[토토 사이트 성재경 기자] 그린수소를 생산·활용하는 연료전지, 수전해 전지, 촉매 분야에 산소 이온성 고체전해질이 널리 쓰인다.
이러한 산소 이온 전도체들은 700℃ 이상의 고온에서 주로 활용되기 때문에 소자 내 다른 요소들과 화학반응을 일으키거나 소재 응집, 열충격이 발생할 수 있어 신소재 개발에 대한 요구가 높다.
KAIST는 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 미국 메릴랜드대학 에릭 왁스만(Eric Wachsman) 교수 연구팀과 공동연구를 통해 기존 소재 대비 전도성이 140배 높은 산소 이온 전도성 고체전해질 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.
이번에 개발된 신소재는 비스무트 산화물 기반으로 400℃에서 기존 지르코니아 소재의 700℃에 해당하는 높은 전도성을 보이며 중저온(600℃) 영역에서 140배 이상 높은 이온전도도를 보였다.
비스무트 산화물 산소 이온 전도체 소재는 중저온 영역대에서 상전이로 인해 이온전도도가 급격하게 감소한다는 문제가 있었지만, 이번에 개발된 신소재는 의도적으로 불순물을 첨가하는 도핑(Doping) 공정을 통해 중저온 영역에서도 1,000시간 이상 높은 이온전도도를 유지해 상용화 가능성을 높였다.
이번에 개발된 신소재는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 적용돼 학계에 보고된 소자 중 가장 높은 수준의 전력 생산(2.0W/㎠, 600℃) 능력을 보였다. 또 고체산화물 전해전지(SOEC) 적용도 가능해 기존 대비 2배 높은 단위면적당 15.8mL/min의 탁월한 그린수소 생산 능력을 보였다고 밝혔다.
이강택 교수는 “이번에 개발된 산소 이온 전도체 신소재는 중저온 영역에서도 안정적으로 높은 전도도를 유지할 수 있어 세라믹 소자의 높은 작동온도를 획기적으로 낮추는 데 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
KAIST 기계공학과 유형민 박사과정, 정인철 박사, 장승수 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했으며, 한국에너지기술연구원 이찬우 박사 연구팀이 공동으로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 10월 17일자 온라인판에 게재됐다.