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‘이산화탄소’ 없애고 ‘수소’와 ‘전기’ 만든다

이산화탄소를 이용해 수소와 전기를 생산하는 전지 시스템을 개발한 UNIST 연구진_왼쪽 위부터 시계 방향으로 김건태 교수, 주상욱 연구원, 김정원 연구원, 김창민 연구원. | 사진: 김경채

지구 온도를 높이는 ‘이산화탄소’를 없애는 동시에 ‘전기’와 ‘수소’를 생산하는 획기적인 시스템이 개발됐다. 기후변화를 막고, 에너지를 저장하며, 미래 에너지원을 확보하는 일석삼조의 기술로 주목받고 있다.

김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 이산화탄소를 활용해 전기와 수소를 생산하는 세계 최초의 기술인 하이브리드 나트륨 금속이산화탄소 시스템(Hybrid Na-CO₂ system)’을 개발했다. 이 시스템은 물에 녹인 이산화탄소를 활용하는 전지 시스템인데, 작동 과정에서 이산화탄소는 제거하고 전기와 수소를 생산한다.

김건태 교수는 “이산화탄소 배출량 증가로 인한 기후변화에 대응하기 위해 이산화탄소 활용 및 저장기술(CCUS)이 주목받고 있다”며 “화학적으로 안정적인 이산화탄소 분자를 다른 물질로 쉽게 전환하는 게 관건인데, 새로운 시스템에서 ‘이산화탄소의 용해’로 이 문제를 풀었다”고 설명했다.

하이브리드 나트륨-이산화탄소 시스템에서 반응이 일어나는 과정 모식도

인류가 배출한 이산화탄소 대부분은 바다가 흡수해 바닷물을 산성으로 바꾼다. 이 현상에 주목한 연구진은 이산화탄소를 물에 녹여 전기화학적 반응을 유도하는 아이디어를 냈다. 산성도가 높아지면 양성자(H⁺)가 많아져 전자(electron)를 끌어당기는 힘이 커지는데, 이를 이용해 전지 시스템을 만들면 이산화탄소를 제거하면서 전기도 생산할 수 있다고 본 것이다.

하이브리드 나트륨-이산화탄소 시스템은 연료전지처럼 음극(나트륨 금속)과 분리막(나시콘), 양극(촉매)로 구성된다다른 전지와 달리 촉매가 물속에 담겨 있으며음극과 도선으로 연결된 상태다. 물에 이산화탄소를 불어넣으면 전체 반응이 시작돼 이산화탄소는 사라지고, 전기와 수소가 만들어진다. 이때 이산화탄소의 전환 효율은 50%로 높다.

반응 원리는 크게 세 단계로 정리된다. 우선 물(H₂O)에 이산화탄소(CO₂)를 불어넣으면 ① 수소 이온 즉 양성자(H)와 탄산수소 이온(HCO₃⁻)이 만들어진다. 양성자가 많아져 산성으로 변한 물은 ② 나트륨 금속에 있던 전자(e)들을 도선을 통해 끌어당기면서 전자의 흐름즉 전기를 만든다. ③ 수소 이온(H)은 전자를 만나 수소 기체(H) 변한다. 마지막으로 음극에서 전자를 잃은 나트륨 이온(Na⁺)은 분리막을 통과해 탄산수소염(HCO₃⁻)과 반응해 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 된다.

김정원 에너지공학과 석․박사통합과정 연구원(공동 제1저자)은 “이산화탄소의 전환 효율과 수소의 발생 효율을 정량 분석한 결과, 이산화탄소를 지속적으로 소모하면서 수소와 전기를 동시에 생산한다는 걸 입증했다”고 전했다.

실제로 이 시스템은 전극의 손상 없이 1000시간 이상 작동되는 안정성을 보였다. 자발적인 화학반응을 유도해 이산화탄소 활용과 제거에 응용 가능할 전망이다.

김창민 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원(제1저자)은 “이산화탄소는 화학적으로 매우 안정해 화학구조를 깨고 다른 물질로 바꾸기 매우 어렵다”며 “이산화탄소를 물에 녹여서 활용하는 방법은 현실적인 CCUS 기술로 효율적인 편”이라고 설명했다.

김건태 교수는 “이번 연구는 단순히 새로운 이산화탄소 활용 시스템에 그치지 않고 더 많은 파생 연구로 이어질 것”이라며 “전해질과 분리막, 시스템 설계, 전극 촉매 등이 개선되면 더 효과적으로 이산화탄소를 줄이면서 수소와 전기를 생산할 수 있을 것”이라고 내다봤다.

이번 연구는 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수와 조지아공대(Georgia Institute of Technology)의 메이린 리우(Meilin Liu) 교수도 함께 참여했다. 연구결과는 세계적 과학저널 셀(Cell)의 자매지인 아이사이언스(iScience)’ 11월 30(출판됐다.

‘과일집’ 에 ‘고체산화물 연료전지(SOFC)’ 설치된다

발전 효율이 높고, 사용 가능한 연료 폭이 넓어 미래 친환경 에너지원으로 주목받는 고체산화물 연료전지(SOFC). 이 전지를 활용한 시스템이 국내 최초로 UNIST 캠퍼스에 설치된다.

UNIST는 5(오후 1시 30분 학술정보관(202) 104호에서 미코와 공동연구 협력 MOU를 체결했다. 이번 협약에 따라 ㈜미코는 2kW급 SOFC 설비를 무상으로 과일집(학이 상으로 들어오는 , Science Cabin)에 설치한다. 이 설비를 중심으로 ㈜미코와 김건태 에너지 및 화학공학부 교수의 공동 연구가 추진되며, 설비 가동에 필요한 연료 공급 라인은 경동도시가스에서 지원하기로 했다.

SOFC는 수소나 탄화수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 만드는 일종의 발전기다. 고체산화물을 전해질로 이용하는 게 특징인데, 다른 연료전지에 비해 발전효율이 높다. 또 수소뿐 아니라 천연가스 같은 탄화수소도 연료로 쓸 수 있다는 장점이 있다.

고체 산화물 연료전지는 산화지르코늄이나 세리아 등의 고체산화물을 전해질로 이용하며, 수소를 연료로 사용해 공기 중의 산소와 화학반응시켜 전기를 생성한다. 전해물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극(연료극, 공기극)으로 된 연료전지는 공기 중의 산소가 공기극을 지나고 수소가 연료극을 지날 때 전기화학 반응을 통해 전기와 물, 열을 생성한다.

김건태 교수팀은 2015년 천연가스를 직접 연료로 써도 안정적인 SOFC용 전극을 개발한 바 있다. 이 기술은 SOFC 산업화를 크게 앞당겼다는 평가를 받지만, 실제 시스템에 적용하기는 어려웠다. 이번 MOU 체결로 김 교수팀의 기술을 미코의 SOFC 설비에 적용하면서 실용화 연구를 진행할 계획이다.

김건태 교수는 “LPG나 LNG 등을 곧바로 연료로 쓰는 SOFC 시스템이 완성되면 도시가스 라인을 활용한 연료전지 작동이 가능하다”며 “수소 생산과 유통이 원활해지는 수소사회가 올 때까지 천연가스를 쓰면서 수소 활용 인프라를 구축하고, 이후에는 수소를 쓰는 방식으로 활용 가능할 것”이라고 전망했다.

과일집에 설치된 SOFC 시스템은 이 건물에서 생산되는 바이오 에너지로 전기를 생산하는 데 쓰일 예정이다. 이 건물은 3명이 동시에 거주할 수 있는 ‘생활형 실험실’로 인분을 에너지로 전환해 활용하는 시스템을 구축 중이다. 정리하면 ‘똥’으로 ‘바이오 가스’를 만들고, 이걸 SOFC를 통해 ‘전기’로 바꿔서 쓰는 자원순환형 시스템이 되는 것이다.

UNIST-(주)미코의 MOU 체결식에 참석한 사람들이 과일집 앞에서 단체 사진을 찍었다. | 사진: 김경채

최성호 ㈜미코 박사는 “새로 설치될 시스템은 국내 최초로 가스안전공사의 인증을 받은 제품으로 이번 협력과 실증을 통해 SOFC의 실용화를 추진하고 나아가 바이오가스의 적용, 이산화탄소 포집을 통한 고효율 분산 발전시스템 기술을 제시할 예정”이라며 “수소 외에 다양한 연료를 쓸 수 있는 SOFC의 장점을 최대로 이용하면서 SOFC 기술 자체도 발전시킬 수 있는 좋은 기회가 될 것”이라고 밝혔다.

㈜미코는 순수 국내 기술로 고체산화물 연료전지 시스템(상표명: TUCY)를 개발한 기업이다. 이들이 개발한 2kW급 SOFC 시스템은 정격 출력에서 51.3% 발전효율을 나타내 국내 공식 최고 효율을 기록했다. 이는 지난해 상용화한 일본 교세라의 3kW 건물용 SOFC 시스템의 발전효율(52%)와 비슷한 수준이다. 이번 UNIST와의 협력을 통해 세계 최초로 SOFC에서 나오는 이산화탄소를 완전히 제거하는 시스템을 개발핸 zero CO₂ SOFC 시스템을 구현할 계획이다.

한편 이 날 협약 체결식은 SOFC와 과일집 관련 기술세미나와 함께 진행됐다. ㈜미코에서는 당사의 SOFC 기술에 대해 소개했고, UNIST에서는 과일집에서 나오는 바이오 에너지와 이산화탄소 포집 및 변환 기술 개발에 대한 설명을 진행했다. 울산시에서는 심민령 신재생에너지과장이 참석해 ‘울산 에너지 허브를 향하여’라는 주제로 발표했다.

 

금속-공기전지 성능 높일 ‘복합촉매’ 개발

저렴한 소재와 간단한 구조, 그리고 고용량의 에너지를 담을 수 있는 ‘금속-공기전지’의 효율을 높일 기술이 개발됐다. 두 가지 촉매를 함께 써서 성능을 높이는 새로운 아이디어다.

김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 금속공기전지(Metal-Air Battery)의 성능을 높일 새로운 복합촉매(SSC-HG)’를 개발했다. 서로 다른 두 촉매를 함께 쓰면서 시너지(Synergy) 효과를 얻었는데, 이 현상의 원리까지 분석해 앞으로 연구방향도 제시했다.

금속-공기전지는 금속으로 만들어진 ‘연료극’과 산소를 받는 ‘공기극’으로 이뤄진다. 산소를 금속과 반응시키면서(산화) 전기를 발생시키고(방전), 반대로 산화된 금속에서 산소를 분리하면(환원) 전기를 저장할 수 있다(충전). 공기극에 있는 촉매 성능이 좋아야 방전이나 충전이 잘 된다. 주로 백금(Pt)이나 산화이리듐(IrO₂) 등을 고성능 촉매로 썼는데, 귀금속이라 비싸고 희소하며 내구성도 낮아 대규모로 응용하기 어렵다.

귀금속 촉매의 문제를 해결하기 위해 최근에는 페로브스카이트(Perovskite) 물질이나 탄소재료 등을 이용한 새로운 촉매 개발이 추진되고 있다. 특히 두 물질을 함께 쓰면서 촉매 성능을 향상시키는 복합촉매 연구가 활발하다.

복합촉매 제작 과정

김건태 교수팀은 ‘페로브스카이트 산화물(SSC)’과 ‘3차원 질소 도입 그래핀(3DNG)’으로 복합촉매를 만들었다. 두 촉매는 따로 사용해도 일정 수준의 성능을 나타내는데, 둘을 혼합하자 시너지 효과를 나타내며 훨씬 뛰어난 성능을 보였다.

김선아 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “복합촉매를 사용하면 전지 작동환경에 더 유리한 한쪽 촉매만 성능을 발휘하는 게 일반적”이라며 “새로운 복합촉매는 두 촉매가 상호작용하며 전체적인 성능을 높였다”고 설명했다.

연구진은 복합촉매에서 우수한 성능을 보이는 까닭을 밀도함수이론(DFT)로 분석했다. 그 결과 새로운 복합촉매에서는 전기전도도가 좋은 3DNG가 SSC로 많은 전자를 전달하면서 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)에서 활성이 좋아진다는 게 밝혀졌다.

3DNG가 산소 분자에 전자를 전달해 ‘반응 에너지가 큰 산소’를 만들고, 이 덕분에 3DNG와 연결된 SSC 표면의 코발트(Co)에서 산소 분자를 끊는 산소환원반응이 더 잘 일어나게 된다. 반대로 산소 원자를 결합할 때에는 전자를 많이 가진 3DNG가 SSC의 코발트로 전자를 주면서 코발트-산소 공유결합을 강화해 산소발생반응을 더 잘 일으키게 된다.

속이 빈 원통형 촉매인 페로브스카이트 산화물(SSC, 흰색)와 평면 형태인 3차원 질소 도입 그래핀(3DNG, 검정색)이 뒤섞인 복합촉매를 표현했다. 두 물질이 혼합되면 각각 따로 사용할 때보다 월등한 촉매 성능을 보인다.

김건태 교수는 “복합촉매에서 나타나는 시너지 효과는 촉매끼리 전자 이동을 촉진한 결과”라며 “이번 분석을 참고하면 앞으로 더 효율적인 페로브스카이트탄소재료 복합촉매를 설계할 수 있을 것”이라고 말했다.

그는 이어 “차세대 고용량 배터리로 손꼽히는 리튬-공기전지의 공기극에 값싼 재료로 고성능 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “새로운 복합촉매는 성능은 물론 안정성까지도 확보해 금속공기전지 산업에 이바지할 것”이라고 기대했다.

이번 연구에는 UNIST 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수와 이준희 교수가 함께 참여했다. 연구결과는 마이크로‧나노재료 분야의 세계적 권위지인 스몰(small)’ 11월 28(표지로 선정돼 출판됐다.

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‘스스로 고성능 촉매’ 천연가스 직접 쓰는 연료전지 만든다

연료전지에서 전기 생산을 돕는 ‘촉매가 스스로 성능을 높이는 현상’이 보고됐다. 이런 현상을 보이는 촉매를 이용하면 메탄 같은 탄화수소를 직접 써도 안정적으로 작동하는 연료전지를 만들 수 있다.

김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 신지영 숙명여대 교수, 한정우 서울시립대 교수, 정후영 UCRF 교수와 공동으로 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 성능을 높일 새로운 연료극 소재(촉매)를 개발했다. 새 촉매는 연료전지가 작동과정에서 내부 물질이 표면으로 올라와 합금을 이룬다. 이 덕분에 탄화수소를 직접 써도 망가지지 않고 성능을 유지한다.

Journal of Materials Chemistry A 9월 7일자 표지

이번 연구는 ‘촉매 물질이 스스로 합금을 이뤄 반응 효율을 높이는 현상’을 최초로 보고해 ‘재료화학 A(Journal of Materials Chemistry A)’에서 ‘주목할 논문(Hot Paper)’으로 뽑혔다. 또 그 중요성을 인정받아 9월 7일(금)일자 표지로도 선정됐다.

SOFC는 공기 중 산소를 수소나 탄화수소 등의 연료와 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 유해물질 배출이 적고, 작동하면서 나오는 열(heat)까지 쓸 수 있어 발전효율이 90% 이상으로 알려졌다.

수소를 쓰면 물만 배출하는 청정 에너지원이지만, 아직 수소의 생산과 저장이 까다로워 값비싼 형편이다. 따라서 셰일가스를 비롯해 천연가스, 메탄, 프로판, 부탄가스 등의 탄화수소를 직접 쓰는 SOFC 개발이 활발하다.

문제는 기존 SOFC에 쓰이는 촉매가 탄화수소 계열의 연료를 쓰면 급격히 성능이 떨어진다는 점이다. 탄화수소 계열의 연료에 포함된 탄소나 황 등으로 촉매 표면이 오염되면서 성능이 악화된다. 이를 해결하려면 촉매 성능을 높이는 물질을 더하는 추가 공정이 필요했다.

김건태 교수 공동 연구팀은 기존 SOFC의 문제를 이중층 페로브스카이트(Layered Perovskite) 구조로 설계한 새로운 촉매로 해결했다. 전기 생산에 필요한 화학반응을 돕는 물질(코발트, 니켈)을 이중층 페로브스카이트 구조에 심어뒀다가, 연료전지가 작동하면 저절로 올라와 합금을 형성하도록 한 게 핵심이다.

촉매 내부 물질이 표면으로 올라와 합금을 이루는 과정 모식도

제1저자인 권오훈 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “코발트와 니켈은 SOFC 작동 시 효과적인 촉매 물질로 알려져 있다”며 “기존에는 전극을 만들 때 이들 물질을 추가했는데, 새로운 촉매는 SOFC 작동 시 표면으로 올라와 ‘코발트-니켈 합금’을 이루면서 성능을 유지했다”고 설명했다.

실제로 연구진이 개발한 촉매는 메탄가스를 연료로 직접 사용해 500시간 이상 전류의 강하가 전혀 없이 안정적으로 작동했다. 또 촉매의 활성화 정도만 따졌을 때도 기존에 보고된 촉매보다 4배 뛰어난 반응 효율을 보이는 것으로 확인됐다.

