과 같은 분야에서 협력한다. ▲ 연구 협력: 에너지·지구시스템 모델링, 기후 보건, 기후경제·정책 분석, 녹색에너지 시스템, 자연기반 해법, 기후금융, 자원순환 등 ▲ 교육 협력: 지속가능성·기후금융·ESG 분야의 리더십 교육, 학생·교원 교류 프로그램, 공동 워크숍·학술행사, 대학원
2025-08-26