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안지환 포스텍 기계공학과 교수. 포스텍 제공국내 연구진이 최신 반도체 공정으로 고체 산화물 수전해 전지(SOEC)의 효율을 향상시켰다. SOEC은 재생 에너지 기반 전력으로 물을 전기 분해해 그린 수소를 생산할 수 있다. 이번 연구에선 루테늄이나 이리듐과 같은 고가의 귀금속 촉매 없이 SOEC의 효율을 높여 경제성을 확보했다.

포스텍은 안지환 기계공학과 교수 등이 이끈 국제공동연구팀이 플라즈마를 활용한 원자층 증착 공정을 통해 아주 적은 양의 루테늄으로 SOEC의 성능을 획기적으로 높이는 데 성공했다고 21일 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 ‘ACS 카탈리시스’에 지난달 8일 게재됐다.

연구팀은 기판에 원자층 단위로 매우 균일하고 얇은 막을 입히는 원자층 증착(ALD) 공정에 플라즈마를 결합한 공정(PEALD)을 통해 SOEC의 전극에 7.5Å(옹스트롬, 10-10미터) 정도의 매우 얇은 루테늄을 증착시켰다.

이어 산소 전극 표면에 얇게 증착된 루테늄은 산소 발생 반응을 촉진함과 동시에 전극을 구성하는 스트론튬(Sr)과 화합물(SrRuO3)을 형성해 스트론튬이 전극에서 분리되지 않도록 해 SOEC의 내구성을 높였다. 실험 결과 얇은 루테늄 막이 코팅된 SOEC의 수소 생산 성능이 기존 전지 대비 49.1% 향상됐다.

수소로 전기를 생산하는 수소 연료전지에 이 기술을 적용한 결과 전지의 성능이 기존 대비 31.9% 증가했다. 매우 적은 양의 루테늄 양방향 촉매로 수소를 생산하고 수소로 전기를 만드는 두 전지의 성능을 모두 높이는 데 성공한 것이다.

이번 연구를 이끈 안지환 교수는 “최신 반도체 공정인 PEALD로 극미량의 안정적 촉매를 제작함으로써 SOEC 및 연료전지(SOFC)의 효율을 높일 수 있었다”고 말했다.
 

(왼쪽) 연구팀이 제작한 고온 수전해 전지 단면도. (오른쪽) PEALD Ru 공정이 적용된 SOEC의 구동시간에 따른 활성화 저항 변화 차이. 포스텍 제공