이번 연구를 총괄한 김건태 교수는 “기존 SOFC 연료극 소재(촉매)는 탄화수소 연료를 직접 사용했을 때 초기에 높은 성능을 보여도 오랫동안 안정적으로 작동하기는 어려웠다”며 “새로 개발한 금속 합금 촉매는 우수한 촉매 성능을 보여 연료전지의 대중화에 크게 기여할 기술이 될 것”이라고 기대했다.

시바프라카시 생고단 박사, 영국 명문대 교수로 새 출발!

시바프라카시 생고단 박사, 영국 명문대 교수로 새 출발!

“10월부터 영국에서 교수로 일하게 됐습니다. UNIST 개교했던 2009년 말부터 이곳에서 연구하면서 학교와 함께 성장한 것 같아 더 기쁩니다.”

에너지공학과 출신 시바프라카시 생고단(Sivaprakash Sengodan) 박사가 영국 명문대학 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London, ICL)’의 재료공학과 교수로 임용됐다. 임용일은 오는 10월 1일이며, 8월 말부터 한국을 떠나 새로운 곳에 적응할 준비를 한다.

ICL은 영국 런던에 위치한 세계적인 명문대학이다. 특히 공과대학은 영국의 MIT라 불리며 세계적 경쟁력을 자랑한다. 유럽 최고의 이공계 대학이라는 이름에 걸맞게 노벨상 수상자도 14명이나 배출했다.

생고단 박사는 ICL의 교수로 임용된데 대해 “신진 연구자들이 독립적으로 연구할 수 있도록 적극 지원하는 대학에서 새 출발을 하게 돼 기대가 크다”며 “그간 UNIST에서 연구해왔던 연료전지 분야의 연구 성과 덕분”이라고 임용비결을 밝혔다.

연료전지는 수소나 탄화수소를 연료로 써서 전기를 생산하는 친환경 에너지 장치로, 그 시장이 점차 확산되는 추세다. 생고단 박사는 박사 과정 동안 연료전지의 효율과 안정성을 높이는 촉매와 전극소재를 개발하는 뛰어난 성과로 주목받았다. 인도에서 고분자(polymer) 연구로 석사 학위를 받은 점을 생각하면, 연구 분야가 크게 달라졌지만, 그게 오히려 인생의 전환점이 됐다.

생고단 박사는 “유학을 준비하는 동안 절친한 친구가 한국을 권했고 가장 먼저 연락이 닿았던 곳이 UNIST의 김건태 교수였다”며 “연료전지는 고분자 연구와는 달랐지만 미래를 위한 기술이라는 점에서 매료됐다”고 연구 분야를 바꾼 계기를 밝혔다.

그는 2010년 박사학위 과정으로 입학하면서 본격적으로 연료전지 연구에 뛰어들었다. 박사 학위를 받던 2015년에는 네이처 머티리얼스(Nature Materials)에 LPG 등의 천연가스를 직접 연료로 써도 안정적으로 작동하는 전극 물질을 발표했다. 이 기술은 연료전지 대중화를 크게 앞당겼다는 평가를 받는다. 이런 성과가 모여 2015년에는 화학 분야에서 혁신적 연구를 수행한 연구자에게 수여하는 리액스 상(Reaxys Prize) 후보 10인에 오르기도 했다.

김건태 교수는 “생고단 박사는 늘 과감하게 도전하고 새로운 성취를 이뤄온 제자”라며 “UNIST가 첫 걸음을 때던 시절부터 동고동락한 제자라 임용 소식이 더욱 반갑고, 영국에서도 좋은 성과를 이어갈 것이라 믿는다”고 전했다.

생고단 박사는 영국에서도 연료전지 분야 연구를 계속할 계획이다. 어느 정도 연구기반이 마련되면 배터리 분야로 연구영역을 확장할 생각도 갖고 있다. 또 학문적 스승인 김건태 교수와도 교류하며 UNIST와의 인연도 이어갈 예정이다.

그는 “처음 본 UNIST는 아기 같았는데, 어느덧 거인처럼 크게 주목받는 기관이 됐다”며 “그동안 지도해준 김건태 교수와 UNIST에 대한 고마움을 간직하고 앞으로도 더 좋은 연구자가 되겠다”는 포부를 밝혔다.

생고단 박사 외에도 UNIST에서 공부한 외국인 동문들은 해외 각국에서 교수 및 연구원으로 활약하고 있다. 2013년에는 우즈베키스탄 출신의 학생이, 올해 초에는 필리핀 출신 학생이 각각 모국의 명문대 교수로 임용됐다. 현재 UNIST에는 2018년 7월 기준 386명의 외국인 학생과 연구원이 머무르고 있다. 학부생 198명, 대학원생 120명, 연구원 68명 등이다.

UNIST 연구진, 백금 대신 값싼 반영구 철 촉매 개발

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UNIST 연구진, 백금 대신 값싼 반영구 촉매 개발

UNIST 연구진, 백금 대신 값싼 반영구 촉매 개발백금 대체할 철 촉매를 개발한 UNIST 연구진_왼쪽부터 정후영 교수 백종범 교수 자비드 마흐무드 박사 김석진 연구원 김창민 연구원 김건태 교수.[UNIST 제공=연합뉴스]

(울산=연합뉴스) 장영은 기자 = 수소로 전기를 만드는 연료전지에 들어가는 비싼 백금 촉매를 대신할 값싼 금속 촉매를 개발했다.

UNIST는 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀과 김건태 교수팀이 2차원 유기고분자를 이용해 백금을 능가하는 철 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

2차원 유기고분자가 철을 누에고치처럼 감싸서 철을 안정적으로 보호한 게 이 기술의 핵심이다.

2018년 2월 7일자 JACS 표지 이미지

2018년 2월 7일자 JACS 표지 이미지[UNIST 제공=연합뉴스]

이 기술은 세계적인 과학저널 '나노 에너지(Nano Energy)'에 소개됐고, '미국화학회지(JACS)' 최신호 표지로 선정됐다.

연료전지는 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 만들고 물만 배출하는 장치다.

화석연료와 달리 유해한 물질을 배출하지 않아 미래 친환경에너지산업을 이끌어갈 중요한 기술이다.

연료전지로 전기를 생산하려면 산소가 물로 바뀌는 과정(산소환원반응)이 필요한데, 이때 화학 반응은 촉매 없이 진행되지 않기 때문에 연료전지에는 백금 등이 반드시 촉매로 들어간다.

백금은 촉매로서도 우수한 성능을 보이지만, 귀금속이라 비싼 데다 매장량의 한계가 있고, 오래 사용하면 녹아버리는 등 안정성도 낮아 대체하려는 시도가 꾸준히 진행됐다.

백 교수팀은 백금을 대체할 물질로 값싼 철을 이용하는 방법을 찾았다.

철을 2차원 유기고분자(씨투엔(C₂N)로 감싸서 다른 물질과 녹슬지 않도록 안정성을 확보한 것이다.

이 촉매는 백금과 같은 성능을 나타내는 것은 물론 반영구적으로 쓸 수 있는 안정성까지 확보했다.

백 교수는 "백금을 대체할 정도로 우수한 철 촉매를 개발한 이번 기술은 현대판 연금술이라고 불릴 정도로 새로운 발견"이라고 평가했다.

철 이온을 2차원 유기망상구조로 감싸는 과정

철 이온을 2차원 유기망상구조로 감싸는 과정[UNIST 제공=연합뉴스]

young@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2018/02/08 09:49 송고

Prof. Guntae Kim is selected as the top 5% of reviewers for Angewandte Chemie.

제목 없음

Last year, 151 referees provided one report or more per month, and 29 provided 18 or more in the year.

Altogether the Angewandte Chemie received ca. 17,300 referee reports from about 6000 different referees from all over the world.

It is not the sheer number of reports that we are impressed by but rather the quality.

The above two graphics show the regions of origin of submissions (Communications only) as well as the distribution of referees by country.

Overall, the journal published nearly 2600 Communications in 2016 (and Reviews, Essays, Highlights, etc.).

Prof. Kim’s efforts contributed greatly to Angewandte Chemie’s aim to publish many papers of the highest scientific quality.

15th April, 2017

Peter Goelitz

Editor-in-Chief

섞어라, ‘고성능 촉매’가 탄생할지니!

에너지 및 화학공학부 연구진이 금속공기전지의 충전과 방전 모두에서 높은 성능을 보이는 촉매를 개발했다. 이번 연구는송현곤 교수(왼쪽 끝)와 이동규 연구원(왼쪽에서 두 번째)이 주도하고, 곽상규 교수(오른쪽)와 김건태 교수(오른쪽 두 번째)도 참여했다. | 사진: 김경채, 이서연

 

충전과 방전이 가능한 ‘금속공기전지’에 꼭 필요한 촉매 기술이 개발됐다. 이 기술이 상용화돼 이차전지용 금속공기전지가 개발되면, 리튬이온전지보다 전기자동차의 주행 거리를 2배 이상 늘릴 수 있다.

에너지 및 화학공학부의 송현곤 교수팀은 금속공기전지에 쓰이는 귀금속 촉매를 대체할 ‘고성능 유무기 복합 촉매’를 개발했다. 산화물계 촉매에 전도성 고분자를 섞어 만든 이 촉매는 충전과 방전에서 모두 높은 성능을 보였다. 금속공기전지를 이차전지로 사용할 가능성이 높아진 것이다.

금속공기전지는 공기 중 산소를 연료로 사용한다. 금속을 금속이온으로 바꾸면서 뽑아낸 전자를 가지고 산소를 환원시켜 전기를 생산하는데, 이때 반응을 촉진시킬 촉매가 필요하다. 산소 환원에 가장 좋은 촉매로는 백금이 널리 알려져 있으나, 가격이 비싸고 충전 시 산소 발생 반응을 잘 일으키지 못하는 한계를 가지고 있었다.

한편, 대체 촉매로 주목 받고 있는 저가 금속의 산화물 촉매는 단독으로 사용할 경우 백금의 산소 환원 성능을 따라잡지 못한다. 이에 송현곤 교수팀은 기존 산화물 촉매에 유기 고분자인 ‘폴리피롤(polypyrrole)’을 섞어 산화물 촉매의 성능을 획기적으로 향상시켰다. 이 촉매를 사용해 금속공기전지를 충‧방전시키자 백금보다 뛰어난 성능을 보였다.

전지의 양극에서 산소 환원 반응은 4단계로 나뉘는데 속도가 가장 느린 첫 번째 단계에 폴리파이롤이 관여를 하면서 촉매반응이 개선된다.

제1저자로 이번 연구에 참여한 이동규 에너지 및 화학공학부 석‧박사통합과정 연구원은 “폴리피롤은 산소를 끌어당겨 산화물 촉매에 넘겨주는 도우미 역할을 한다”며 “다양한 산화물계 촉매에 적용이 가능하다”고 설명했다.

송현곤 교수는 “이번에 개발한 촉매는 화학적인 결합을 위한 추가적인 열처리 과정이 없어 공정이 쉽고 대량생산에 용이하다”며 “금속공기전지뿐 아니라 수소연료전지의 촉매로도 고성능을 발휘할 수 있어 에너지 분야에서 크게 기여할 것”이라고 평가했다.

이번 연구에는 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀과 곽상규 교수팀이 함께 참여했다. 연구 결과는 에너지와 환경 분야에서 세계적인 저널인 ‘에너지 환경 과학(Energy & Environmental Science)’ 1월 9일자 온라인판에 게재됐다.

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쓰고 남은 전기, 수소로 저장! ‘거꾸로 연료전지’

수소 생산 효율을 높인 '고체산화물 수전해전지'를 개발한 김건태 교수팀이 수소 발생 장면을 살피고 있다. 왼쪽부터 전아름 연구원과 김건태 교수 | 사진: 김경채

 

전기를 수소로 저장했다가, 필요할 때 다시 발전시키는 전지가 개발됐다. 물을 재료로 써서 전기를 수소로 만들고, 이 수소로 다시 전기를 만드는 기능이 하나의 전지에서 안정적으로 이뤄진다.

김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀과 신지영 동의대 교수는 연료전지의 역반응을 이용해 수소를 대량으로 생산할 수 있는 ‘고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)’를 개발했다. 연료전지는 수소를 공기 중 산소와 결합시켜 전기와 물을 만드는 장치다. 수전해전지는 거꾸로 물을 전기로 분해해 수소와 산소를 생산하게 된다.

이론적으로 고체산화물 전지는 연료전지와 수전해전지의 기능을 모두 수행할 수 있다. 그러나 아직까지 두 기능이 모두 안정적으로 작동하는 경우는 드물었다. 이번에 개발한 고체산화물 수전해전지는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 효율을 높였을 뿐 아니라, 연료전지 기능도 안정적으로 수행했다. 고체산화물 수전해전지의 연료극(양극)과 공기극(음극) 소재를 이중층 페로브스카이트(Layered perovskite)로 적용한 덕분이다.

이번 연구로 개발된 고체산화물 수전해전지에 대한 기대효과. 1cm x 1cm 크기의 고체산화물 수전해전지로 물을 분해할 경우 1시간 동안 약 0.9L의 수소가 만들어진다. 이는 수소자동차가 25km를 주행할 수 있는 양이다.

김건태 교수는 “이번에 개발한 고체산화물 수전해전지를 사용하면 가로세로 각 1㎝인 전지에서 1시간 동안 약 0.9L의 수소를 생산할 수 있는데, 이는 기존 연구보다 1.5배 이상 수소생산량을 높인 결과”라며 “600시간 이상 장기간 사용해도 성능 감소 없이 높은 수소 생산 효율을 보였다”고 설명했다.

이중층 페로브스카이트는 기존 페로브스카이트 소재와 비교해 수소 생산 성능이 뛰어나고 산소 수용력도 월등하다. 이 덕분에 산소가 생산되는 공기극에서 산소 분압이 급격히 높아져도 전극이 떨어져나가거나 성능이 악화되지 않았다. 또 수소가 만들어지는 연료극에서도 변형 없이 장시간 작동이 가능했다.

제1저자인 전아름 UNIST 에너지 및 화학공학부 석․박사통합과정 연구원은 “고체산화물 수전해전지의 장점은 이산화탄소(CO₂) 배출 없이 수소를 생산하는 것”이라며 “고온에서 물의 전기분해가 일어나기 때문에 수소 변환 효율도 높다”고 말했다.

현재 90% 이상의 수소가 탄화수소를 활용해 생산되므로 이산화탄소 배출을 피할 수 없다. 반면 고체산화물 수전해전지는 물과 전기만 이용하기 때문에 이산화탄소 없이 수소를 생산할 수 있다. 이를 태양열․풍력 등의 신재생에너지와 연계하면 전기 공급부터 수소 생산까지 전 범위에서 오염물질 없는 시스템을 구축할 수 있다.

SOEC는 SOFC의 역반응으로 작동한다. 태양열, 풍력 등의 신재생에너지를 활용해 물을 전기분해하면 수소를 생산할 수 있다. 이때 생성된 수소는 전기가 필요할 때 다시 SOFC를 작동해 발전에 사용할 수 있다.

김건태 교수는 “신재생에너지의 가장 큰 약점은 기후 조건이 좋을 때만 간헐적으로 전기 생산이 가능하다는 것”이라며 “고체산화물 수전해전지로 전기를 수소 에너지로 변환하고 저장함으로써 이런 단점을 극복할 수 있을 것”이라고 전망했다.

그는 이어 “고체산화물 수전해전지로 생산한 수소는 수소연료전지 자동차나 발전용 연료전지 등 수소 인프라에 사용할 수 있다”며 “이번에 개발한 전지가 상용화되면 ‘파리 협정’ 타결로 우리나라에 할당된 온실가스 감축 부담을 줄이는 동시에 수소경제시대를 앞당길 수 있는 계기가 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구 결과는 응용화학 분야 세계적 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 26일자에 ‘가장 주목받는 논문(Hot Paper)’으로 선정돼 출판된다. 연구 지원은 미래창조과학부, 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업을 통해 이뤄졌다

‘촉매’처럼 사람들을 이어주는 연구자

위 ‘잘나간다’는 학자를 만나면, 가끔은 삐딱한 마음이 든다. 과거의 성과에 취해 앞으로의 계획은 부실한 경우를 종종 보기 때문이다. 김건태 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수를 만나기 전에도 그런 마음이 조금은 있었다. 최근에 연달아 좋은 성과를 내서 연구 의욕도 조금 떨어져 있지는 않을까. 그래서 정상적인 인터뷰라면 마지막쯤에 할 질문인, 앞으로의 계획을 먼저 물었다.

연구에 앞서 ‘친화력’ 키워

“구체적인 계획은 딱히 없습니다. 어떤 연구를 앞으로 어떻게 하겠다보다 더 중요한 건 교육입니다. 학생들을 잘 가르쳐서, 학생들이 잘 배우고 즐거울 수 있었으면 합니다.”

야망에 찬 학자라면 어려운 말을 써가며 아직 밝혀지지 않은 연구 분야나 상업화 등을 이야기하기 마련인데, 학생들과 한번 잘해보겠다는 대답은 낯설었다. 실제로 인터뷰를 하는 동안 그가 학생들과 대화를 나누는 모습을 보면 그가 추구하는 게 어떤 것인지 어렴풋이 추측할 수 있었다. 사적으로는 학생들과 스스럼없이 지내면서, 연구에 관한 이야기를 할 때는 사뭇 진지했다.

