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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 버려 전지 성능 저하의 주범이 되어 왔다. 따라서 낮은 온도에서 세라믹 전해질을 단단하게 굳힐 수 있는 기술이 전지 성능을 좌우하는 핵심 문제였다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘증기 확산(Vapor Phase Diffusion)’이라는 새로운 열처리 방법을 고안했다. 이는 전지 옆에 특수 보조 소재(증기 발생원)를 배치하고, 여기에 마이크로파를 조사해 증기가 빠르게 확산되도록 만드는 기술이다.
온도가 약 800℃에 도달하면 보조 소재에서 나온 증기가 전해질 쪽으로 이동해 세라믹 입자를 단단하게 결합시킨다. 이 기술 덕분에 기존 1,500℃가 필요했던 공정을 단 980℃에서도 완성할 수 있었다. 즉, 전해질 손상 없이 고성능 전기를 ‘낮은 온도’에서 만들어내는 세계 최초의 세라믹 전지 제작 기술이 탄생한 것이다.
이 공정으로 제작된 전지는 600℃에서 손톱만 한 1cm²크기 전지가 2W의 전력을 안정적으로 생산했고, 600℃에서 시간당 205mL(작은 종이컵 1컵 정도의 양으로 업계 최고 수준)의 수소를 생성, 500시간 연속 사용에서도 성능 저하 없이 안정성 유지라는 우수한 결과를 보였다.
즉, 제작 온도는 낮추고(−500℃), 작동 온도는 낮추고(600℃), 성능은 2배로 높이고(2W/cm²), 수명은 길게 만든(500시간 안정성) 세계 최고 성능의 전지 기술을 만든 것이다.
또한 연구팀은 디지털 트윈(가상 시뮬레이션)을 활용해 실제 실험에서는 관찰하기 어려운 전지 내부 미세 구조에서의 가스 이동 현상까지 분석하며 기술 신뢰성을 높였다.
이강택 교수는 “이번 연구는 증기를 이용해 열처리 온도를 500℃ 이상 낮추면서도 고성능·고안정성 전지를 만든 세계 최초의 사례”라며 “AI 시대의 전력 문제와 수소사회를 앞당길 핵심 제조 기술로 자리 잡을 것으로 기대한다”고 강조했다.
KAIST 기계공학과 김동연 박사, 강예진 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지·재료 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈, Advanced Materials (IF:26.8)’에 게재되었으며, 지난 10월 29일 표지(Inside front cover) 논문으로 선정되었다.
※ 논문명: Sub-1000°C Sintering of Protonic Ceramic Electrochemical Cells via Microwave-Driven Vapor Phase Diffusion,
DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202506905
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업 그리고 H2 Next Round 사업의 지원으로 수행됐다.
2025.12.04 조회수 944 -
1700% 뛰어난 신축성, 고성능 웨어러블 열전소자 개발
열 에너지를 전기로 전환시키는 열전 소자는 버려지는 폐열을 활용할 수 있어 지속 가능하고 친환경적인 에너지 플랫폼으로 주목받고 있다. 한국 연구진이 우수한 신축성과 최고 수준 성능을 보이는 열전소자를 개발하여 웨어러블 소자를 위한 체온을 이용한 차세대 에너지 공급원으로의 가능성을 한층 더 앞당겼다.
우리 대학 생명화학공학과 문홍철 교수팀이 POSTECH 화학공학과 박태호 교수팀과 공동연구를 통해 열역학적 평형 조절을 통한 기존 N형 열전갈바닉 소자*성능 한계 극복 기술을 구현했다고 14일 밝혔다.
*열전갈바닉 소자: 생성되는 전자 흐름의 방향에 따라 N형과 P형으로 구분 가능 네거티브(negative)를 의미하는 N형은 전자가 저온에서 고온 쪽으로, 포지티브(positive)를 의미하는 P형은 고온에서 저온 쪽으로 전자가 이동
열전 소자의 성능을 최대한 끌어올리기 위해 P형과 N형 소자의 통합이 필수적이다. 최근 우수한 성능을 지닌 P형 열전 소자에 대한 연구는 많이 진행되었지만 N형 열전 소자는 상대적으로 연구가 부족했다. 그마저도 N형 열전 소자는 P형에 비해 성능이 떨어져 통합형 소자 구현 시 성능 밸런스가 맞지 않아 성능 극대화에 걸림돌이 되었다.
이번 연구에서 연구팀은 스스로 산도(pH) 조절이 가능한 젤 소재를 개발하여 이온을 주요 전하운반체로 사용한 이온성 열전 소자 중 한 종류인 열전갈바닉 소자를 구현하였다. 연구팀이 개발한 젤 소재를 활용하여 하이드로퀴논* 레독스 반응**의 열역학적 평형을 효과적으로 제어할 수 있었고, 이를 통하여 고성능의 N형 열전 소자 특성을 구현하였다.
*하이드로퀴논: 열 에너지를 전기 에너지로 전환하는데 사용된 전기화학 반응물
**레독스 반응: 산화-환원 반응
또한 개발된 젤 소재는 가역적 가교 결합을 기반으로 약 1700%의 우수한 신축성과 함께, 상온에서도 20분 이내에 99% 이상의 높은 자가회복 성능을 구현할 수 있게 설계되었다.
본 연구에서 개발된 N형 이온성 열전 소자는 4.29 mV K-1의 높은 열전력 (thermopower)을 달성하였으며, 1.05% 의 매우 높은 카르노 상대 효율* (Carnot relative efficiency) 또한 나타내었다. 이러한 우수한 성능을 바탕으로 손목에 부착된 소자는 몸에서 지속적으로 유지되는 체온과 주변 환경의 온도 차이를 이용하여 효과적인 에너지 생산에 성공하였다.
