김범준 KAIST 교수, 내구성·경제성 뛰어난 연료전지 개발[이달의 과학기술인상]

고가 '백금' 기존의 5%만 쓰고도
연료전지 내구성 세계 최고 수준
고성능 탄화입자 대량 생산 발판

김범준(왼쪽 세번째) 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수가 연구실에서 팀원들과 파이팅을 외치고 있다.

[서울경제] 지난 1839년 독일의 화학자인 프리드리히 쇤바인의 논문으로 세상에 처음 알려진 연료전지는 이제 기후변화와 에너지 위기를 타개할 고효율·친환경 미래 에너지로 주목받고 있다. 1960년대 미국의 아폴로 우주선을 통해 새로운 연료 공급 패러다임을 제시한 데 이어 현재 자율주행, 국방, 항공 우주 등 다양한 분야에서 활용이 늘고 있다.

이를 위해 수소와 산소의 화학반응을 이용하는 고효율·친환경 연료전지의 핵심 기술 중 하나인 탄소 지지체 합성 기술의 선점이 중요하다.

과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제신문이 공동주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 1월 수상자인 김범준(45) 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수는 탄소 지지체 합성 기술 수준을 높이는 방식으로 현재 연료전지의 핵심 소재이나 가격이 매우 비싼 ‘백금’을 기존 방식보다 불과 5%만 쓰고도 오히려 연료전지의 내구성을 높일 수 있는 기술을 제시했다.

김범준 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구팀이 웃으면서 하트를 그리고 있다.

그의 연구팀은 간단한 공정으로 높은 내구성을 가지는 블록 공중합체 탄화입자를 제작해 고성능 연료전지 개발에 성공했다. 블록 공중합체는 두 개의 서로 다른 고분자를 연결한 사슬 구조로 사슬 간 반발력과 인력이 작용해 다양한 나노 구조를 효과적으로 만들 수 있다.

김 교수는 블록 공중합체 입자의 모양 조절과 무기 하이브리드 입자 제작을 통해 연료전지와 태양전지에 응용해왔다. 최근에는 블록 공중합체 입자 기반의 제조 플랫폼과 초고성능 연료전지 개발을 통해 독창적인 연구 성과를 보여줬다. 그는 “구조와 특성이 제어된 탄화 입자를 대량으로 제작하기 위해 구조가 제어된 블록 공중합체 입자를 먼저 만들고 이를 고내구성의 탄화 입자로 바꾸는 전략이 주효했다”고 설명했다.

멤브레인 에멀전 방법으로 모양과 구조를 조절한 블록 공중합체 입자와 고품질 탄화 입자 제작 플랫폼.

연구팀은 고기능 분리막을 이용한 멤브레인 에멀전 방법으로 높은 내구성의 탄화 입자를 대량 생산하는 플랫폼을 개발, 연료전지 환원극과 태양전지 등의 고성능 에너지 소자를 개발했다. 멤브레인 에멀전은 고분자 입자를 용액상에서 쉽게 만들 수 있는 기술로 멤브레인을 통해 원하는 크기의 균일한 고분자 입자만을 선택해 고품질의 입자를 대량으로 얻어낼 수 있다. 연료전지 전극 등 여러 에너지 변환 장치에 사용되는 고분자 탄화 입자는 입자의 모양과 내부 구조에 따라 성능과 신뢰성이 좌우된다.

블록 공중합체 입자를 사용해 제작한 연료전지 성능을 2025년 미국 에너지부(DOE) 목표와 비교한 그래프.

연구팀이 설계한 탄화 입자는 세계 최고 수준의 연료전지 구동 내구성을 보였고 고가의 백금 사용을 기존 방식에 비해 5%만 썼는데도 높은 성능을 달성했다. 김 교수는 “모양과 내부 구조가 조절된 탄화 입자를 대량 생산할 수 있는 플랫폼 기술을 구현하고 내구성과 경제성이 뛰어난 고성능 연료전지를 개발했다”며 “연료전지뿐 아니라 태양전지·이차전지 등 여러 에너지 소자의 성능과 내구성 향상을 이끌 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 에너지 인바이런먼털 사이언스, 미국화학회지 등 권위 있는 학술지에 게재됐다. /고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com

“고성능 에너지 소자 중요성 커져···스마트 소재 연구에 힘쓸 것”

“신축성 있는 태양전지에 많은 관심을 갖고 연구를 진행하고 있습니다. 최근 태양전지·디스플레이 등 많은 전자소자들이 몸에 착용할 수 있는 형태로 개발되고 있죠.”

과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제신문이 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 1월 수상자인 김범준(45·사진) 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수는 6일 서울경제와의 인터뷰에서 “연료전지뿐만 아니라 다양한 자극에 감응해 모양과 색을 조절할 수 있는 스마트 고분자 입자와 휴대 가능한 태양전지 개발에서 성과를 내고 있다”며 이같이 밝혔다. 그는 서울대 화학공학과를 나와 미국 캘리포니아대 산타바버라 캠퍼스에서 화학공학 박사를 받았으며 현재 미국화학회지(Chemistry of Materials)와 영국화학회지(J. Mater. Chem. A)의 편집자문위원을 맡아 좋은 논문을 쓰면서도 대·중소기업과의 산학 협력에 적극 나서고 있다.

그는 “몸에 착용 가능하고 늘어나는 태양전지, 고성능 연료전지 소재, 외부 환경에 따라 색과 기능이 변하는 스마트 소재 등의 연구를 활발히 진행하고 있다”며 “스마트 하이브리드 소재, 태양전지 등 여러 응용 소자를 좀 더 원론적으로 접근해 차별화된 연구법을 개발하고 있다”고 했다. 신축성 있는 태양전지에 필요한 탄성을 갖춘 고성능의 고분자 기반 신소재를 개발해야 휴대할 수 있고 신축 시 더 많은 면적에서 태양에너지를 전기로 전환할 수 있다는 것이다.

김 교수는 “전기차뿐 아니라 많은 데이터를 처리해야 하는 자율주행, 스마트 모빌리티 기술이 화두가 되면서 배터리를 비롯해 연료전지와 같은 고성능 에너지 소자의 중요성이 확대되고 있다”며 산학 협력에 대한 의지도 밝혔다. 그는 현재 삼성전자·현대자동차·삼성디스플레이 등 대기업뿐 아니라 여러 중소기업에 대해 기술이전에 나서고 있다. 그는 “한라폴리텍·오리온이앤에스라는 중소기업에 전도성 고분자 소재 기술을 각각 이전했다”며 “오토바이 운전자를 위해 실시간 정보나 운전 편의성을 제공해주는 스마트 헬멧 등을 개발하는 데 도움을 주고 있다”고 소개했다.

김 교수는 “연구개발(R&D)에서 융합과 협업이 더욱 중요해지고 있다. 연료전지 연구를 같이 진행해준 이현주·정유성 교수에게 고맙다”며 “중요한 원천 기술을 확보하거나 산업적으로 잘 연결이 될 수 있도록 연구 주제들을 고민하고 공부하겠다”고 말했다. /고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com