김건태 교수가 자신의 페로브스카이트 모형을 손에 들고 미소짓고 있다. | 사진: 이서연

“새로운 학생이 오면 ‘실험실에 적응하는 게 먼저’라고 말해줍니다. 실험실이란 작은 사회에서 좋은 관계를 맺어, 아침에 일어났을 때 기분 좋게 실험실에 올 수 있어야 연구도 잘 하게 됩니다.”

김 교수는 연료전지의 촉매를 개발하는 과학자다. 촉매란 반응에 참여하는 물질 간의 효율을 높여주는 물질을 말한다. 효율이 중요한 공학에서 촉매가 필요하지 않은 곳은 없다. 그렇기 때문에 촉매를 연구하는 김 교수의 실험실은 다른 실험실과 공동 연구를 유달리 많이 진행한다. 이때 김 교수 실험실 학생들이 평소 갈고 닦은 친화력(?)은 공동 연구자와 좋은 관계를 맺고, 활발한 토론을 하는 데 큰 도움이 된다.

실제로 김 교수가 2015년 11월에 학술지 ‘앙게반테 케미’에 발표한 논문은 같은 학과 송현곤 교수와 같이 연구한 결과다. 2014년 12월 ‘네이처 머티리얼스’에 발표한 결과는 신지영 동의대 교수 등과 함께 한 연구였다.

이런 연구들은 대개 재료에 강한 공동 연구팀이 연료전지의 음극과 양극에 쓸 새로운 재료를 개발하고, 김 교수가 효율 좋은 촉매를 만들어 전지를 연결해 효율을 측정하는 방식으로 이뤄진다. 그는 “뛰어난 공동 연구자들 덕분에 좋은 성과를 냈는데 내가 주목을 받아 쑥스럽다”고 밝혔다.

고분자 연료전지 다음은, 세라믹 연료전지

연료전지는 기본적으로 수소와 산소를 반응시켜 전기를 만든다. 현재는 크게 두 가지 재료가 시장을 양분하고 있다. 고분자 연료전지는 상용화 단계에 접어들어 연료전지 자동차, 휴대용 전지 등에 사용되고 있다.

고분자 연료전지는 크기도 작고 상대적으로 낮은 온도에서도 반응한다. 상용화에 성공한 것도 이런 장점들 때문이다. 고분자 연료전지를 충전하기 위해서는 아주 순도가 높은 수소가 필요하기 때문에 가격이 만만치 않다는 단점이 있다.

세라믹 연료전지는 크기도 크고 반응 온도도 높다. 온도가 높다 보니 연료전지 내부에서 불필요한 반응이 일어날 수 있어 아직까지는 안정성이 떨어진다. 순수한 수소 이외에 다른 재료를 사용할 수 있는 것이 세라믹 연료전지의 장점이다.

김 교수가 2014년 개발한 세라믹 연료전지는 프로판(도시가스의 주요 성분)을 사용해 연료를 충전하는 방식이다. 그의 실험실 한켠에서는 도시가스 관을 끌어다 연료전지를 이용해 전기를 만드는 실험이 한창이었다. 김 교수는 “연료전지는 에너지 부족을 해결할 수 있는 고효율 에너지원으로, 환경을 지키는 데도 도움이 된다”고 말했다.

[연구실 人사이드] “자기의 일은 스스로 하자~”

김건태 교수의 연구실 사람들이 공학관 로비에서 활짝 웃고 있다. | 사진: 이서연

교수와 학생이 친하기 때문에 교수가 뭐든 해줄 거라고 생각하는 것은 오산이다. 김건태 교수 실험실 학생들은 논문을 반드시 직접 써야 된다. 영어도 서툴고, 실험 결과를 보여주는 것도 서툰 학생들이 답답해서 보통은 지도교수가 이리저리 손을 대기 마련인데, 김 교수는 모든 것을 학생에게 맡긴다.

“자기가 직접 논문을 써봐야 어떤 연구를 한 것인지 비로소 알게 된다. 대신 다른 사람들보다 더 자주 학생들이랑 만나 구성과 결과를 계속 토론한다.”

김건태 교수 실험실 학생들은 기계, 에너지, 생물, 고분자 등 배경이 다양하다. “이런 다양한 배경들이 연료전지 개발에 도움이 된다”고 그는 설명했다. 그 중에서도특별히 유리한 것이 있냐는 기자의 질문에 “전기화학을 잘 하면 좋다”고 답했다.

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“귀금속은 가라”… 싸고 좋은 ‘촉매’ 나왔다

비싼 백금계 촉매를 대체할 새로운 촉매를 개발한 연구진의 모습. 왼쪽부터 김건태 교수, 김창민 연구원, 김선아 연구원, 백종범 교수, 주용완 박사의 모습이다. | 사진: 김경채

수소연료전지와 금속-공기전지를 싸게 만들 길이 열렸다. 전체 가격의 20~30%를 차지하는 백금계 촉매를 대신할 물질이 개발됐기 때문이다. 철과 그래핀을 활용한 이 촉매는 1g 당 200~300원이면 제조 가능해 경제적 효과가 상당할 전망이다.

에너지 및 화학공학부의 김건태·백종범 교수팀은 수소연료전지나 금속-공기전지에 쓰일 ‘철-탄소 복합체 촉매(Fe@NGnP-CNF)’를 개발했다. 소량의 ‘철(Fe)’과 ‘그래핀 나노 플레이트(graphene nano plate, GnP)’를 이용해 만든 이 촉매는 값비싼 백금계 촉매를 대체할 저비용 고성능 촉매로 주목받고 있다.

현재 수소연료전지에 필수적으로 들어가는 촉매는 귀금속인 백금을 활용한다. 그런데 백금은 1g 당 8~9만 원으로 비싸 촉매 가격 자체가 높아진다. 이 문제를 해결하기 위해 많은 연구자들이 백금계 촉매를 대체할 물질을 찾아왔다. 그러나 새로운 촉매를 만들더라도 제작 공정이 복잡하거나 대량생산이 불가능하다는 문제점이 있었다.

김건태·백종범 교수팀이 새로 개발한 촉매는 백금계 촉매만큼 성능이 우수하다. 게다가 기존에 알려진 ‘볼밀링(ball milling) 공정’과 ‘전기방사기법(Electrospinning)’을 이용하므로 제작 공정이 간단하고 대량생산도 가능하다는 장점이 있다.

철과 질소가 포함된 그래핀 나노 플레이트를 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 용액에 분산시킨 복합체 용액을 전기방사를 통해 섬유상의 복합체로 제조한다.

볼밀링 공정은 용기 내에 금속 볼과 흑연, 합성할 원소를 넣고 회전시키는 공정이다. 이때 그래핀에 질소(N)나 철(Fe) 등이 합성된다. 이렇게 만들어진 철과 질소가 함유된 그래핀 나노 플레이트(Fe@NGnP)를 나노 섬유를 구성하는 용액에 넣고, 전압을 걸어주는 전기방사기법을 쓰면 탄소복합체 섬유(Fe@NGnP-CNF)가 만들어진다.

이번 연구를 주도한 주용완 에너지 및 화학공학부 연구교수는 “잘 알려진 기술을 이용해 제조한 철-탄소 복합체는 귀금속 촉매를 사용하는 여러 전지에서 활용할 수 있는 중요한 발명으로 주목받았다”며 “공정이 간단하고 대량생산이 가능하다는 측면이 가장 큰 장점”이라고 설명했다.

이 물질은 특히 리튬-공기전지의 촉매 물질로 뛰어난 성능을 보였다. 리튬-공기전지에서 촉매는 공기 중의 산소 분자를 산소 원자로 환원시켜 리튬과 반응하도록 만드는 핵심 물질이다. 산소의 환원 반응이 빠르게 일어날수록 전지의 성능이 좋아진다. 연구진이 개발한 Fe@NGnP-CNF는 금속공기전지의 촉매 물질로 사용되는 고가의 백금계 촉매와 유사한 전기화학적 성능을 보였다. 장기적인 성능은 백금계 촉매보다 안정적이었다.

a와 b는 Fe@NGnP의 단면을 주사전자현미경으로 촬영한 이미지. 직경 약 200나노미터인 탄소나노섬유의 표면에 철과 질소가 포함된 그래핀 나노 플레이트가 고르게 분산된 것을 확인할 수 있다.

김건태 교수는 “철과 질소가 포함된 그래핀 나노 플레이트를 이용한 탄소복합체 촉매는 산화그래핀을 비롯한 기의 탄소 촉매에 비해 내구성과 성능이 뛰어나며 저비용 대량 생산이 가능해 금속-공기전지 및 연료전지의 상용화를 가속시킬 수 있다”며 “다양한 촉매 과학 (Catalyst Science)에 활용될 수 있다”고 평가했다.

이번 연구 결과는 12월호 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐으며, 내용의 우수성을 인정받아 표지로도 선정됐다. 어드밴스드 사이언스는 재료공학의 세계적인 권위지인 어드밴스드 메터리얼(Advanced Materials) 자매지다.

이번 연구는 산업통상자원부 산하 한국산업기술평가관리원의 ‘IT/R&D 사업’과 미래창조과학부의 ‘중견연구자지원사업’, 한국연구재단의 ‘창의적연구진흥사업’에서 지원받아 진행됐다.

전기 잘 흐르는 ‘촉매’가 좋은 전지 만든다

왼쪽부터 시계방향으로 송현곤 교수, 김건태 교수, 곽상규 교수, 김수환 연구원, 권오훈 연구원, 이동규 연구원 | 디자인: 이덕기

전지의 성능을 높이려면 ‘전기가 잘 흐르는 촉매를 쓰면 된다’는 연구결과가 나왔다. 공기 중의 산소를 이용해서 전기를 만들어내는 수소연료전지나 차세대 금속공기전지의 발전에 크게 기여할 전망이다.

에너지 및 화학공학부의 송현곤, 김건태, 곽상규 교수 공동연구팀은 연료전지 등 공기 중 산소를 이용하는 전지의 촉매를 연구한 결과를 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 11월 16일자에 발표했다. 이번 연구는 촉매의 전기 전도도에 따라 전지 성능이 결정될 수 있다는 원리와 구체적인 증거를 제시한 최초의 성과다.

수소연료전지나 금속공기전지는 양극에서 공기 중의 산소를 받아들여 전기화학반응을 일으킨다. 연료로 수소나 금속을 사용하고, 이 물질들을 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 것이다. 이때 양극에서는 산소(O₂)를 산소 원자(O)로 쪼갠 뒤 음극에서 나온 전자를 반응하게 만드는 것이다. 촉매는 이 반응을 촉진하기 위해 들어간다.

일반적으로 전지의 양극이나 음극에 쓰인 물질의 전기 전도도가 높으면 전기화학반응이 잘 일어난다. 전기가 잘 흘러서 반응의 양도 늘어나기 때문이라는 게 지금까지의 생각이었다. 그런데 UNIST 공동연구팀은 이 반응에서 촉매의 전기 전도도가 반응의 양뿐만 아니라 질적인 면에서도 중요한 역할을 한다는 점을 밝혀냈다.

전기 전도도가 뛰어난 촉매일 경우(왼쪽) 산소 원자 4개가 한꺼번에 환원되는 반응이 잘 일어났다. 이는 전지 성능을 높이게 된다.

송현곤 교수는 “산소 분자가 전자를 얻는 과정을 ‘산소환원’이라고 하는데 이 반응이 연료전지나 금속공기전지가 작동하는 기본 원리”라며 “촉매 주변의 전기 전도도를 높이면 산소 분자가 전자를 더 많이 받아서 산소환원이 잘 일어나고 결과적으로 더 많은 전기를 만들게 된다”고 설명했다.

연구진은 전기 전도도가 서로 다른 세 종류의 산화물 촉매를 만들어 실험했다. 그 결과 전기 전도도가 높아짐에 따라 전자 4개가 반응하는 완전환원 반응이 많아졌다. 산소환원 반응은 전자 4개가 한번에 움직이는 완전환원 방식과 전자 2개가 두 번 움직이는 방식이 있다. 일반적으로 완전환원이 많을수록 더 좋은 촉매로 본다.

송 교수는 “이번 연구는 김건태 교수팀에서 전기 전도성 산화물을 만들고, 곽상규 교수팀에서 이론 계산을 함께 해줘 가능한 성과였다”며 “전지가 작동하는 기본적인 원리를 밝히고 싶은 생각은 있었지만 두 교수팀의 지원이 없었다면 해낼 수 없었을 것”고 말했다.

이번 연구에 제1저자로 참여한 이동규 UNIST 석‧박사통합과정 연구원은 “이번 연구로 촉매와 산소환원 반응의 물리화학적 상관관계를 규명할 수 있었다”며 “앞으로 전도성이 높은 촉매를 개발하게 되면 수소연료전지나 차세대 금속공기전지의 발전에 도움이 될 것”이라고 말했다.

이 연구는 미래창조과학부 중견연구자지원사업과 BK21플러스사업의 지원으로 수행됐다.

연료전지 향한 뚝심, 세계적 기술 만들다

김건태 에너지 및 화학공학부 교수는 고체 산화물 연료전지 분야를 꾸준히 개척하고 있는 연구자다. 그는 연료전지가 상용화돼 친환경적으로 에너지를 쓸 수 있는 날을 꿈꾸고 있다. | Design by Sujin Choi, Photography by Kyungchae Kim

 

“연료전지 시대는 반드시 옵니다. UNIST에서 탄생한 이 기술들이 힘을 발휘할 날도 머지않았습니다.”

김건태 에너지 및 화학공학부 교수는 국내에서 드문 연료전지 전문가다. UNIST에서도 이 분야를 전문적으로 파고드는 연구자는 김 교수가 유일하다. 그는 ‘연료전지는 미래에 꼭 필요한 에너지원’이라는 믿음으로 이 분야에 집중해왔다. 현재 상대적으로 주목받는 이차전지나 태양전지 등으로 눈을 돌리지 않았다.

그의 이런 뚝심이 최근 좋은 결실을 맺고 있다. 지난해 연말 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 실린 논문이 대표적이다. 천연가스를 직접 쓸 수 있는 고체 산화물 연료전지 연료극을 개발한 연구다. 이 기술은 지난 10일에는 산업통상자원부가 주관하는 ‘이달의 산업기술상’에도 선정됐다.

김건태 교수는 “연료전지 분야에 집중하면서 쌓은 실력과 이 과정에서 얻은 성과를 인정받은 것 같아 기쁘다”며 “UNIST 학생들과 장비가 없었다면 이루지 못했을 ‘순수한 UNIST 기술’이라는 점에서 의미가 더 크다”고 말했다.

“연료전지 연구 시작은 우연이었는데 평생 ‘인연’이 됐습니다”

“장래희망에 늘 ‘과학자’라고 썼으니 꿈을 이룬 셈이죠. 그런데 연료전지 연구자가 될 줄은 몰랐습니다. 연구자와 연구 분야도 인연이 있는 것 같아요.”

김 교수도 유학 가기 전에는 리튬이온전지 분야를 연구하던 학생이었다. 특이한 점이라면 고체 분자 구조에 밝다는 정도였다. 당시 대학원 지도교수가 고체 핵자기공명(Solid State NMR) 장치를 들여왔는데, 이 장치 운영을 김 교수에게 맡겼다. 그 바람에 김 교수는 리튬 등을 고체 상태에서 구조를 보는 데 익숙해졌다.

그런데 박사를 받으러 떠난 유학길에서 난관을 만났다. 그가 합격한 휴스턴대학교에는 리튬이온전지를 연구하는 교수가 없었던 것이다. 그는 “전공 분야가 없어 앞이 캄캄했지만 화학과에서 가장 유명한 교수를 찾아가기로 했다”며 “당시 휴스턴대 화학과를 주도하던 교수의 분야가 연료전지였고 그 사람의 연구실에 들어가게 됐다”고 말했다.

지도 교수와의 인연으로 전공을 바꿨지만 큰 어려움은 없었다. 고체 분자 구조를 보는 데 익숙한 데다 리튬이온전지에 대한 지식도 도움이 됐기 때문이다. 이후 김 교수는 고체 산화물 연료전지에 집중하게 됐다.

“연료전지와 만남은 선택이 아닌 우연이었지만 그게 인연이 됐습니다. 학생들이 종종 찾아와서 어떤 분야로 갈지 상담하는데 그때마다 ‘도전하라’고 말해줍니다. 우연히 마음에 들어온 그 생각이 평생 인연이 될지도 모르니까요.”

‘연료전지 완전체’에 도전… 집집마다 도시가스로 전기 만든다

김 교수는 박사 과정 때 고체 산화물 연료전지 두 전극 중 연료극(양극)을 연구했다. 박사 학위를 받은 뒤에는 펜실베이니아대 박사 후 연구원으로 활동할 때는 공기극(음극)을 다뤘다. 그는 “연구를 많이 하고 논문을 많이 내는 교수를 찾다 보니 음극까지 다루게 됐다”며 “그 덕분에 지금은 ‘연료전지 완전체’를 연구할 수 있게 됐다”고 말했다.

