POSTECH-KAIST, 반도체 공정으로 SOFC용 다공성 전극 제작 성공

파우더 원자층 증착 공정으로 SOFC용 고성능·고내구성 전극 성공적 구현

포스텍(POSTECH)은 안지환 기계공학과 교수·박사과정 조성은 씨가 정우철 KAIST 신소재공학과 교수·전성현 씨 연구팀과 함께 최신 반도체 공정을 사용해 고체 산화물 연료 전지(SOFC)용 다공성 전극을 제작하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

원자층 증착 공정(ALD)은 기체 상태 물질을 기판 표면에 원자층 단위로 얇고 균일하게 증착하는 기술이다. 안지환 교수팀은 이전 연구에서 ALD 기술로 SOFC 효율을 높인 이후 이번에는 미세 분말 상 나노 박막을 정밀 코팅할 수 있는 분말 ALD 공정·장비를 직접 개발해 적용했다.

왼쪽부터 안지환 포스텍 교수, 박사과정 조성은 씨, 정우철 KAIST 교수, 전성현 씨.

연구팀은 이 공정으로 산화지르코늄 세라믹 물질을 다공성 구조체 공기극에 균일하게 코팅했다. 기존의 반도체용 ALD 공정으로는 기체 상태의 반응물질이 다공성 구조 표면에 주로 흡착되고 복잡도가 높은 공극 내부로의 침투에 한계가 있었던 반면, 분말 형태 전극 소재에 원자층 공정을 적용하여 구조체 내부까지 증착하는 데 성공한 것이다. 실험 결과, 연구팀이 제작한 전극은 고온 환경(700~750℃)에서도 전지 최대 전력 밀도를 기존 대비 2.2배 높였으며, 전지 효율을 떨어뜨리는 활성화 저항이 60% 감소했다.

분말 ALD 기술을 통한 전극 분말 상 원자 단위 두께 제어 메커니즘 모식도

안지환 교수는 “우수한 반도체 공정 기반 기술로 친환경 에너지 시스템 분야에서 혁신을 이룬 사례다. 분말 ALD 기술은 SOFC 뿐만 아니라 고체 산화물 수전해 전지 등 수소 생산 및 이차전지 소자에도 활용도가 높은 기술이다”고 했다.

한국연구재단 대학중점연구소사업과 중견연구자지원사업 및 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원으로 진행된 이번 연구성과는 최근 재료과학 분야 국제 학술지인 '스몰 메소즈(Small Methods)' 뒷 표지(back cover) 논문으로 실렸다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com