머리카락 ‘1000분의 1′ 나노섬유로 세라믹 전해전지 개발

이산화탄소 분해 성능 약 50% 향상
300시간 이상 작동해도 전압 유지해

현미경으로 들여다 본 섬유의 모습./Pixabay

이강택 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 교수 연구진이 신소재 세라믹 나노 복합섬유를 개발해 현존 최고 성능의 이산화탄소 분해 성능을 갖는 세라믹 전해전지를 개발하는 데 성공했다고 1일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 환경과 에너지(Applied Catalysis B: Environment and Energy)에 3일 게재된다.

세라믹 전해전지는 이산화탄소를 유용한 화학물질로 전환할 수 있는 변환 기술이다. 기존 전해전지보다 온실가스 배출량이 적고 에너지 효율도 높아, 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 작동 온도가 섭씨 800도 이상으로 매우 높아, 장치의 안정성과 유지 비용 측면에서 상용화에 한계가 있었다.

이에 연구진은 전기 전도성이 뛰어난 ‘초이온전도체’ 소재를 기존 세라믹 전극과 결합해, ‘복합 나노섬유 전극’을 개발했다. 이 전극은 전기화학 반응이 더욱 활발히 일어나도록 설계돼, 세라믹 전해전지가 기존보다 훨씬 낮은 온도에서도 효과적으로 작동할 수 있도록 했다.

연구진은 이 복합소재를 활용해 전극의 두께를 기존보다 약 45% 줄이고, 머리카락보다 1000배 얇은 100나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1m) 수준으로 제작했다. 이렇게 초미세한 나노섬유는 전기화학 반응이 일어나는 면적을 극대화해 전극의 반응 효율을 크게 높였다. 그 결과, 세라믹 전해전지의 작동 온도를 낮추는 동시에 이산화탄소 분해 성능을 약 50% 향상하는 데 성공했다.

또한 복합 나노섬유가 적용된 세라믹 전해전지는 기존에 보고된 소자 중 가장 높은 세계 최고 수준의 이산화탄소 분해 성능을 기록했다. 아울러 300시간 이상 연속 작동해도 전압이 안정적으로 유지돼 내구성도 함께 입증됐다.

이강택 교수는 “이번 연구에서 제안된 나노섬유 전극의 제작 및 설계 기법은 이산화탄소 저감뿐만 아니라 그린수소 및 친환경 전력 생산과 같은 다양한 차세대 에너지 변환 소자의 개발에 있어 선도적인 기술이 될 것”이라고 말했다.

참고 자료

Applied Catalysis B: Environment and Energy(2025), DOI : https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125222

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