연료전지에 몰두하던 그는 효율을 높일 소재를 고민하다가 ‘이중층 페로브스카이트’라는 구조도 개발했다. 물리학자들이 연구한 논문까지 뒤졌는데, 거기서 아이디어를 얻은 것이다. 그가 개발한 이중층 페로브스카이트는 일반 페로브스카이트보다 산소가 잘 이동하고, 표면특성도 우수해 연료전지의 성능을 높이는 데 기여한다.

고체 분자 구조부터 연료전지의 음극과 양극까지 섭렵한 김 교수는 UNIST에서 연구의 꽃을 피웠다. 이중층 페로브스카이트 구조의 물질을 공기극과 연료극에 접목하면서 성과는 지속됐다. 2009년부터 꾸준히 진행한 연구 결과 연료전지의 효율을 높이고, 천연가스도 직접 연료로 활용할 길을 열었다. 탄소가 연료극 표면에 쌓이거나 황 불순물 때문에 쓸 수 없었던 문제를 해결한 것이다.

김 교수는 “새로 개발한 물질을 사용하면 집집마다 연결된 도시가스를 이용해 발전할 수 있다”며 “전기 생산은 물론 폐열로 온수도 공급할 수 있어 전기세도 절감하고 전력대란도 피할 수 있다”고 설명했다. 그는 이어 “연료전지 분야에서 원천기술을 확보한다는 점에서 보람을 느낀다”며 “아직은 피부로 닿지 않지만 연료전지 시대가 오면 우리 기술이 빛을 발할 것”이라고 기대했다.

그래핀 단점 극복해 다이 하드(Die Hard) 연료전지 시대 열다

백종범 교수와 이번 연구성과를 표현한 그림이다. 금속볼의 운동에너지에 의해 분쇄된 흑연의 탄소-탄소 결합이 끊어지면서 활성 탄소가 생성되고 이렇게 생성된 활성탄소의 높은 반응성이 탄소-안티몬 결합을 형성한다.

그래핀의 단점을 극복해 연료전지를 영구히 사용할 수 있는 길이 열렸다.

UNIST(총장 조무제) 백종범 교수(에너지 및 화학공학부) 연구팀은 그래핀에 ‘안티몬(Antimony)’이라는 준금속을 도입해 전기화학적 촉매 특성을 극대화했다.

안티몬이 도입된 그래핀을 투과전자현미경으로 분석한 결과, 안티몬이 그래핀 가장자리에만 선택적으로 붙어 있음을 확인했다. 또 전기화학적 활성이 우수하고, 10만 번을 사용해도 처음과 동일한 촉매 활성을 유지해 높은 안정성을 보였다. 연료전지의 촉매에 이를 적용할 경우 영구적으로 사용 가능하다.

안티몬은 금속과 비금속의 중간 성질을 가진 화학 물질로 그래핀에 도입된 것은 이번이 세계 최초다. 그래핀을 연료전지의 촉매로 적용할 경우 기존 백금 촉매의 활성을 능가할 수 없으나 안티몬이 도입된 그래핀의 경우 활성과 안정성 모두 값비싼 백금 촉매를 능가했다.

백종범 교수는 “준금속인 안티몬을 그래핀에 도입해 기존연구에서 발견하지 못했던 새로운 특성을 가진 그래핀의 제조가 가능해졌다”며 “그래핀이 다양한 분야로 상용화될 계기를 마련한 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 자연과학분야의 세계적 권위지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 22(금)일 게재됐다.

그래핀은 뛰어난 물리, 전기, 화학적 성질을 지녀 다양한 분야에서 응용이 가능하다. 하지만 그래핀은 탄소로만 이루어져 촉매로 사용 시 전기화학적 활성이 떨어진다. 이를 보완하기 위해 이종원소(질소, 산소, 등)를 도입해야 하는데 이종원소의 도입 자체가 어려울 뿐만 아니라 도입하더라도 그래핀의 결정성이 손상돼 전기적 특성이 저하된다.

백 교수 연구팀은 쇠구슬을 이용해 흑연을 얇게 깨뜨리는 기계화학적공정(볼밀링)으로 준금속인 안티몬을 그래핀 가장자리에 도입해 그래핀의 결정성(전기적 특성)을 그대로 유지했다. 쉽고, 친환경적인 공정으로 이종원소를 그래핀 가장자리에 도입한 것이다.

백 교수는 “이 기술이 포함된 그래핀 대량 생산기술이 지역 중견업체인 덕양(주)에 이전되어 양산 준비 중이다”며 “지역 산업 발전은 물론 국가 산업을 위한 원천소재공급에도 크게 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)의 ‘중견 및 리더연구자 지원사업’의 지원을 받았으며, UNIST의 김건태 교수(공동저자), 정후영 교수(공동교신저자), 박노정 교수(공동교신저자), 전인엽 박사(제1저자)가 공동으로 참여했다.

천연가스로 전기 만드는 연료전지, 들어보셨나요?

자원고갈과 환경오염은 21세기 인류에게 닥친 큰 위기들이다. 이 문제를 해결하기 위해 수많은 과학자들이 친환경 에너지를 개발하기 위해 노력하고 있다. UNIST 에너지 및 화학공학부에도 이 분야 연구를 꾸준히 진행하며 새로운 대안을 찾는 연구자들이 많다.

김건태 교수는 연료전지를 주제로 연구를 진행하는 과학자다. ‘고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)’의 상용화를 위한 과제를 해결하고 있는 그는 작년 8월에 이어 12월에 또 굵직한 연구 성과를 내놓았다. 논문이 게재된 저널은 재료 및 물리 분야 세계 최고 군위의 학술지인 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’다. 이 논문을 중심으로 김 교수와 일문일답을 나눴다.

Q. 김 교수님께서는 최근 ‘네이처 머티리얼스’에 논문을 게재하셨습니다. 이번 연구에 대한 간략한 소개를 부탁드립니다.

A. 이 연구에서 천연가스나 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소 연료를 직접 사용할 수 있는 고체 산화물 연료극 물질을 개발했습니다. 고체 산화물 연료전지는 수소나 탄화수소를 공기와 반응시켜 전기를 발생시키는데요. 전기 외에는 물만 발생하기 때문에 가장 이상적인 친환경 에너지원으로 손꼽힙니다. 게다가 다른 발전원에 비해 가격이 저렴하고, 배출되는 열까지 활용한다면 발전 효율이 95% 이상입니다. 신재생에너지 중 가장 뛰어난 셈이죠.

이번에 새로 개발한 전극 소재는 수소뿐 아니라 아닌 탄화수소를 직접 활용할 수 있다는 게 특징인데요. 안정성을 갖췄을 뿐 아니라 성능도 높다는 걸 확인했습니다. 700℃에서 프로판을 연료로 사용했을 때 탄소 침적이 일어나지 않았고, 500시간 이상 안정성을 평가한 결과 전압이나 전류가 낮아지지 않았습니다. 지금까지 보고된 것 중에는 세계 최고의 성과입니다.

또 수소나 프로판을 연료로 사용했을 때 기존에 보고된 전극 소재보다 뛰어난 출력 성능과 안정성을 보였습니다. 이로써 천연가스나 LPG 같은 탄화수소 계열 연료를 연료전지로 직접 활용할 수 있다는 걸 확인했습니다.

Q. 이번 연구 성과의 중요한 점은 무엇이고, 앞으로 어떤 분야에서 활용되는지 궁금합니다.

A. 고체 산화물 연료전지를 개발하는 데 있어서 가장 중요한 부분은 재료입니다. 고체 산화물 연료전지는 800℃ 이상의 고온에서 구동되기 때문에 비용이 많이 들고, 내구성도 떨어지는 단점이 있습니다. 따라서 700℃ 이하의 중․저온에서 고성능을 낼 수 있는 고체 산화물 연료전지 개발 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다.

이번 연구에서 개발된 물질은 이중층 페로브스카이트(doble perovskite) 시스템인데요. 열적․화학적 안정성을 가지고, 전기 전도도와 산소 이온의 이동속도가 뛰어나며, 수소와 탄화수소 연료의 산화 반응에 좋은 촉매 활성을 보입니다. 따라서 이번에 개발된 연료극 물질을 활용하면 고체 산화물 연료전지의 제작비용을 절감하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

Q. 이번 연구 성과가 상용화될 경우 어떤 미래가 펼쳐지게 되나요? 또 그런 미래가 오는 데 어느 정도 시간이 걸릴지도 여쭙겠습니다.

A. 지난해 세계 연료전지 시장은 1조 8000억 원 규모로, 연평균 85% 성장세를 보였습니다. 최근 국내에서도 연료전지 사업에 LG, 두산, 포스코에너지 등 대기업이 제조 분야에서 시장을 선도하고 있습니다. 또한 연료전지 수요가 증가하면서 연료전지 전성기가 다가오고 있다는 기대감이 커지는 형편입니다.

이번 연구로 개발된 연료극 물질을 상용화 시스템에 적용하게 된다면 각 가정에 소형 고체 산화물 연료전지를 설치할 수 있게 됩니다. 이 연료전지 시스템에서는 수소를 따로 공급할 필요 없이 이미 설치된 가스관을 통해 천연가스를 공급할 수 있습니다. 이로써 전기를 생산하고 이 때 발생하는 폐열은 온수공급에 사용할 수 있을 것입니다. 이러한 자가발전이 이뤄진다면 전기세는 현재보다 절반 이하로 줄일 수 있으며, 해마다 반복되는 전력대란 역시 피할 수 있습니다.

물론 이런 시스템이 상용화되려면 고체 산화물 연료전지를 대면적에서 구현하고, 발전 시스템을 적용해 검증하는 등 여러 관문이 남아 있습니다. 하지만 스텍(stack) 단위의 기술을 보유하고 있는 기업이나 연구기관과 협력한다면, 머지않아 이번 연구로 개발한 연료극 물질을 사용한 고체 산화물 연료전지로 만든 전기로 TV를 볼 수 있을 겁니다.

Q. 이번 연구 결과를 얻는 데 결정적으로 도움이 됐던 아이디어나 사람이 있을까요? 연구 관련 에피소드를 이야기해주시면 감사하겠습니다.

A. 작년 8월 출력 성능과 안정성이라는 두 마리 토끼를 잡은 고체 산화물 연료전지 공기극 물질을 개발해 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 보고했습니다. 이 물질은 이번 연구에서 개발한 물질과 동일한 이중층 페로브스카이트 시스템인데요. 산소환원 반응이 빠르기 때문에 저온에서 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. ‘이런 장점을 살려 연료극에도 적용시켜 보면 어떨까’ 라는 것이 이번 연구의 시작이었습니다.

이번 연구에서는 특히 인도에서 온 대학원생의 기발한 아이디어가 돋보였습니다. 연료극에 적용할 수 있는 물질을 개발하라는 제 아이디어에 자기 자신만의 노하우(know-how)와 인도 학생의 특유의 창의성이 잘 결합돼 좋은 연구 성과가 나온 것 같습니다.

Q. 다음부터는 공통 질문 드리겠습니다. UNIST는 단기간에 빠르게 성장한 대학교입니다. 이 비결을 무엇이라고 보시는지, 또한 앞으로 학교가 더 성장하기 위해 필요한 것은 어떤 것이라고 생각하시는지 말씀해주시면 감사하겠습니다.

A. UNIST는 연구중심대학으로서 연구 인프라가 잘 갖춰져 있고, 연구할 의지가 있는 교수와 학생이 잘 화합할 수 있는 연구 분위기가 형성돼 있는 게 가장 큰 장점입니다. 특히 연구지원본부(UCRF)는 어디에 내놓아도 손색 없을 만큼 뛰어난 첨단 분석 장비를 보유하고 있어 연구자들이 효율적이고 효과적으로 장비를 이용할 수 있습니다.

UNIST가 한층 성장하기 위해 더 뛰어나고 창의적인 연구를 위해 연구 성과가 좋은 학생들을 추가로 지원해주는 방안이 있으면 좋겠습니다. 그리고 학생들이 연구뿐만 아니라 방과 후에도 자신을 충전을 할 수 있도록 다양한 먹거리를 선택할 수 있게 해줬으면 합니다.

Q. 교수님의 꿈은 무엇인가요? 혹은 가까운 미래에 이루고 싶은 목표를 말씀해주십시오.

A. 제 자신뿐 아니라 UNIST에 있는 모든 학생들이 즐겁게 살았으면 합니다. 그리고 그 즐거움이 각자의 행복으로 이어졌으면 합니다. 그게 제 꿈입니다.

성능과 안정성 모두 갖춘 친환경 에너지원 전극 소재 개발

김건태 교수(에너지 및 화학공학부), 박노정 교수(자연과학부)와 동의대 신지영 교수, 일본 큐슈대 이시하라(Tatsumi Ishihara) 교수가 참여한 국제 공동 연구팀

미래 친환경 에너지원으로 각광받는 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)의 성능을 2배 이상 높인 새로운 전극 소재가 개발됐다. 이 전극소재는 기존 연료전지의 불안정성 문제도 동시에 해결해 상용화의 길을 열었다.

UNIST(총장 조무제) 김건태 교수(에너지 및 화학공학부), 박노정 교수(자연과학부)와 동의대 신지영 교수, 일본 큐슈대 이시하라(Tatsumi Ishihara) 교수가 참여한 국제 공동 연구팀은 이 같은 연구 결과를 세계적 권위의 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte chemie) 인터내셔널 에디션(International Edition)’ 온라인 판에 8일(월) 발표했다.

‘앙게반테 케미’ 측은 “이번 논문의 혁신적인 연구 결과와 연료전지 분야의 파급효과를 인정해 10월 초 출간하는 학술지 표지 논문으로 발표할 예정”라고 밝혔다.

이번 연구 결과가 주목받는 것은 저온에서의 SOFC 성능 개선과 함께 안정성까지 확보했기 때문이다.

이번 연구를 주도한 김건태 UNIST 교수는 “기존의 결과들은 우수한 성능을 보이더라도 재료의 불안정성으로 인해 연료전지의 안정적인 작동이 불가능했다”라며 “향상된 성능을 150시간 동안 안정적으로 유지했다는 점에서 의의가 크다”라고 말했다.

SOFC는 전력을 저장해 사용하는 전지와 달리 수소와 공기만으로 전기를 발생시키는 친환경 에너지원이다. 상대적으로 가격이 저렴하고 연료의 연소과정이 없어 유독 물질을 배출하지 않는다. 또 50% 이상의 에너지 효율을 보여 원자력 발전을 제외하고 가장 효율적이다.

하지만 저온에서 출력이 떨어지는 단점으로 인해 800℃ 이상의 고온에서 작동해야 한다. 또 고온에서 장시간 사용할 경우 내구성이 저하되며, 고온을 견뎌낼 값비싼 고온합금이나 세라믹 소재를 사용해야만 한다.

공동 연구팀은 페로브스카이트라는 물질에 베륨(Ba)을 25% 줄이고, 칼슘(Ca)을 25% 늘려 만든 이중층 구조의 페로브스카이트를 개발해 전극에 활용했다. 전자 친화도가 높은 칼슘의 증가로 안정성을 향상시키고, 산소 이온을 빠르게 확산시켜 성능을 향상시켰다.

공동 연구팀이 개발한 전극소재의 성능을 시험한 결과 550oC에서 전압이나 전류가 150시간 이상 성능저하 없이 유지됐다. 또 600oC에서 세계 최고인 2.2 W/cm2의 출력을 보여 고온(800℃ 이상)의 고체산화물연료전지와 유사한 성능을 보였다.

김 교수는 “높은 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 전극소재의 개발로 국내외 연료 전지 실용화와 산업화에 크게 기여할 것”이라며 “상대적으로 가격이 저렴한 고체산화물연료 전지가 상용화되면 수 천 억원에 해당하는 비용 절감이 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)이 추진하는 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행됐다

고체산화물 연료전지용 공기극 소재 개발

고체산화물 연료전지용 공기극 소재 개발

국제 공동연구진이 소재가 상대적으로 저렴한 고체산화물 연료전지*의 성능과 안정성을 개선할 수 있는 전극소재를 개발해냈다. 향후 고체산화물 연료전지 상용화를 위한 발판이 될 것으로 기대된다.

 * 고체산화물 연료전지(SOFC, solid oxide fuel cell) : 산화지르코늄(ZrO2)이나 세리아(CeO2) 등 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지. 수소를 연료로 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 만든다.

UNIST 친환경에너지공학부 김건태 교수, 미국 조지아공대 메일린 류(Meilin Liu) 교수, 동의대 신지영 교수 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 교육부(장관 서남수)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 세계수준의연구중심대학(WCU) 육성사업 등의 지원으로 수행되었고 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지(Scientific Reports) 8월 13일자에 게재되었다.

(논문명: Highly efficient and robust cathode materials for low-temperature solid oxide fuel cells : PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ)

구성물질이 모두 고체여서 구조가 간단하고 소재가 상대적으로 저렴한 고체산화물 연료전지는 전해질 손실로 인한 충전의 번거로움이나 부식의 우려가 적다.

또 연료의 연소과정이 없어 유독물질이 배출되지 않는데다 에너지 효율도 50% 이상으로 높아 주목받는다.

