【Zoom in】 탄소중립 목표 달성을 위한 기술 개발 속속
2022-06-22

탄소중립 목표 달성을 위한 기술 개발 속속
역발상 그래핀쉘과 3D 프린팅으로 제작한 이온교환막
한국에너지기술연구원이 최근 연료전지의 내구성을 높이는 기술과 염분차 발전의 상용화를 앞당기는 기술을 발표했다. 연구진은 역발상으로 그래핀쉘을 적용해 연료전지 및 이차전지의 비활성화를 억제함으로써 내구성을 200% 이상 향상시킬 수 있었다. 에너지연은 또, 염분차 발전용 고출력 방오성 물결무늬 패턴형 이온교환막을 개발했다고 밝혔다. 3D인쇄로 제작한 이온교환막은 오염에 강하고 스택 내부 압력 손실이 매우 적다는 점이 특징이다. 염분차 발전은 기상에 상관없이 안정적으로 전력생산이 가능하고, 특히 해안가에 인접한 하수처리시설에 적용할 수 있어 한국의 지리적 여건에 잘 맞는다.

정리 이창호 기자
탄소중립 달성을 위해 태양광, 풍력 등 재생에너지 기술뿐만 아니라 수소와 연료전지, 이차전지 등 에너지원을 저장·공급하는 차세대 에너지 소자 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 가운데 국내 연구진이 이차전지와 연료전지의 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발하고 사업화에 성공해 이목을 끌고 있다.
역발상 그래핀쉘 적용
한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 김희연 박사 연구진은 연료전지 촉매 및 이차전지 전극 물질의 표면에 다공성 그래핀쉘을 코팅하는 기술을 개발했다. 연구진이 개발한 기술은 연료전지 촉매와 이차전지 전극의 내구성 저하 문제를 근본적으로 해결하는 기술이다. 다공성 그래핀쉘을 연료전지 전극용 백금(또는 백금-전이금속 합금) 촉매와 이차전지 전극용 실리콘산화물에 적용해 내구성을 200% 이상 향상시킬 수 있다.

연구진은 2010년대 초부터 꿈의 소재라 불리는 그래핀을 적용한 전극 소재 연구에 집중해왔다. 특히, 모두가 흠집이 없는 매끈한 그래핀을 만드는데 집중할 때, 연구진은 오히려 고정관념을 깨고 구멍이 숭숭 뚫린 다공성 그래핀에 집중했다. 다공성 그래핀을 금속 촉매의 표면에 코팅하는 경우, 중간중간 구멍을 가진 그래핀 껍질의 신축성과 보호효과로 인해 연료전지 및 이차전지의 성능저하를 억제하는 것을 확인했다.
적은 예산으로 단기간에 사업화 가능
연구진이 개발한 기술은 반도체 공정에 주로 적용되던 화학기상증착 공정을 응용했다. 전극 물질이 놓인 반응 챔버 내에 기체 상태의 탄화수소(탄소와 수소로 이루어진 화합물) 물질을 저농도로 흘려주는 것만으로 연료전지용 백금계 촉매 및 이차전지 전극용 실리콘 나노입자의 표면에 다공성 그래핀쉘을 코팅할 수 있다.

이처럼, 이 기술은 공정이 매우 간단하고, 처리 시간이 수 초에서 수 분 내외로 짧으며, 온도와 반응물의 농도 조절만으로 그래핀쉘의 형상 및 두께를 조절할 수 있다. 이에 더해, 촉매 10 ㎏을 코팅하는데 원료비가 수 백 원에 불과할 정도로 저렴해 적은 예산으로 단기간에 사업화가 용이하다는 장점이 있다.

기본적으로 모든 종류의 배터리는 충방전 과정에서 팽창과 수축을 반복하면서 손상이 발생하고 충전효율이 저하된다. 그러나 이차전지의 차세대 음극재인 실리콘 나노 입자에 다공성 그래핀쉘을 코팅하면 배터리의 충방전 과정에서 발생하는 팽창과 수축에 탄력적으로 반응하면서 수명저하(전극의 비활성화)를 근본적으로 억제할 수 있다.

또한 연료전지 전극용 촉매의 경우, 가동 중 촉매 입자의 심각한 비활성화가 필수적으로 동반되는데, 이 경우에도 촉매 표면에 코팅된 다공성 그래핀쉘의 보호 효과로 촉매 입자의 응집, 부식, 탈락을 근본적으로 억제할 수 있다. 더불어 그래핀쉘에 숭숭 뚫린 구멍을 통해 반응물이 쉽게 이동할 수 있어 촉매 성능 저하를 최소화 할 수 있다.
원천 소재 기술의 사업화 사례
한편 한국에너지기술연구원은 ㈜액트로와 5월 6일 본원에서 ‘다공성 그래핀 코팅’기술 이전 체결식을 가졌다. 연구책임자인 김희연 박사는 “이번 기술 이전은 국내 자체기술로 개발된 순수 ‘원천 소재 기술’에 대한 사업화”라는 점을 강조하면서 “매우 드문 사례이며, K-소부장 기술을 바탕으로 한 수소경제 및 친환경 에너지 시스템의 인프라 구축에 크게 기여할 것”이라며 기대감을 내비쳤다. ㈜액트로 하동길 대표는 “스마트폰 부품 사업 일변도의 사업포트폴리오를 다각화하고, 미래성장 먹거리를 선정해 투자와 추가증설 계획을 수립했다는데 의의”가 있다면서, “향후 원천기술 및 관련 소재기업들과 시너지를 통해 입지를 강화하겠다”는 포부를 밝혔다.

