카이스트, 10분 만에 '그린수소' 고성능 전해전지 완성 기술 확보

이강택 교수팀, 마이크로파로 초고속 소결 공정기술 개발 기존 공정보다 200℃ 이상 낮은 온도, 30배 이상 빠른 속도

[대전=뉴시스] 카이스트(KAIST) 이강택 교수팀이 마이크로파로 단 10분만에 고체산화물 전해전지를 완성하는 초고속 소결 공정기술을 개발했다. 마이크로파 기반 초고속 소결 공정 및 기존 소결 공정 모식도(a)와 소결 공정에 따른 세라믹 이중층 전해질 단면 이미지.(사진=카이스트 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 이산화탄소를 배출하지 않는 '그린수소' 생산과정을 대폭 단축할 수 있는 기술을 국내 연구진이 확보했다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 기계공학과 이강택 교수팀이 단 10분 만에 그린수소의 고성능 전해전지를 완성할 수 있는 초고속 제조기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

이산화탄소를 배출하지 않는 그린수소 생산의 핵심기술인 고체산화물 전해전지(SOEC)는 세라믹 분말을 고온에서 굳히는 '소결' 과정이 필요하다.

이 교수팀은 이 과정을 6시간에서 10분으로 단축하고 작업온도도 1400℃에서 1200℃로 낮추는 데 성공했다.

연구팀에 따르면 소결이 제대로 이뤄져야 전지의 가스가 새지 않고(수소와 산소가 섞이면 폭발 위험) 산소이온이 손실 없이 이동하며 전극과 전해질이 단단히 밀착돼 전류가 원활히 흐른다.

이번에 이 교수팀은 마이크로파를 이용해 재료 내부부터 균일하게 가열하는 '체적가열(Volumetric Heating)' 기술을 적용, 기존 수십 시간이 소요되던 소결 과정을 30배 이상 단축시켰다.

특히 기존에는 1400℃ 이상의 고온에서 장시간 처리해야 했는데 이번 연구에서는 마이크로파를 이용해 내부부터 동시에 가열시켜 단 10분 만에 1200℃에서도 안정적인 전해질 형성이 가능토록 했다.

또 전지를 만들 때 필수재료인 세리아(CeO₂)와 지르코니아(ZrO₂)이 서로 섞이지 않고 알맞은 온도에서 단단하게 붙도록 조절해 흠집과 빈틈없는 전해질층을 만드는 데도 성공했다.

기존 공정에서는 전지를 만들 때 필수재료인 세리아(CeO₂)와 지르코니아(ZrO₂)가 너무 높은 온도에서 서로 섞여 재료의 품질이 떨어지는 문제가 있었다.

이를 통해 새롭게 제작된 전지는 750℃에서 분당 23.7㎖의 수소를 생산하고 250시간 이상 안정적으로 작동하며 우수한 내구성을 갖는다.

기계공학과 유형민·장승수 박사과정생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '어드벤스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 온라인판에 지난 2일 게재됐고 연구의 파급력을 인정받아 표지논문(Inside front cover)으로 선정됐다.

이강택 교수는 "이번 연구는 고성능 고체산화물 전해전지를 신속하고 효율적으로 제조할 수 있는 새로운 제조 패러다임을 제시한 성과"라며 "기존 공정 대비 에너지 소비와 시간비용을 획기적으로 절감할 수 있어 상용화 가능성이 매우 높다"고 말했다.

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