하지만 800℃~ 1,000℃의 고온에서 작동하기 때문에 값비싼 고온합금이나 세라믹 소재를 사용해야 한다. 또 고온으로 장시간 사용시 내구성이 저하되는 것도 단점이었다.

때문에 보다 낮은 온도에서 작동하면서 전지의 성능은 저하되지 않는 물질을 개발하는 것이 관건이었다.

이에 연구팀은 기존보다 300℃ 가량 낮은 500~700oC에서도 출력밀도와 내구성이 뛰어난 이중층 페로브스카이트* 전극을 개발했다.

* 이중층 페로브스카이트(double perovskite) :  이온반경이 큰 희토류 등 원소와 원자반경이 작은 전이금속, 그리고 산소이온으로 된 8면체 물질, 페로브스카이트에서 이온반경이 큰 원자를 일부 치환해 원자크기의 차이를 만들어 층을 만든 물질로 산소이동도와 표면특성이 우수하다.

개발된 물질은 600oC에서도 1,000oC 고온에서의 출력에 못지 않은 2.2W/cm2의 출력을 보였다. 이는 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 최대 출력의 3배 이상에 해당하는 수준으로 2004년 네이처지에 보고된 것보다 2배 이상 향상된 수준이다.

또한 안정성 측정결과 550oC에서 150 시간 동안 전압이나 전류가 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.

작동온도를 낮추면 공기극*에서의 산소 이동이 느려져 반응이 원활하지 못해 출력에 나쁜 영향을 미치게 된다.

하지만 연구팀이 개발한 물질의 구조상 만들어지는 기공채널을 통해 산소 이온이 지그재그 유형으로 빠르게 확산할 수 있어 산소 환원반응이 원활해진다는 설명이다.

* 공기극 :  전해물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극(연료극, 공기극)으로 된 연료전지는 공기 중의 산소가 공기극을 지나고 수소가 연료극을 지날 때 전기화학 반응을 통해 전기와 물, 열을 생성한다.

김 교수는 “성능이 높으면서도 안정적인 연료전지 전극소재 개발의 단서를 제공함으로써 친환경 고체산화물 연료전지 개발에 응용될 경우 국내외 연료전지 상용화에 기여할 수 있을 것” 이라고 밝혔다.

‘과일집’ 에 ‘고체산화물 연료전지(SOFC)’ 설치된다

발전 효율이 높고, 사용 가능한 연료 폭이 넓어 미래 친환경 에너지원으로 주목받는 고체산화물 연료전지(SOFC). 이 전지를 활용한 시스템이 국내 최초로 UNIST 캠퍼스에 설치된다.

UNIST는 5(오후 1시 30분 학술정보관(202) 104호에서 미코와 공동연구 협력 MOU를 체결했다. 이번 협약에 따라 ㈜미코는 2kW급 SOFC 설비를 무상으로 과일집(학이 상으로 들어오는 , Science Cabin)에 설치한다. 이 설비를 중심으로 ㈜미코와 김건태 에너지 및 화학공학부 교수의 공동 연구가 추진되며, 설비 가동에 필요한 연료 공급 라인은 경동도시가스에서 지원하기로 했다.

SOFC는 수소나 탄화수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 만드는 일종의 발전기다. 고체산화물을 전해질로 이용하는 게 특징인데, 다른 연료전지에 비해 발전효율이 높다. 또 수소뿐 아니라 천연가스 같은 탄화수소도 연료로 쓸 수 있다는 장점이 있다.

고체 산화물 연료전지는 산화지르코늄이나 세리아 등의 고체산화물을 전해질로 이용하며, 수소를 연료로 사용해 공기 중의 산소와 화학반응시켜 전기를 생성한다. 전해물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극(연료극, 공기극)으로 된 연료전지는 공기 중의 산소가 공기극을 지나고 수소가 연료극을 지날 때 전기화학 반응을 통해 전기와 물, 열을 생성한다.

김건태 교수팀은 2015년 천연가스를 직접 연료로 써도 안정적인 SOFC용 전극을 개발한 바 있다. 이 기술은 SOFC 산업화를 크게 앞당겼다는 평가를 받지만, 실제 시스템에 적용하기는 어려웠다. 이번 MOU 체결로 김 교수팀의 기술을 미코의 SOFC 설비에 적용하면서 실용화 연구를 진행할 계획이다.

김건태 교수는 “LPG나 LNG 등을 곧바로 연료로 쓰는 SOFC 시스템이 완성되면 도시가스 라인을 활용한 연료전지 작동이 가능하다”며 “수소 생산과 유통이 원활해지는 수소사회가 올 때까지 천연가스를 쓰면서 수소 활용 인프라를 구축하고, 이후에는 수소를 쓰는 방식으로 활용 가능할 것”이라고 전망했다.

과일집에 설치된 SOFC 시스템은 이 건물에서 생산되는 바이오 에너지로 전기를 생산하는 데 쓰일 예정이다. 이 건물은 3명이 동시에 거주할 수 있는 ‘생활형 실험실’로 인분을 에너지로 전환해 활용하는 시스템을 구축 중이다. 정리하면 ‘똥’으로 ‘바이오 가스’를 만들고, 이걸 SOFC를 통해 ‘전기’로 바꿔서 쓰는 자원순환형 시스템이 되는 것이다.

UNIST-(주)미코의 MOU 체결식에 참석한 사람들이 과일집 앞에서 단체 사진을 찍었다. | 사진: 김경채

최성호 ㈜미코 박사는 “새로 설치될 시스템은 국내 최초로 가스안전공사의 인증을 받은 제품으로 이번 협력과 실증을 통해 SOFC의 실용화를 추진하고 나아가 바이오가스의 적용, 이산화탄소 포집을 통한 고효율 분산 발전시스템 기술을 제시할 예정”이라며 “수소 외에 다양한 연료를 쓸 수 있는 SOFC의 장점을 최대로 이용하면서 SOFC 기술 자체도 발전시킬 수 있는 좋은 기회가 될 것”이라고 밝혔다.

㈜미코는 순수 국내 기술로 고체산화물 연료전지 시스템(상표명: TUCY)를 개발한 기업이다. 이들이 개발한 2kW급 SOFC 시스템은 정격 출력에서 51.3% 발전효율을 나타내 국내 공식 최고 효율을 기록했다. 이는 지난해 상용화한 일본 교세라의 3kW 건물용 SOFC 시스템의 발전효율(52%)와 비슷한 수준이다. 이번 UNIST와의 협력을 통해 세계 최초로 SOFC에서 나오는 이산화탄소를 완전히 제거하는 시스템을 개발핸 zero CO₂ SOFC 시스템을 구현할 계획이다.

한편 이 날 협약 체결식은 SOFC와 과일집 관련 기술세미나와 함께 진행됐다. ㈜미코에서는 당사의 SOFC 기술에 대해 소개했고, UNIST에서는 과일집에서 나오는 바이오 에너지와 이산화탄소 포집 및 변환 기술 개발에 대한 설명을 진행했다. 울산시에서는 심민령 신재생에너지과장이 참석해 ‘울산 에너지 허브를 향하여’라는 주제로 발표했다.

 

금속-공기전지 성능 높일 ‘복합촉매’ 개발

저렴한 소재와 간단한 구조, 그리고 고용량의 에너지를 담을 수 있는 ‘금속-공기전지’의 효율을 높일 기술이 개발됐다. 두 가지 촉매를 함께 써서 성능을 높이는 새로운 아이디어다.

김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 금속공기전지(Metal-Air Battery)의 성능을 높일 새로운 복합촉매(SSC-HG)’를 개발했다. 서로 다른 두 촉매를 함께 쓰면서 시너지(Synergy) 효과를 얻었는데, 이 현상의 원리까지 분석해 앞으로 연구방향도 제시했다.

금속-공기전지는 금속으로 만들어진 ‘연료극’과 산소를 받는 ‘공기극’으로 이뤄진다. 산소를 금속과 반응시키면서(산화) 전기를 발생시키고(방전), 반대로 산화된 금속에서 산소를 분리하면(환원) 전기를 저장할 수 있다(충전). 공기극에 있는 촉매 성능이 좋아야 방전이나 충전이 잘 된다. 주로 백금(Pt)이나 산화이리듐(IrO₂) 등을 고성능 촉매로 썼는데, 귀금속이라 비싸고 희소하며 내구성도 낮아 대규모로 응용하기 어렵다.

귀금속 촉매의 문제를 해결하기 위해 최근에는 페로브스카이트(Perovskite) 물질이나 탄소재료 등을 이용한 새로운 촉매 개발이 추진되고 있다. 특히 두 물질을 함께 쓰면서 촉매 성능을 향상시키는 복합촉매 연구가 활발하다.

복합촉매 제작 과정

김건태 교수팀은 ‘페로브스카이트 산화물(SSC)’과 ‘3차원 질소 도입 그래핀(3DNG)’으로 복합촉매를 만들었다. 두 촉매는 따로 사용해도 일정 수준의 성능을 나타내는데, 둘을 혼합하자 시너지 효과를 나타내며 훨씬 뛰어난 성능을 보였다.

김선아 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “복합촉매를 사용하면 전지 작동환경에 더 유리한 한쪽 촉매만 성능을 발휘하는 게 일반적”이라며 “새로운 복합촉매는 두 촉매가 상호작용하며 전체적인 성능을 높였다”고 설명했다.

연구진은 복합촉매에서 우수한 성능을 보이는 까닭을 밀도함수이론(DFT)로 분석했다. 그 결과 새로운 복합촉매에서는 전기전도도가 좋은 3DNG가 SSC로 많은 전자를 전달하면서 산소환원반응(ORR)과 산소발생반응(OER)에서 활성이 좋아진다는 게 밝혀졌다.

3DNG가 산소 분자에 전자를 전달해 ‘반응 에너지가 큰 산소’를 만들고, 이 덕분에 3DNG와 연결된 SSC 표면의 코발트(Co)에서 산소 분자를 끊는 산소환원반응이 더 잘 일어나게 된다. 반대로 산소 원자를 결합할 때에는 전자를 많이 가진 3DNG가 SSC의 코발트로 전자를 주면서 코발트-산소 공유결합을 강화해 산소발생반응을 더 잘 일으키게 된다.

속이 빈 원통형 촉매인 페로브스카이트 산화물(SSC, 흰색)와 평면 형태인 3차원 질소 도입 그래핀(3DNG, 검정색)이 뒤섞인 복합촉매를 표현했다. 두 물질이 혼합되면 각각 따로 사용할 때보다 월등한 촉매 성능을 보인다.

김건태 교수는 “복합촉매에서 나타나는 시너지 효과는 촉매끼리 전자 이동을 촉진한 결과”라며 “이번 분석을 참고하면 앞으로 더 효율적인 페로브스카이트탄소재료 복합촉매를 설계할 수 있을 것”이라고 말했다.

그는 이어 “차세대 고용량 배터리로 손꼽히는 리튬-공기전지의 공기극에 값싼 재료로 고성능 촉매를 적용하게 되면 상용화가 한층 빨라질 것”이라며 “새로운 복합촉매는 성능은 물론 안정성까지도 확보해 금속공기전지 산업에 이바지할 것”이라고 기대했다.

이번 연구에는 UNIST 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수와 이준희 교수가 함께 참여했다. 연구결과는 마이크로‧나노재료 분야의 세계적 권위지인 스몰(small)’ 11월 28(표지로 선정돼 출판됐다.

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‘스스로 고성능 촉매’ 천연가스 직접 쓰는 연료전지 만든다

연료전지에서 전기 생산을 돕는 ‘촉매가 스스로 성능을 높이는 현상’이 보고됐다. 이런 현상을 보이는 촉매를 이용하면 메탄 같은 탄화수소를 직접 써도 안정적으로 작동하는 연료전지를 만들 수 있다.

김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 신지영 숙명여대 교수, 한정우 서울시립대 교수, 정후영 UCRF 교수와 공동으로 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)의 성능을 높일 새로운 연료극 소재(촉매)를 개발했다. 새 촉매는 연료전지가 작동과정에서 내부 물질이 표면으로 올라와 합금을 이룬다. 이 덕분에 탄화수소를 직접 써도 망가지지 않고 성능을 유지한다.

Journal of Materials Chemistry A 9월 7일자 표지

이번 연구는 ‘촉매 물질이 스스로 합금을 이뤄 반응 효율을 높이는 현상’을 최초로 보고해 ‘재료화학 A(Journal of Materials Chemistry A)’에서 ‘주목할 논문(Hot Paper)’으로 뽑혔다. 또 그 중요성을 인정받아 9월 7일(금)일자 표지로도 선정됐다.

SOFC는 공기 중 산소를 수소나 탄화수소 등의 연료와 반응시켜 전기를 생산하는 장치다. 유해물질 배출이 적고, 작동하면서 나오는 열(heat)까지 쓸 수 있어 발전효율이 90% 이상으로 알려졌다.

수소를 쓰면 물만 배출하는 청정 에너지원이지만, 아직 수소의 생산과 저장이 까다로워 값비싼 형편이다. 따라서 셰일가스를 비롯해 천연가스, 메탄, 프로판, 부탄가스 등의 탄화수소를 직접 쓰는 SOFC 개발이 활발하다.

문제는 기존 SOFC에 쓰이는 촉매가 탄화수소 계열의 연료를 쓰면 급격히 성능이 떨어진다는 점이다. 탄화수소 계열의 연료에 포함된 탄소나 황 등으로 촉매 표면이 오염되면서 성능이 악화된다. 이를 해결하려면 촉매 성능을 높이는 물질을 더하는 추가 공정이 필요했다.

김건태 교수 공동 연구팀은 기존 SOFC의 문제를 이중층 페로브스카이트(Layered Perovskite) 구조로 설계한 새로운 촉매로 해결했다. 전기 생산에 필요한 화학반응을 돕는 물질(코발트, 니켈)을 이중층 페로브스카이트 구조에 심어뒀다가, 연료전지가 작동하면 저절로 올라와 합금을 형성하도록 한 게 핵심이다.

촉매 내부 물질이 표면으로 올라와 합금을 이루는 과정 모식도

제1저자인 권오훈 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “코발트와 니켈은 SOFC 작동 시 효과적인 촉매 물질로 알려져 있다”며 “기존에는 전극을 만들 때 이들 물질을 추가했는데, 새로운 촉매는 SOFC 작동 시 표면으로 올라와 ‘코발트-니켈 합금’을 이루면서 성능을 유지했다”고 설명했다.

실제로 연구진이 개발한 촉매는 메탄가스를 연료로 직접 사용해 500시간 이상 전류의 강하가 전혀 없이 안정적으로 작동했다. 또 촉매의 활성화 정도만 따졌을 때도 기존에 보고된 촉매보다 4배 뛰어난 반응 효율을 보이는 것으로 확인됐다.

이번 연구를 총괄한 김건태 교수는 “기존 SOFC 연료극 소재(촉매)는 탄화수소 연료를 직접 사용했을 때 초기에 높은 성능을 보여도 오랫동안 안정적으로 작동하기는 어려웠다”며 “새로 개발한 금속 합금 촉매는 우수한 촉매 성능을 보여 연료전지의 대중화에 크게 기여할 기술이 될 것”이라고 기대했다.

시바프라카시 생고단 박사, 영국 명문대 교수로 새 출발!

시바프라카시 생고단 박사, 영국 명문대 교수로 새 출발!

“10월부터 영국에서 교수로 일하게 됐습니다. UNIST 개교했던 2009년 말부터 이곳에서 연구하면서 학교와 함께 성장한 것 같아 더 기쁩니다.”

에너지공학과 출신 시바프라카시 생고단(Sivaprakash Sengodan) 박사가 영국 명문대학 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London, ICL)’의 재료공학과 교수로 임용됐다. 임용일은 오는 10월 1일이며, 8월 말부터 한국을 떠나 새로운 곳에 적응할 준비를 한다.

ICL은 영국 런던에 위치한 세계적인 명문대학이다. 특히 공과대학은 영국의 MIT라 불리며 세계적 경쟁력을 자랑한다. 유럽 최고의 이공계 대학이라는 이름에 걸맞게 노벨상 수상자도 14명이나 배출했다.

생고단 박사는 ICL의 교수로 임용된데 대해 “신진 연구자들이 독립적으로 연구할 수 있도록 적극 지원하는 대학에서 새 출발을 하게 돼 기대가 크다”며 “그간 UNIST에서 연구해왔던 연료전지 분야의 연구 성과 덕분”이라고 임용비결을 밝혔다.

연료전지는 수소나 탄화수소를 연료로 써서 전기를 생산하는 친환경 에너지 장치로, 그 시장이 점차 확산되는 추세다. 생고단 박사는 박사 과정 동안 연료전지의 효율과 안정성을 높이는 촉매와 전극소재를 개발하는 뛰어난 성과로 주목받았다. 인도에서 고분자(polymer) 연구로 석사 학위를 받은 점을 생각하면, 연구 분야가 크게 달라졌지만, 그게 오히려 인생의 전환점이 됐다.