국내 정밀부품 제조 전문기업인 ㈜액트로는 기술 이전 받은 순수 국내기술을 기반으로 전극 소재를 양산할 계획이며, 기존에 대부분 수입에 의존하던 전극 소재를 국산화하고 나아가서 관련 해외 시장을 개척을 목표로 하고 있다.
3D인쇄로 염분차 발전 상용화 앞당겨
한편, 에너지연은 5월 13일 해양융복합연구팀 최지연·정남조 박사 공동연구팀이 하수방류수와 실제 해수를 이용한 염분차 발전에서 오염에 강하고 스택 내부 압력 손실이 매우 적은 물결무늬 패턴형 이온교환막 개발에 성공했다고 발표했다.

염분차 발전 중 역전기투석(Reverse Electrodialysis, RED)은 교대로 적층된 이온교환막과 그 사이에 해수, 담수가 원활히 흐르도록 유로 역할을 하는 스페이서로 구성된다. RED는 스택 내의 이온교환막을 통해 바닷물과 민물 사이의 이온이 분리되고 이동할 때 발생하는 전위차를 이용해 전기를 생산한다. 그런데 스페이서는 ‘직조’방식의 구조와 형태의 한계로 인해 스택의 압력을 상승시켜 에너지 소모를 증가시키고 유·무기 오염문제가 발생한다.

이 문제를 해결하기 위해 이온교환막에 직접 구조체를 연결해 스페이서 고유의 역할을 수행하도록 만든 패턴형 이온교환막 개발을 위한 노력들이 진행되고 있다. 그러나 대부분 열압착이나 용액캐스팅 방식으로 얇은 막을 만드는 것은 한계가 있다. 금속형 몰드에서 분리할 때 발생할 수 있는 균열과 고온·고압으로 인해 이온교환막 성능이 저하되기 때문이다.

이에 연구팀은 3차원 프린터로 패턴 구조물을 이온교환막 표면에 직접 인쇄해 120 미크론(㎛) 정도로 매우 얇은 패턴형 이온교환막을 개발하는데 성공했다. 연구팀이 개발한 패턴형 이온교환막은 압력을 3분의 1 수준으로 줄이고 내오염성이 향상돼 스택의 안정성을 획기적으로 높였다.

기존의 직조형 스페이서는 직교형태로 구성돼 작은 공간이 생겨 해수와 방류수에 존재하는 콜로이드 형태의 오염 물질들이 쉽게 갇히고 이는 곧 스택의 압력을 증가시키는 원인이 된다. 연구팀은 3차원 프린터로 세공충진형 이온교환막의 표면에 물결무늬 패턴을 적용해 마이크로 크기의 해수 및 담수의 유로를 만들어 이 문제를 해결했다. 해수와 담수는 물결무늬의 패턴을 따라 막힘없이 유로를 따라 흐르게 되고, 이로 인해 오염 물질들이 스택 내부에 쌓이지 않아 내오염성이 향상되었고 압력이 저감되는 효과가 나타났다.

또한, 물결무늬 패턴막이 직선형 패턴막에 비해 높은 출력밀도와 낮은 압력강하가 확인됐는데, 이는 동일한 유효면적을 갖는 패턴막이라 하더라도 패턴 구조물에 따라 해수와 하수방류수가 효과적으로 혼합되는 정도가 다르기 때문인 것으로 확인됐다.

스페이서와 평막으로 구성된 스택과 패턴막으로 구성된 스택을 비교한 결과 압력을 1/3 이하로 줄여 소모되는 에너지를 획기적으로 줄였다. 또한 실제 해수와 하수방류수를 사용한 비교에서도 스페이서와 평막을 사용한 스택은 압력이 초기대비 3배 이상 상승해 6일 만에 운전이 중단됐으나 패턴막은 14일 이상 안정적으로 운전해 우수한 성능을 보였다. 더불어 스택을 장기간 운전 시, 직조형 스페이서를 사용하는 역전기투석의 유지비용은 전체의 30~50%를 차지하는데 반해, 연구팀이 개발한 패턴형 이온교환막은 10~20% 수준으로 유지비용을 절감시켜 경제성을 확보했다.

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