*카르노 상대 효율: 이상적인 카르노 기관의 효율 대비 열전갈바닉 소자의 실제 열전환 효율
문홍철 교수는 “이번 연구 성과는 기존 N형 이온성 열전 시스템이 갖고 있던 한계를 극복할 수 있는 기술 개발에 해당한다”며 “이는 체온을 활용한 전원 시스템 실용화를 앞당기고, 웨어러블 소자 구동을 위한 핵심 요소 기술이 될 것이라 기대”한다고 밝혔다.
이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘Energy & Environmental Science’ 2024년 11월7일 표지논문(Outside Front Cover)으로 발표되었다.
※ 논문명: Realizing a high-performance n-type thermogalvanic cell by tailoring thermodynamic equilibrium
한편 이번 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 (나노커넥트) 및 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다.
2024.11.14 조회수 9332 -
이상엽 특훈교수, 에니(Eni) 상 수상자 선정
〈 이 상 엽 특훈교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 이상엽 특훈교수가 환경, 에너지 분야의 노벨상으로 불리는 에니 상(Eni Awards) 수상자로 선정됐다.
시상식은 10월 22일 이탈리아의 퀴리날레 궁전에서 세르지오 마타렐라 이탈리아 대통령 참석 하에 개최된다.
이탈리아의 다국적 국영 에너지 기업인 에니(Eni) 사는 원유, 천연가스, 전기 등을 생산하는 세계적 에너지 기업으로, 2008년부터 에니 상을 제정해 매년 에너지와 환경 분야에 혁신적인 연구 개발을 이룬 과학자들을 시상하고 있다.
올해로 11회째를 맞는 에니 상은 에너지 트랜지션(The Energy Transition), 에너지 프론티어(The Energy Frontiers), 그리고 어드밴스드 인바이런멘탈 솔루션(The award for Advanced Environmental Solutions) 등 3개 분야로 나눠져 있다. 이 중 이상엽 특훈교수는 어드밴스드 인바이런멘탈 솔루션 상을 수상했다.
에니 상 위원회는 이 특훈교수의 혁신적 연구 성과가 지속가능한 에너지 개발에 새로운 장을 열었고, 기술적 완성도와 경제적 가치 측면에서 매우 선도적이라는 점에서 수상자로 선정하게 됐다고 밝혔다.
또한 이 특훈교수는 친환경 화학제품, 연료 및 비식용 바이오매스를 생산할 수 있는 시스템 대사공학의 선구자이자 세계적인 연구자라고 설명했다.
이상엽 교수는 미생물 대사공학을 통해 재생 가능한 자원으로부터 다양한 화학 물질, 연료 및 재료들을 생산하는 지속한 가능한 미생물 공정을 개발해 인류가 직면한 환경문제를 해결하기 위한 획기적인 해결책들을 제안하고 있다.
이 특훈교수의 연구는 수많은 특허와 기술이전을 통해 알 수 있듯이 기초 연구 뿐 아니라 산업 응용 분야 모두 탁월한 성과를 내고 있다. 미생물로 만들기 어려웠던 화합물을 효율적으로 생산하는 ‘시스템 대사공학’의 창시자로 다양한 유기산, 고분자 단량체, 산업적 용매, 연료, 천연물과 같은 다양한 화학물질들을 미생물 기반으로 생산했다.
또한 천연 고분자와 비 천연 고분자를 직접 발효를 통해 생산하는 많은 균주와 공정들을 개발했다.
조지워싱턴 카버 상, 덴쿼츠 기념강연 상 등 올해에만 세계적이고 권위 있는 상을 여러 차례 수상한 이 특훈교수는 “우리 연구실에서 학생 연구원들과 함께 노력해 얻은 시스템 대사공학 연구결과들이 세계 학계와 기업에서 환경 친화적인 기여도가 큰 성과들로 인정받게 돼 기쁘다”며 “바이오 기반의 친환경 물질을 개발을 통해 환경 분야 및 차세대 에너지 발전에 공헌하겠다”고 말했다.
2018.09.12 조회수 13194 -
강민석, 안준건 박사과정, 미래해양과학기술인상 수상
우리 대학 기계공학과 강민석(지도교수 이필승), 안준건(지도교수 장대준) 박사과정이 지난 5월 24일 제주에서 개최된 한국해양과학기술협의회(KAOSTS) 공동학술대회에서 미래해양과학기술인상 해양기술부문 우수상을 수상했다.
한국해양과학기술협의회(KAOSTS)는 해양과학기술분야 학술발전과 관련 신진연구자의 사기 진작 및 자부심 고취를 위해 2017년부터 전국의 대학원생을 대상으로 해양과학기술 분야 우수 학술논문 발표자를 발굴해 미래해양과학기술인상을 시상하고 있다.
강민석 박사과정은 국제학술지 ‘Naval Architecture and Ocean Engineering’에 게재한 논문(논문명: Ship block assembly sequence planning considering productivity and welding deformation) 조립체 내의 각 파트의 기하학적 정보 뿐 아니라 실제 작업 현장에서 고려해야 하는 작업 공정의 생산성에 지배적으로 영향을 미치는 요소 및 용접 변형을 함께 고려하는 최적 조립 순서를 도출하는 모델을 제안했다.
안준건 학생은 학술지 ‘Power Sources’에 게재한 논문(논문명: Fuzzy-based FMEA of hybrid MCFC and gas turbine system for marine propulsion)에서 차세대 에너지 시장을 대비하는 액화수소운반선의 추진방식으로 연료전지기반 추진계통을 제시하고 퍼지논리를 적용한 위험도 분석을 수행했다.
2018.06.14 조회수 14171