생고단 박사는 “유학을 준비하는 동안 절친한 친구가 한국을 권했고 가장 먼저 연락이 닿았던 곳이 UNIST의 김건태 교수였다”며 “연료전지는 고분자 연구와는 달랐지만 미래를 위한 기술이라는 점에서 매료됐다”고 연구 분야를 바꾼 계기를 밝혔다.

그는 2010년 박사학위 과정으로 입학하면서 본격적으로 연료전지 연구에 뛰어들었다. 박사 학위를 받던 2015년에는 네이처 머티리얼스(Nature Materials)에 LPG 등의 천연가스를 직접 연료로 써도 안정적으로 작동하는 전극 물질을 발표했다. 이 기술은 연료전지 대중화를 크게 앞당겼다는 평가를 받는다. 이런 성과가 모여 2015년에는 화학 분야에서 혁신적 연구를 수행한 연구자에게 수여하는 리액스 상(Reaxys Prize) 후보 10인에 오르기도 했다.

김건태 교수는 “생고단 박사는 늘 과감하게 도전하고 새로운 성취를 이뤄온 제자”라며 “UNIST가 첫 걸음을 때던 시절부터 동고동락한 제자라 임용 소식이 더욱 반갑고, 영국에서도 좋은 성과를 이어갈 것이라 믿는다”고 전했다.

생고단 박사는 영국에서도 연료전지 분야 연구를 계속할 계획이다. 어느 정도 연구기반이 마련되면 배터리 분야로 연구영역을 확장할 생각도 갖고 있다. 또 학문적 스승인 김건태 교수와도 교류하며 UNIST와의 인연도 이어갈 예정이다.

그는 “처음 본 UNIST는 아기 같았는데, 어느덧 거인처럼 크게 주목받는 기관이 됐다”며 “그동안 지도해준 김건태 교수와 UNIST에 대한 고마움을 간직하고 앞으로도 더 좋은 연구자가 되겠다”는 포부를 밝혔다.

생고단 박사 외에도 UNIST에서 공부한 외국인 동문들은 해외 각국에서 교수 및 연구원으로 활약하고 있다. 2013년에는 우즈베키스탄 출신의 학생이, 올해 초에는 필리핀 출신 학생이 각각 모국의 명문대 교수로 임용됐다. 현재 UNIST에는 2018년 7월 기준 386명의 외국인 학생과 연구원이 머무르고 있다. 학부생 198명, 대학원생 120명, 연구원 68명 등이다.

UNIST 연구진, 백금 대신 값싼 반영구 철 촉매 개발

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UNIST 연구진, 백금 대신 값싼 반영구 촉매 개발

UNIST 연구진, 백금 대신 값싼 반영구 촉매 개발백금 대체할 철 촉매를 개발한 UNIST 연구진_왼쪽부터 정후영 교수 백종범 교수 자비드 마흐무드 박사 김석진 연구원 김창민 연구원 김건태 교수.[UNIST 제공=연합뉴스]

(울산=연합뉴스) 장영은 기자 = 수소로 전기를 만드는 연료전지에 들어가는 비싼 백금 촉매를 대신할 값싼 금속 촉매를 개발했다.

UNIST는 에너지 및 화학공학부 백종범 교수팀과 김건태 교수팀이 2차원 유기고분자를 이용해 백금을 능가하는 철 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.

2차원 유기고분자가 철을 누에고치처럼 감싸서 철을 안정적으로 보호한 게 이 기술의 핵심이다.

2018년 2월 7일자 JACS 표지 이미지

2018년 2월 7일자 JACS 표지 이미지[UNIST 제공=연합뉴스]

이 기술은 세계적인 과학저널 '나노 에너지(Nano Energy)'에 소개됐고, '미국화학회지(JACS)' 최신호 표지로 선정됐다.

연료전지는 수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 만들고 물만 배출하는 장치다.

화석연료와 달리 유해한 물질을 배출하지 않아 미래 친환경에너지산업을 이끌어갈 중요한 기술이다.

연료전지로 전기를 생산하려면 산소가 물로 바뀌는 과정(산소환원반응)이 필요한데, 이때 화학 반응은 촉매 없이 진행되지 않기 때문에 연료전지에는 백금 등이 반드시 촉매로 들어간다.

백금은 촉매로서도 우수한 성능을 보이지만, 귀금속이라 비싼 데다 매장량의 한계가 있고, 오래 사용하면 녹아버리는 등 안정성도 낮아 대체하려는 시도가 꾸준히 진행됐다.

백 교수팀은 백금을 대체할 물질로 값싼 철을 이용하는 방법을 찾았다.

철을 2차원 유기고분자(씨투엔(C₂N)로 감싸서 다른 물질과 녹슬지 않도록 안정성을 확보한 것이다.

이 촉매는 백금과 같은 성능을 나타내는 것은 물론 반영구적으로 쓸 수 있는 안정성까지 확보했다.

백 교수는 "백금을 대체할 정도로 우수한 철 촉매를 개발한 이번 기술은 현대판 연금술이라고 불릴 정도로 새로운 발견"이라고 평가했다.

철 이온을 2차원 유기망상구조로 감싸는 과정

철 이온을 2차원 유기망상구조로 감싸는 과정[UNIST 제공=연합뉴스]

young@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2018/02/08 09:49 송고

Prof. Guntae Kim is selected as the top 5% of reviewers for Angewandte Chemie.

제목 없음

Last year, 151 referees provided one report or more per month, and 29 provided 18 or more in the year.

Altogether the Angewandte Chemie received ca. 17,300 referee reports from about 6000 different referees from all over the world.

It is not the sheer number of reports that we are impressed by but rather the quality.

The above two graphics show the regions of origin of submissions (Communications only) as well as the distribution of referees by country.

Overall, the journal published nearly 2600 Communications in 2016 (and Reviews, Essays, Highlights, etc.).

Prof. Kim’s efforts contributed greatly to Angewandte Chemie’s aim to publish many papers of the highest scientific quality.

15th April, 2017

Peter Goelitz

Editor-in-Chief

섞어라, ‘고성능 촉매’가 탄생할지니!

에너지 및 화학공학부 연구진이 금속공기전지의 충전과 방전 모두에서 높은 성능을 보이는 촉매를 개발했다. 이번 연구는송현곤 교수(왼쪽 끝)와 이동규 연구원(왼쪽에서 두 번째)이 주도하고, 곽상규 교수(오른쪽)와 김건태 교수(오른쪽 두 번째)도 참여했다. | 사진: 김경채, 이서연

 

충전과 방전이 가능한 ‘금속공기전지’에 꼭 필요한 촉매 기술이 개발됐다. 이 기술이 상용화돼 이차전지용 금속공기전지가 개발되면, 리튬이온전지보다 전기자동차의 주행 거리를 2배 이상 늘릴 수 있다.

에너지 및 화학공학부의 송현곤 교수팀은 금속공기전지에 쓰이는 귀금속 촉매를 대체할 ‘고성능 유무기 복합 촉매’를 개발했다. 산화물계 촉매에 전도성 고분자를 섞어 만든 이 촉매는 충전과 방전에서 모두 높은 성능을 보였다. 금속공기전지를 이차전지로 사용할 가능성이 높아진 것이다.

금속공기전지는 공기 중 산소를 연료로 사용한다. 금속을 금속이온으로 바꾸면서 뽑아낸 전자를 가지고 산소를 환원시켜 전기를 생산하는데, 이때 반응을 촉진시킬 촉매가 필요하다. 산소 환원에 가장 좋은 촉매로는 백금이 널리 알려져 있으나, 가격이 비싸고 충전 시 산소 발생 반응을 잘 일으키지 못하는 한계를 가지고 있었다.

한편, 대체 촉매로 주목 받고 있는 저가 금속의 산화물 촉매는 단독으로 사용할 경우 백금의 산소 환원 성능을 따라잡지 못한다. 이에 송현곤 교수팀은 기존 산화물 촉매에 유기 고분자인 ‘폴리피롤(polypyrrole)’을 섞어 산화물 촉매의 성능을 획기적으로 향상시켰다. 이 촉매를 사용해 금속공기전지를 충‧방전시키자 백금보다 뛰어난 성능을 보였다.

전지의 양극에서 산소 환원 반응은 4단계로 나뉘는데 속도가 가장 느린 첫 번째 단계에 폴리파이롤이 관여를 하면서 촉매반응이 개선된다.

제1저자로 이번 연구에 참여한 이동규 에너지 및 화학공학부 석‧박사통합과정 연구원은 “폴리피롤은 산소를 끌어당겨 산화물 촉매에 넘겨주는 도우미 역할을 한다”며 “다양한 산화물계 촉매에 적용이 가능하다”고 설명했다.

송현곤 교수는 “이번에 개발한 촉매는 화학적인 결합을 위한 추가적인 열처리 과정이 없어 공정이 쉽고 대량생산에 용이하다”며 “금속공기전지뿐 아니라 수소연료전지의 촉매로도 고성능을 발휘할 수 있어 에너지 분야에서 크게 기여할 것”이라고 평가했다.

이번 연구에는 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀과 곽상규 교수팀이 함께 참여했다. 연구 결과는 에너지와 환경 분야에서 세계적인 저널인 ‘에너지 환경 과학(Energy & Environmental Science)’ 1월 9일자 온라인판에 게재됐다.

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쓰고 남은 전기, 수소로 저장! ‘거꾸로 연료전지’

수소 생산 효율을 높인 '고체산화물 수전해전지'를 개발한 김건태 교수팀이 수소 발생 장면을 살피고 있다. 왼쪽부터 전아름 연구원과 김건태 교수 | 사진: 김경채

 

전기를 수소로 저장했다가, 필요할 때 다시 발전시키는 전지가 개발됐다. 물을 재료로 써서 전기를 수소로 만들고, 이 수소로 다시 전기를 만드는 기능이 하나의 전지에서 안정적으로 이뤄진다.

김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀과 신지영 동의대 교수는 연료전지의 역반응을 이용해 수소를 대량으로 생산할 수 있는 ‘고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)’를 개발했다. 연료전지는 수소를 공기 중 산소와 결합시켜 전기와 물을 만드는 장치다. 수전해전지는 거꾸로 물을 전기로 분해해 수소와 산소를 생산하게 된다.

이론적으로 고체산화물 전지는 연료전지와 수전해전지의 기능을 모두 수행할 수 있다. 그러나 아직까지 두 기능이 모두 안정적으로 작동하는 경우는 드물었다. 이번에 개발한 고체산화물 수전해전지는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 효율을 높였을 뿐 아니라, 연료전지 기능도 안정적으로 수행했다. 고체산화물 수전해전지의 연료극(양극)과 공기극(음극) 소재를 이중층 페로브스카이트(Layered perovskite)로 적용한 덕분이다.

이번 연구로 개발된 고체산화물 수전해전지에 대한 기대효과. 1cm x 1cm 크기의 고체산화물 수전해전지로 물을 분해할 경우 1시간 동안 약 0.9L의 수소가 만들어진다. 이는 수소자동차가 25km를 주행할 수 있는 양이다.

김건태 교수는 “이번에 개발한 고체산화물 수전해전지를 사용하면 가로세로 각 1㎝인 전지에서 1시간 동안 약 0.9L의 수소를 생산할 수 있는데, 이는 기존 연구보다 1.5배 이상 수소생산량을 높인 결과”라며 “600시간 이상 장기간 사용해도 성능 감소 없이 높은 수소 생산 효율을 보였다”고 설명했다.

이중층 페로브스카이트는 기존 페로브스카이트 소재와 비교해 수소 생산 성능이 뛰어나고 산소 수용력도 월등하다. 이 덕분에 산소가 생산되는 공기극에서 산소 분압이 급격히 높아져도 전극이 떨어져나가거나 성능이 악화되지 않았다. 또 수소가 만들어지는 연료극에서도 변형 없이 장시간 작동이 가능했다.

제1저자인 전아름 UNIST 에너지 및 화학공학부 석․박사통합과정 연구원은 “고체산화물 수전해전지의 장점은 이산화탄소(CO₂) 배출 없이 수소를 생산하는 것”이라며 “고온에서 물의 전기분해가 일어나기 때문에 수소 변환 효율도 높다”고 말했다.

현재 90% 이상의 수소가 탄화수소를 활용해 생산되므로 이산화탄소 배출을 피할 수 없다. 반면 고체산화물 수전해전지는 물과 전기만 이용하기 때문에 이산화탄소 없이 수소를 생산할 수 있다. 이를 태양열․풍력 등의 신재생에너지와 연계하면 전기 공급부터 수소 생산까지 전 범위에서 오염물질 없는 시스템을 구축할 수 있다.

SOEC는 SOFC의 역반응으로 작동한다. 태양열, 풍력 등의 신재생에너지를 활용해 물을 전기분해하면 수소를 생산할 수 있다. 이때 생성된 수소는 전기가 필요할 때 다시 SOFC를 작동해 발전에 사용할 수 있다.

김건태 교수는 “신재생에너지의 가장 큰 약점은 기후 조건이 좋을 때만 간헐적으로 전기 생산이 가능하다는 것”이라며 “고체산화물 수전해전지로 전기를 수소 에너지로 변환하고 저장함으로써 이런 단점을 극복할 수 있을 것”이라고 전망했다.

그는 이어 “고체산화물 수전해전지로 생산한 수소는 수소연료전지 자동차나 발전용 연료전지 등 수소 인프라에 사용할 수 있다”며 “이번에 개발한 전지가 상용화되면 ‘파리 협정’ 타결로 우리나라에 할당된 온실가스 감축 부담을 줄이는 동시에 수소경제시대를 앞당길 수 있는 계기가 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구 결과는 응용화학 분야 세계적 권위지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 26일자에 ‘가장 주목받는 논문(Hot Paper)’으로 선정돼 출판된다. 연구 지원은 미래창조과학부, 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업을 통해 이뤄졌다

‘촉매’처럼 사람들을 이어주는 연구자

위 ‘잘나간다’는 학자를 만나면, 가끔은 삐딱한 마음이 든다. 과거의 성과에 취해 앞으로의 계획은 부실한 경우를 종종 보기 때문이다. 김건태 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수를 만나기 전에도 그런 마음이 조금은 있었다. 최근에 연달아 좋은 성과를 내서 연구 의욕도 조금 떨어져 있지는 않을까. 그래서 정상적인 인터뷰라면 마지막쯤에 할 질문인, 앞으로의 계획을 먼저 물었다.

연구에 앞서 ‘친화력’ 키워

“구체적인 계획은 딱히 없습니다. 어떤 연구를 앞으로 어떻게 하겠다보다 더 중요한 건 교육입니다. 학생들을 잘 가르쳐서, 학생들이 잘 배우고 즐거울 수 있었으면 합니다.”

야망에 찬 학자라면 어려운 말을 써가며 아직 밝혀지지 않은 연구 분야나 상업화 등을 이야기하기 마련인데, 학생들과 한번 잘해보겠다는 대답은 낯설었다. 실제로 인터뷰를 하는 동안 그가 학생들과 대화를 나누는 모습을 보면 그가 추구하는 게 어떤 것인지 어렴풋이 추측할 수 있었다. 사적으로는 학생들과 스스럼없이 지내면서, 연구에 관한 이야기를 할 때는 사뭇 진지했다.

김건태 교수가 자신의 페로브스카이트 모형을 손에 들고 미소짓고 있다. | 사진: 이서연

“새로운 학생이 오면 ‘실험실에 적응하는 게 먼저’라고 말해줍니다. 실험실이란 작은 사회에서 좋은 관계를 맺어, 아침에 일어났을 때 기분 좋게 실험실에 올 수 있어야 연구도 잘 하게 됩니다.”

김 교수는 연료전지의 촉매를 개발하는 과학자다. 촉매란 반응에 참여하는 물질 간의 효율을 높여주는 물질을 말한다. 효율이 중요한 공학에서 촉매가 필요하지 않은 곳은 없다. 그렇기 때문에 촉매를 연구하는 김 교수의 실험실은 다른 실험실과 공동 연구를 유달리 많이 진행한다. 이때 김 교수 실험실 학생들이 평소 갈고 닦은 친화력(?)은 공동 연구자와 좋은 관계를 맺고, 활발한 토론을 하는 데 큰 도움이 된다.

실제로 김 교수가 2015년 11월에 학술지 ‘앙게반테 케미’에 발표한 논문은 같은 학과 송현곤 교수와 같이 연구한 결과다. 2014년 12월 ‘네이처 머티리얼스’에 발표한 결과는 신지영 동의대 교수 등과 함께 한 연구였다.

이런 연구들은 대개 재료에 강한 공동 연구팀이 연료전지의 음극과 양극에 쓸 새로운 재료를 개발하고, 김 교수가 효율 좋은 촉매를 만들어 전지를 연결해 효율을 측정하는 방식으로 이뤄진다. 그는 “뛰어난 공동 연구자들 덕분에 좋은 성과를 냈는데 내가 주목을 받아 쑥스럽다”고 밝혔다.

고분자 연료전지 다음은, 세라믹 연료전지

연료전지는 기본적으로 수소와 산소를 반응시켜 전기를 만든다. 현재는 크게 두 가지 재료가 시장을 양분하고 있다. 고분자 연료전지는 상용화 단계에 접어들어 연료전지 자동차, 휴대용 전지 등에 사용되고 있다.

고분자 연료전지는 크기도 작고 상대적으로 낮은 온도에서도 반응한다. 상용화에 성공한 것도 이런 장점들 때문이다. 고분자 연료전지를 충전하기 위해서는 아주 순도가 높은 수소가 필요하기 때문에 가격이 만만치 않다는 단점이 있다.

세라믹 연료전지는 크기도 크고 반응 온도도 높다. 온도가 높다 보니 연료전지 내부에서 불필요한 반응이 일어날 수 있어 아직까지는 안정성이 떨어진다. 순수한 수소 이외에 다른 재료를 사용할 수 있는 것이 세라믹 연료전지의 장점이다.

김 교수가 2014년 개발한 세라믹 연료전지는 프로판(도시가스의 주요 성분)을 사용해 연료를 충전하는 방식이다. 그의 실험실 한켠에서는 도시가스 관을 끌어다 연료전지를 이용해 전기를 만드는 실험이 한창이었다. 김 교수는 “연료전지는 에너지 부족을 해결할 수 있는 고효율 에너지원으로, 환경을 지키는 데도 도움이 된다”고 말했다.

[연구실 人사이드] “자기의 일은 스스로 하자~”

김건태 교수의 연구실 사람들이 공학관 로비에서 활짝 웃고 있다. | 사진: 이서연

교수와 학생이 친하기 때문에 교수가 뭐든 해줄 거라고 생각하는 것은 오산이다. 김건태 교수 실험실 학생들은 논문을 반드시 직접 써야 된다. 영어도 서툴고, 실험 결과를 보여주는 것도 서툰 학생들이 답답해서 보통은 지도교수가 이리저리 손을 대기 마련인데, 김 교수는 모든 것을 학생에게 맡긴다.

“자기가 직접 논문을 써봐야 어떤 연구를 한 것인지 비로소 알게 된다. 대신 다른 사람들보다 더 자주 학생들이랑 만나 구성과 결과를 계속 토론한다.”

김건태 교수 실험실 학생들은 기계, 에너지, 생물, 고분자 등 배경이 다양하다. “이런 다양한 배경들이 연료전지 개발에 도움이 된다”고 그는 설명했다. 그 중에서도특별히 유리한 것이 있냐는 기자의 질문에 “전기화학을 잘 하면 좋다”고 답했다.

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“귀금속은 가라”… 싸고 좋은 ‘촉매’ 나왔다

비싼 백금계 촉매를 대체할 새로운 촉매를 개발한 연구진의 모습. 왼쪽부터 김건태 교수, 김창민 연구원, 김선아 연구원, 백종범 교수, 주용완 박사의 모습이다. | 사진: 김경채

수소연료전지와 금속-공기전지를 싸게 만들 길이 열렸다. 전체 가격의 20~30%를 차지하는 백금계 촉매를 대신할 물질이 개발됐기 때문이다. 철과 그래핀을 활용한 이 촉매는 1g 당 200~300원이면 제조 가능해 경제적 효과가 상당할 전망이다.

에너지 및 화학공학부의 김건태·백종범 교수팀은 수소연료전지나 금속-공기전지에 쓰일 ‘철-탄소 복합체 촉매(Fe@NGnP-CNF)’를 개발했다. 소량의 ‘철(Fe)’과 ‘그래핀 나노 플레이트(graphene nano plate, GnP)’를 이용해 만든 이 촉매는 값비싼 백금계 촉매를 대체할 저비용 고성능 촉매로 주목받고 있다.

현재 수소연료전지에 필수적으로 들어가는 촉매는 귀금속인 백금을 활용한다. 그런데 백금은 1g 당 8~9만 원으로 비싸 촉매 가격 자체가 높아진다. 이 문제를 해결하기 위해 많은 연구자들이 백금계 촉매를 대체할 물질을 찾아왔다. 그러나 새로운 촉매를 만들더라도 제작 공정이 복잡하거나 대량생산이 불가능하다는 문제점이 있었다.

김건태·백종범 교수팀이 새로 개발한 촉매는 백금계 촉매만큼 성능이 우수하다. 게다가 기존에 알려진 ‘볼밀링(ball milling) 공정’과 ‘전기방사기법(Electrospinning)’을 이용하므로 제작 공정이 간단하고 대량생산도 가능하다는 장점이 있다.

철과 질소가 포함된 그래핀 나노 플레이트를 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 용액에 분산시킨 복합체 용액을 전기방사를 통해 섬유상의 복합체로 제조한다.

볼밀링 공정은 용기 내에 금속 볼과 흑연, 합성할 원소를 넣고 회전시키는 공정이다. 이때 그래핀에 질소(N)나 철(Fe) 등이 합성된다. 이렇게 만들어진 철과 질소가 함유된 그래핀 나노 플레이트(Fe@NGnP)를 나노 섬유를 구성하는 용액에 넣고, 전압을 걸어주는 전기방사기법을 쓰면 탄소복합체 섬유(Fe@NGnP-CNF)가 만들어진다.

이번 연구를 주도한 주용완 에너지 및 화학공학부 연구교수는 “잘 알려진 기술을 이용해 제조한 철-탄소 복합체는 귀금속 촉매를 사용하는 여러 전지에서 활용할 수 있는 중요한 발명으로 주목받았다”며 “공정이 간단하고 대량생산이 가능하다는 측면이 가장 큰 장점”이라고 설명했다.

이 물질은 특히 리튬-공기전지의 촉매 물질로 뛰어난 성능을 보였다. 리튬-공기전지에서 촉매는 공기 중의 산소 분자를 산소 원자로 환원시켜 리튬과 반응하도록 만드는 핵심 물질이다. 산소의 환원 반응이 빠르게 일어날수록 전지의 성능이 좋아진다. 연구진이 개발한 Fe@NGnP-CNF는 금속공기전지의 촉매 물질로 사용되는 고가의 백금계 촉매와 유사한 전기화학적 성능을 보였다. 장기적인 성능은 백금계 촉매보다 안정적이었다.

a와 b는 Fe@NGnP의 단면을 주사전자현미경으로 촬영한 이미지. 직경 약 200나노미터인 탄소나노섬유의 표면에 철과 질소가 포함된 그래핀 나노 플레이트가 고르게 분산된 것을 확인할 수 있다.

김건태 교수는 “철과 질소가 포함된 그래핀 나노 플레이트를 이용한 탄소복합체 촉매는 산화그래핀을 비롯한 기의 탄소 촉매에 비해 내구성과 성능이 뛰어나며 저비용 대량 생산이 가능해 금속-공기전지 및 연료전지의 상용화를 가속시킬 수 있다”며 “다양한 촉매 과학 (Catalyst Science)에 활용될 수 있다”고 평가했다.

이번 연구 결과는 12월호 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐으며, 내용의 우수성을 인정받아 표지로도 선정됐다. 어드밴스드 사이언스는 재료공학의 세계적인 권위지인 어드밴스드 메터리얼(Advanced Materials) 자매지다.

이번 연구는 산업통상자원부 산하 한국산업기술평가관리원의 ‘IT/R&D 사업’과 미래창조과학부의 ‘중견연구자지원사업’, 한국연구재단의 ‘창의적연구진흥사업’에서 지원받아 진행됐다.

전기 잘 흐르는 ‘촉매’가 좋은 전지 만든다

왼쪽부터 시계방향으로 송현곤 교수, 김건태 교수, 곽상규 교수, 김수환 연구원, 권오훈 연구원, 이동규 연구원 | 디자인: 이덕기

전지의 성능을 높이려면 ‘전기가 잘 흐르는 촉매를 쓰면 된다’는 연구결과가 나왔다. 공기 중의 산소를 이용해서 전기를 만들어내는 수소연료전지나 차세대 금속공기전지의 발전에 크게 기여할 전망이다.

에너지 및 화학공학부의 송현곤, 김건태, 곽상규 교수 공동연구팀은 연료전지 등 공기 중 산소를 이용하는 전지의 촉매를 연구한 결과를 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 11월 16일자에 발표했다. 이번 연구는 촉매의 전기 전도도에 따라 전지 성능이 결정될 수 있다는 원리와 구체적인 증거를 제시한 최초의 성과다.

수소연료전지나 금속공기전지는 양극에서 공기 중의 산소를 받아들여 전기화학반응을 일으킨다. 연료로 수소나 금속을 사용하고, 이 물질들을 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 것이다. 이때 양극에서는 산소(O₂)를 산소 원자(O)로 쪼갠 뒤 음극에서 나온 전자를 반응하게 만드는 것이다. 촉매는 이 반응을 촉진하기 위해 들어간다.

일반적으로 전지의 양극이나 음극에 쓰인 물질의 전기 전도도가 높으면 전기화학반응이 잘 일어난다. 전기가 잘 흘러서 반응의 양도 늘어나기 때문이라는 게 지금까지의 생각이었다. 그런데 UNIST 공동연구팀은 이 반응에서 촉매의 전기 전도도가 반응의 양뿐만 아니라 질적인 면에서도 중요한 역할을 한다는 점을 밝혀냈다.

전기 전도도가 뛰어난 촉매일 경우(왼쪽) 산소 원자 4개가 한꺼번에 환원되는 반응이 잘 일어났다. 이는 전지 성능을 높이게 된다.

송현곤 교수는 “산소 분자가 전자를 얻는 과정을 ‘산소환원’이라고 하는데 이 반응이 연료전지나 금속공기전지가 작동하는 기본 원리”라며 “촉매 주변의 전기 전도도를 높이면 산소 분자가 전자를 더 많이 받아서 산소환원이 잘 일어나고 결과적으로 더 많은 전기를 만들게 된다”고 설명했다.

연구진은 전기 전도도가 서로 다른 세 종류의 산화물 촉매를 만들어 실험했다. 그 결과 전기 전도도가 높아짐에 따라 전자 4개가 반응하는 완전환원 반응이 많아졌다. 산소환원 반응은 전자 4개가 한번에 움직이는 완전환원 방식과 전자 2개가 두 번 움직이는 방식이 있다. 일반적으로 완전환원이 많을수록 더 좋은 촉매로 본다.

송 교수는 “이번 연구는 김건태 교수팀에서 전기 전도성 산화물을 만들고, 곽상규 교수팀에서 이론 계산을 함께 해줘 가능한 성과였다”며 “전지가 작동하는 기본적인 원리를 밝히고 싶은 생각은 있었지만 두 교수팀의 지원이 없었다면 해낼 수 없었을 것”고 말했다.

이번 연구에 제1저자로 참여한 이동규 UNIST 석‧박사통합과정 연구원은 “이번 연구로 촉매와 산소환원 반응의 물리화학적 상관관계를 규명할 수 있었다”며 “앞으로 전도성이 높은 촉매를 개발하게 되면 수소연료전지나 차세대 금속공기전지의 발전에 도움이 될 것”이라고 말했다.

이 연구는 미래창조과학부 중견연구자지원사업과 BK21플러스사업의 지원으로 수행됐다.

연료전지 향한 뚝심, 세계적 기술 만들다

김건태 에너지 및 화학공학부 교수는 고체 산화물 연료전지 분야를 꾸준히 개척하고 있는 연구자다. 그는 연료전지가 상용화돼 친환경적으로 에너지를 쓸 수 있는 날을 꿈꾸고 있다. | Design by Sujin Choi, Photography by Kyungchae Kim

 

“연료전지 시대는 반드시 옵니다. UNIST에서 탄생한 이 기술들이 힘을 발휘할 날도 머지않았습니다.”

김건태 에너지 및 화학공학부 교수는 국내에서 드문 연료전지 전문가다. UNIST에서도 이 분야를 전문적으로 파고드는 연구자는 김 교수가 유일하다. 그는 ‘연료전지는 미래에 꼭 필요한 에너지원’이라는 믿음으로 이 분야에 집중해왔다. 현재 상대적으로 주목받는 이차전지나 태양전지 등으로 눈을 돌리지 않았다.

그의 이런 뚝심이 최근 좋은 결실을 맺고 있다. 지난해 연말 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 실린 논문이 대표적이다. 천연가스를 직접 쓸 수 있는 고체 산화물 연료전지 연료극을 개발한 연구다. 이 기술은 지난 10일에는 산업통상자원부가 주관하는 ‘이달의 산업기술상’에도 선정됐다.

김건태 교수는 “연료전지 분야에 집중하면서 쌓은 실력과 이 과정에서 얻은 성과를 인정받은 것 같아 기쁘다”며 “UNIST 학생들과 장비가 없었다면 이루지 못했을 ‘순수한 UNIST 기술’이라는 점에서 의미가 더 크다”고 말했다.

“연료전지 연구 시작은 우연이었는데 평생 ‘인연’이 됐습니다”

“장래희망에 늘 ‘과학자’라고 썼으니 꿈을 이룬 셈이죠. 그런데 연료전지 연구자가 될 줄은 몰랐습니다. 연구자와 연구 분야도 인연이 있는 것 같아요.”

김 교수도 유학 가기 전에는 리튬이온전지 분야를 연구하던 학생이었다. 특이한 점이라면 고체 분자 구조에 밝다는 정도였다. 당시 대학원 지도교수가 고체 핵자기공명(Solid State NMR) 장치를 들여왔는데, 이 장치 운영을 김 교수에게 맡겼다. 그 바람에 김 교수는 리튬 등을 고체 상태에서 구조를 보는 데 익숙해졌다.

그런데 박사를 받으러 떠난 유학길에서 난관을 만났다. 그가 합격한 휴스턴대학교에는 리튬이온전지를 연구하는 교수가 없었던 것이다. 그는 “전공 분야가 없어 앞이 캄캄했지만 화학과에서 가장 유명한 교수를 찾아가기로 했다”며 “당시 휴스턴대 화학과를 주도하던 교수의 분야가 연료전지였고 그 사람의 연구실에 들어가게 됐다”고 말했다.

지도 교수와의 인연으로 전공을 바꿨지만 큰 어려움은 없었다. 고체 분자 구조를 보는 데 익숙한 데다 리튬이온전지에 대한 지식도 도움이 됐기 때문이다. 이후 김 교수는 고체 산화물 연료전지에 집중하게 됐다.

“연료전지와 만남은 선택이 아닌 우연이었지만 그게 인연이 됐습니다. 학생들이 종종 찾아와서 어떤 분야로 갈지 상담하는데 그때마다 ‘도전하라’고 말해줍니다. 우연히 마음에 들어온 그 생각이 평생 인연이 될지도 모르니까요.”

‘연료전지 완전체’에 도전… 집집마다 도시가스로 전기 만든다

김 교수는 박사 과정 때 고체 산화물 연료전지 두 전극 중 연료극(양극)을 연구했다. 박사 학위를 받은 뒤에는 펜실베이니아대 박사 후 연구원으로 활동할 때는 공기극(음극)을 다뤘다. 그는 “연구를 많이 하고 논문을 많이 내는 교수를 찾다 보니 음극까지 다루게 됐다”며 “그 덕분에 지금은 ‘연료전지 완전체’를 연구할 수 있게 됐다”고 말했다.

연료전지에 몰두하던 그는 효율을 높일 소재를 고민하다가 ‘이중층 페로브스카이트’라는 구조도 개발했다. 물리학자들이 연구한 논문까지 뒤졌는데, 거기서 아이디어를 얻은 것이다. 그가 개발한 이중층 페로브스카이트는 일반 페로브스카이트보다 산소가 잘 이동하고, 표면특성도 우수해 연료전지의 성능을 높이는 데 기여한다.

고체 분자 구조부터 연료전지의 음극과 양극까지 섭렵한 김 교수는 UNIST에서 연구의 꽃을 피웠다. 이중층 페로브스카이트 구조의 물질을 공기극과 연료극에 접목하면서 성과는 지속됐다. 2009년부터 꾸준히 진행한 연구 결과 연료전지의 효율을 높이고, 천연가스도 직접 연료로 활용할 길을 열었다. 탄소가 연료극 표면에 쌓이거나 황 불순물 때문에 쓸 수 없었던 문제를 해결한 것이다.

김 교수는 “새로 개발한 물질을 사용하면 집집마다 연결된 도시가스를 이용해 발전할 수 있다”며 “전기 생산은 물론 폐열로 온수도 공급할 수 있어 전기세도 절감하고 전력대란도 피할 수 있다”고 설명했다. 그는 이어 “연료전지 분야에서 원천기술을 확보한다는 점에서 보람을 느낀다”며 “아직은 피부로 닿지 않지만 연료전지 시대가 오면 우리 기술이 빛을 발할 것”이라고 기대했다.

그래핀 단점 극복해 다이 하드(Die Hard) 연료전지 시대 열다

백종범 교수와 이번 연구성과를 표현한 그림이다. 금속볼의 운동에너지에 의해 분쇄된 흑연의 탄소-탄소 결합이 끊어지면서 활성 탄소가 생성되고 이렇게 생성된 활성탄소의 높은 반응성이 탄소-안티몬 결합을 형성한다.

그래핀의 단점을 극복해 연료전지를 영구히 사용할 수 있는 길이 열렸다.

UNIST(총장 조무제) 백종범 교수(에너지 및 화학공학부) 연구팀은 그래핀에 ‘안티몬(Antimony)’이라는 준금속을 도입해 전기화학적 촉매 특성을 극대화했다.

안티몬이 도입된 그래핀을 투과전자현미경으로 분석한 결과, 안티몬이 그래핀 가장자리에만 선택적으로 붙어 있음을 확인했다. 또 전기화학적 활성이 우수하고, 10만 번을 사용해도 처음과 동일한 촉매 활성을 유지해 높은 안정성을 보였다. 연료전지의 촉매에 이를 적용할 경우 영구적으로 사용 가능하다.

안티몬은 금속과 비금속의 중간 성질을 가진 화학 물질로 그래핀에 도입된 것은 이번이 세계 최초다. 그래핀을 연료전지의 촉매로 적용할 경우 기존 백금 촉매의 활성을 능가할 수 없으나 안티몬이 도입된 그래핀의 경우 활성과 안정성 모두 값비싼 백금 촉매를 능가했다.

백종범 교수는 “준금속인 안티몬을 그래핀에 도입해 기존연구에서 발견하지 못했던 새로운 특성을 가진 그래핀의 제조가 가능해졌다”며 “그래핀이 다양한 분야로 상용화될 계기를 마련한 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 자연과학분야의 세계적 권위지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 22(금)일 게재됐다.

그래핀은 뛰어난 물리, 전기, 화학적 성질을 지녀 다양한 분야에서 응용이 가능하다. 하지만 그래핀은 탄소로만 이루어져 촉매로 사용 시 전기화학적 활성이 떨어진다. 이를 보완하기 위해 이종원소(질소, 산소, 등)를 도입해야 하는데 이종원소의 도입 자체가 어려울 뿐만 아니라 도입하더라도 그래핀의 결정성이 손상돼 전기적 특성이 저하된다.

백 교수 연구팀은 쇠구슬을 이용해 흑연을 얇게 깨뜨리는 기계화학적공정(볼밀링)으로 준금속인 안티몬을 그래핀 가장자리에 도입해 그래핀의 결정성(전기적 특성)을 그대로 유지했다. 쉽고, 친환경적인 공정으로 이종원소를 그래핀 가장자리에 도입한 것이다.

백 교수는 “이 기술이 포함된 그래핀 대량 생산기술이 지역 중견업체인 덕양(주)에 이전되어 양산 준비 중이다”며 “지역 산업 발전은 물론 국가 산업을 위한 원천소재공급에도 크게 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)의 ‘중견 및 리더연구자 지원사업’의 지원을 받았으며, UNIST의 김건태 교수(공동저자), 정후영 교수(공동교신저자), 박노정 교수(공동교신저자), 전인엽 박사(제1저자)가 공동으로 참여했다.

천연가스로 전기 만드는 연료전지, 들어보셨나요?

자원고갈과 환경오염은 21세기 인류에게 닥친 큰 위기들이다. 이 문제를 해결하기 위해 수많은 과학자들이 친환경 에너지를 개발하기 위해 노력하고 있다. UNIST 에너지 및 화학공학부에도 이 분야 연구를 꾸준히 진행하며 새로운 대안을 찾는 연구자들이 많다.

김건태 교수는 연료전지를 주제로 연구를 진행하는 과학자다. ‘고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)’의 상용화를 위한 과제를 해결하고 있는 그는 작년 8월에 이어 12월에 또 굵직한 연구 성과를 내놓았다. 논문이 게재된 저널은 재료 및 물리 분야 세계 최고 군위의 학술지인 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’다. 이 논문을 중심으로 김 교수와 일문일답을 나눴다.

Q. 김 교수님께서는 최근 ‘네이처 머티리얼스’에 논문을 게재하셨습니다. 이번 연구에 대한 간략한 소개를 부탁드립니다.

A. 이 연구에서 천연가스나 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소 연료를 직접 사용할 수 있는 고체 산화물 연료극 물질을 개발했습니다. 고체 산화물 연료전지는 수소나 탄화수소를 공기와 반응시켜 전기를 발생시키는데요. 전기 외에는 물만 발생하기 때문에 가장 이상적인 친환경 에너지원으로 손꼽힙니다. 게다가 다른 발전원에 비해 가격이 저렴하고, 배출되는 열까지 활용한다면 발전 효율이 95% 이상입니다. 신재생에너지 중 가장 뛰어난 셈이죠.

이번에 새로 개발한 전극 소재는 수소뿐 아니라 아닌 탄화수소를 직접 활용할 수 있다는 게 특징인데요. 안정성을 갖췄을 뿐 아니라 성능도 높다는 걸 확인했습니다. 700℃에서 프로판을 연료로 사용했을 때 탄소 침적이 일어나지 않았고, 500시간 이상 안정성을 평가한 결과 전압이나 전류가 낮아지지 않았습니다. 지금까지 보고된 것 중에는 세계 최고의 성과입니다.

또 수소나 프로판을 연료로 사용했을 때 기존에 보고된 전극 소재보다 뛰어난 출력 성능과 안정성을 보였습니다. 이로써 천연가스나 LPG 같은 탄화수소 계열 연료를 연료전지로 직접 활용할 수 있다는 걸 확인했습니다.

Q. 이번 연구 성과의 중요한 점은 무엇이고, 앞으로 어떤 분야에서 활용되는지 궁금합니다.

A. 고체 산화물 연료전지를 개발하는 데 있어서 가장 중요한 부분은 재료입니다. 고체 산화물 연료전지는 800℃ 이상의 고온에서 구동되기 때문에 비용이 많이 들고, 내구성도 떨어지는 단점이 있습니다. 따라서 700℃ 이하의 중․저온에서 고성능을 낼 수 있는 고체 산화물 연료전지 개발 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다.

이번 연구에서 개발된 물질은 이중층 페로브스카이트(doble perovskite) 시스템인데요. 열적․화학적 안정성을 가지고, 전기 전도도와 산소 이온의 이동속도가 뛰어나며, 수소와 탄화수소 연료의 산화 반응에 좋은 촉매 활성을 보입니다. 따라서 이번에 개발된 연료극 물질을 활용하면 고체 산화물 연료전지의 제작비용을 절감하는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

Q. 이번 연구 성과가 상용화될 경우 어떤 미래가 펼쳐지게 되나요? 또 그런 미래가 오는 데 어느 정도 시간이 걸릴지도 여쭙겠습니다.

A. 지난해 세계 연료전지 시장은 1조 8000억 원 규모로, 연평균 85% 성장세를 보였습니다. 최근 국내에서도 연료전지 사업에 LG, 두산, 포스코에너지 등 대기업이 제조 분야에서 시장을 선도하고 있습니다. 또한 연료전지 수요가 증가하면서 연료전지 전성기가 다가오고 있다는 기대감이 커지는 형편입니다.

이번 연구로 개발된 연료극 물질을 상용화 시스템에 적용하게 된다면 각 가정에 소형 고체 산화물 연료전지를 설치할 수 있게 됩니다. 이 연료전지 시스템에서는 수소를 따로 공급할 필요 없이 이미 설치된 가스관을 통해 천연가스를 공급할 수 있습니다. 이로써 전기를 생산하고 이 때 발생하는 폐열은 온수공급에 사용할 수 있을 것입니다. 이러한 자가발전이 이뤄진다면 전기세는 현재보다 절반 이하로 줄일 수 있으며, 해마다 반복되는 전력대란 역시 피할 수 있습니다.

물론 이런 시스템이 상용화되려면 고체 산화물 연료전지를 대면적에서 구현하고, 발전 시스템을 적용해 검증하는 등 여러 관문이 남아 있습니다. 하지만 스텍(stack) 단위의 기술을 보유하고 있는 기업이나 연구기관과 협력한다면, 머지않아 이번 연구로 개발한 연료극 물질을 사용한 고체 산화물 연료전지로 만든 전기로 TV를 볼 수 있을 겁니다.

Q. 이번 연구 결과를 얻는 데 결정적으로 도움이 됐던 아이디어나 사람이 있을까요? 연구 관련 에피소드를 이야기해주시면 감사하겠습니다.

A. 작년 8월 출력 성능과 안정성이라는 두 마리 토끼를 잡은 고체 산화물 연료전지 공기극 물질을 개발해 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 보고했습니다. 이 물질은 이번 연구에서 개발한 물질과 동일한 이중층 페로브스카이트 시스템인데요. 산소환원 반응이 빠르기 때문에 저온에서 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. ‘이런 장점을 살려 연료극에도 적용시켜 보면 어떨까’ 라는 것이 이번 연구의 시작이었습니다.

이번 연구에서는 특히 인도에서 온 대학원생의 기발한 아이디어가 돋보였습니다. 연료극에 적용할 수 있는 물질을 개발하라는 제 아이디어에 자기 자신만의 노하우(know-how)와 인도 학생의 특유의 창의성이 잘 결합돼 좋은 연구 성과가 나온 것 같습니다.

Q. 다음부터는 공통 질문 드리겠습니다. UNIST는 단기간에 빠르게 성장한 대학교입니다. 이 비결을 무엇이라고 보시는지, 또한 앞으로 학교가 더 성장하기 위해 필요한 것은 어떤 것이라고 생각하시는지 말씀해주시면 감사하겠습니다.

A. UNIST는 연구중심대학으로서 연구 인프라가 잘 갖춰져 있고, 연구할 의지가 있는 교수와 학생이 잘 화합할 수 있는 연구 분위기가 형성돼 있는 게 가장 큰 장점입니다. 특히 연구지원본부(UCRF)는 어디에 내놓아도 손색 없을 만큼 뛰어난 첨단 분석 장비를 보유하고 있어 연구자들이 효율적이고 효과적으로 장비를 이용할 수 있습니다.

UNIST가 한층 성장하기 위해 더 뛰어나고 창의적인 연구를 위해 연구 성과가 좋은 학생들을 추가로 지원해주는 방안이 있으면 좋겠습니다. 그리고 학생들이 연구뿐만 아니라 방과 후에도 자신을 충전을 할 수 있도록 다양한 먹거리를 선택할 수 있게 해줬으면 합니다.

Q. 교수님의 꿈은 무엇인가요? 혹은 가까운 미래에 이루고 싶은 목표를 말씀해주십시오.

A. 제 자신뿐 아니라 UNIST에 있는 모든 학생들이 즐겁게 살았으면 합니다. 그리고 그 즐거움이 각자의 행복으로 이어졌으면 합니다. 그게 제 꿈입니다.

성능과 안정성 모두 갖춘 친환경 에너지원 전극 소재 개발

김건태 교수(에너지 및 화학공학부), 박노정 교수(자연과학부)와 동의대 신지영 교수, 일본 큐슈대 이시하라(Tatsumi Ishihara) 교수가 참여한 국제 공동 연구팀

미래 친환경 에너지원으로 각광받는 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)의 성능을 2배 이상 높인 새로운 전극 소재가 개발됐다. 이 전극소재는 기존 연료전지의 불안정성 문제도 동시에 해결해 상용화의 길을 열었다.

UNIST(총장 조무제) 김건태 교수(에너지 및 화학공학부), 박노정 교수(자연과학부)와 동의대 신지영 교수, 일본 큐슈대 이시하라(Tatsumi Ishihara) 교수가 참여한 국제 공동 연구팀은 이 같은 연구 결과를 세계적 권위의 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte chemie) 인터내셔널 에디션(International Edition)’ 온라인 판에 8일(월) 발표했다.

‘앙게반테 케미’ 측은 “이번 논문의 혁신적인 연구 결과와 연료전지 분야의 파급효과를 인정해 10월 초 출간하는 학술지 표지 논문으로 발표할 예정”라고 밝혔다.

이번 연구 결과가 주목받는 것은 저온에서의 SOFC 성능 개선과 함께 안정성까지 확보했기 때문이다.

이번 연구를 주도한 김건태 UNIST 교수는 “기존의 결과들은 우수한 성능을 보이더라도 재료의 불안정성으로 인해 연료전지의 안정적인 작동이 불가능했다”라며 “향상된 성능을 150시간 동안 안정적으로 유지했다는 점에서 의의가 크다”라고 말했다.

SOFC는 전력을 저장해 사용하는 전지와 달리 수소와 공기만으로 전기를 발생시키는 친환경 에너지원이다. 상대적으로 가격이 저렴하고 연료의 연소과정이 없어 유독 물질을 배출하지 않는다. 또 50% 이상의 에너지 효율을 보여 원자력 발전을 제외하고 가장 효율적이다.

하지만 저온에서 출력이 떨어지는 단점으로 인해 800℃ 이상의 고온에서 작동해야 한다. 또 고온에서 장시간 사용할 경우 내구성이 저하되며, 고온을 견뎌낼 값비싼 고온합금이나 세라믹 소재를 사용해야만 한다.

공동 연구팀은 페로브스카이트라는 물질에 베륨(Ba)을 25% 줄이고, 칼슘(Ca)을 25% 늘려 만든 이중층 구조의 페로브스카이트를 개발해 전극에 활용했다. 전자 친화도가 높은 칼슘의 증가로 안정성을 향상시키고, 산소 이온을 빠르게 확산시켜 성능을 향상시켰다.

공동 연구팀이 개발한 전극소재의 성능을 시험한 결과 550oC에서 전압이나 전류가 150시간 이상 성능저하 없이 유지됐다. 또 600oC에서 세계 최고인 2.2 W/cm2의 출력을 보여 고온(800℃ 이상)의 고체산화물연료전지와 유사한 성능을 보였다.

김 교수는 “높은 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 전극소재의 개발로 국내외 연료 전지 실용화와 산업화에 크게 기여할 것”이라며 “상대적으로 가격이 저렴한 고체산화물연료 전지가 상용화되면 수 천 억원에 해당하는 비용 절감이 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)이 추진하는 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행됐다

고체산화물 연료전지용 공기극 소재 개발

고체산화물 연료전지용 공기극 소재 개발

국제 공동연구진이 소재가 상대적으로 저렴한 고체산화물 연료전지*의 성능과 안정성을 개선할 수 있는 전극소재를 개발해냈다. 향후 고체산화물 연료전지 상용화를 위한 발판이 될 것으로 기대된다.

 * 고체산화물 연료전지(SOFC, solid oxide fuel cell) : 산화지르코늄(ZrO2)이나 세리아(CeO2) 등 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지. 수소를 연료로 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 만든다.

UNIST 친환경에너지공학부 김건태 교수, 미국 조지아공대 메일린 류(Meilin Liu) 교수, 동의대 신지영 교수 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 교육부(장관 서남수)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 세계수준의연구중심대학(WCU) 육성사업 등의 지원으로 수행되었고 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트지(Scientific Reports) 8월 13일자에 게재되었다.

(논문명: Highly efficient and robust cathode materials for low-temperature solid oxide fuel cells : PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5+δ)

구성물질이 모두 고체여서 구조가 간단하고 소재가 상대적으로 저렴한 고체산화물 연료전지는 전해질 손실로 인한 충전의 번거로움이나 부식의 우려가 적다.

또 연료의 연소과정이 없어 유독물질이 배출되지 않는데다 에너지 효율도 50% 이상으로 높아 주목받는다.

하지만 800℃~ 1,000℃의 고온에서 작동하기 때문에 값비싼 고온합금이나 세라믹 소재를 사용해야 한다. 또 고온으로 장시간 사용시 내구성이 저하되는 것도 단점이었다.

때문에 보다 낮은 온도에서 작동하면서 전지의 성능은 저하되지 않는 물질을 개발하는 것이 관건이었다.

이에 연구팀은 기존보다 300℃ 가량 낮은 500~700oC에서도 출력밀도와 내구성이 뛰어난 이중층 페로브스카이트* 전극을 개발했다.

* 이중층 페로브스카이트(double perovskite) :  이온반경이 큰 희토류 등 원소와 원자반경이 작은 전이금속, 그리고 산소이온으로 된 8면체 물질, 페로브스카이트에서 이온반경이 큰 원자를 일부 치환해 원자크기의 차이를 만들어 층을 만든 물질로 산소이동도와 표면특성이 우수하다.

개발된 물질은 600oC에서도 1,000oC 고온에서의 출력에 못지 않은 2.2W/cm2의 출력을 보였다. 이는 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 최대 출력의 3배 이상에 해당하는 수준으로 2004년 네이처지에 보고된 것보다 2배 이상 향상된 수준이다.

또한 안정성 측정결과 550oC에서 150 시간 동안 전압이나 전류가 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.

작동온도를 낮추면 공기극*에서의 산소 이동이 느려져 반응이 원활하지 못해 출력에 나쁜 영향을 미치게 된다.

하지만 연구팀이 개발한 물질의 구조상 만들어지는 기공채널을 통해 산소 이온이 지그재그 유형으로 빠르게 확산할 수 있어 산소 환원반응이 원활해진다는 설명이다.

* 공기극 :  전해물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극(연료극, 공기극)으로 된 연료전지는 공기 중의 산소가 공기극을 지나고 수소가 연료극을 지날 때 전기화학 반응을 통해 전기와 물, 열을 생성한다.

김 교수는 “성능이 높으면서도 안정적인 연료전지 전극소재 개발의 단서를 제공함으로써 친환경 고체산화물 연료전지 개발에 응용될 경우 국내외 연료전지 상용화에 기여할 수 있을 것” 이라고 밝혔다.