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<연속기획>수소·연료전지 연구현장을 가다 - ⑨ 광주과학기술원

수전해·연료전지 연구 메카로 성장한 GIST
저비용·고효율 수소생산 및 연료전지 내구성 확보 주력
수전해용 고효율 흑연양극 개발로 수소생산 단가 낮춰
수전해·연료전지 촉매 연구 및 실용화 기술 개발 ‘활발’
수소 이온 전달하는 이온교환막 연구개발도 진행


[월간수소경제 이종수 기자] 올해 창립 25주년을 맞이한 광주과학기술원(GIST)은 세계 명문 대학들과 어깨를 나란히 할 정도로 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 2015년 영국 글로벌 대학평가 기관인 THE가 실시한 세계대학평가에서 첫 종합평가 대상으로 포함된 GIST는 서울대, 포항공대, KAIST, 성균관대, 고려대에 이어 국내 6위에 오르는 저력을 보여줬다.


특히 THE의 설립 50년 미만 대학평가에서도 세계 33위, 국내 3위에 올라 세계적인 대학으로의 발전 가능성을 입증했다. 2016년 미국 특허 등록 실적에서 세계 57위에 오르는 등 성과 확산 부문에서도 뛰어난 역량을 보이고 있다.


광주과학기술원은 수소·연료전지 분야 연구에서도 많은 성과를 창출하고 있다. 수소·연료전지 연구는 신소재공학부(이상한·이재석·최창혁·엄광섭 교수), 이재영 지구·환경공학부 교수, 융합기술원 융합기술학제학부의 홍성안 석좌교수와 박찬호 교수, 서준혁 화학과 교수 등이 주도하고 있다.


태양광 수전해 광전극 연구
이상한 신소재공학부 교수의 ‘기능성 나노구조 및 나노전자 연구실’은 최근 친환경 수소에너지 생산을 목적으로 하는 태양광 물 전기분해 소자용 박막형 광전극의 성능향상을 위한 연구를 중점적으로 수행하고 있다.


이상한 교수 연구팀은 태양광을 이용한 물 전기분해 시 필요한 광전극을 제작하는 데 있어 매우 얇은 수 나노미터(nm) 두께의 기능성 삽입층(산화텅스텐)을 이용하면 아주 쉽게 고품질의 단결정 광전극을 형성할 수 있음을 최초로 밝혔다. 기존보다 더욱 더 효율적인 수소생산이 가능한 방법을 찾아낸 것이다.



광전극이란 태양광을 흡수해 전자와 정공을 발생시키는 물질로 만들어진 전극을 말한다. 여기서 물이 광전극에서 발생한 전자와 정공과 반응해 수소에너지로 전환된다.


대표적인 광전극 물질이 비스무스 바나데이트(BiVO4)인데, 현재까지 이 물질을 구동할 수 있는 고품질의 단결정 광전극 형태로 제작한 사례가 없어 광효율에 직·간접적으로 영향을 줄 수 있는 결정면 및 결함(defect)에 따른 비스무스 바나데이트의 광활성 거동에 대한 근본적인 이해가 부족한 실정이다.


이 교수팀은 이 연구결과를 통해 추후 결정면에 따른 비스무스 바나데이트의 광 활성 거동에 대한 근본적인 이해가 가능하고, 수소생산 기술 분야에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대하고 있다.


또한 이상한 교수 연구팀은 비스무스 바나데이트 광전극이 결정 방향에 따라 상이한 광 반응 특성을 가진다는 사실을 최초로 실험으로 밝혀 고효율 물 분해 수소생산을 위해서는 광전극 결정 방향의 제어가 필요하다는 근거를 제시했다.


결정 방향의 유형 중 하나인 수직 결정 방향에 비해 수평 결정 방향에서 광전류 밀도가 300% 이상 향상됐다. 이러한 광전류 밀도의 향상은 태양에너지를 수소 에너지로 변환하는 데 있어 효율의 향상과 직결된다.


이 교수는 “이번 연구를 통해 특정 결정 방향으로 합성된 광전극을 제작하는 것이 수소생산 효율을 향상시키는 데 매우 효과적인 방법임을 확인했다”고 밝혔다.


이상한 교수 연구팀은 비스무스 바나데이트가 나노막대 형태의 산화아연(ZnO)과 이종구조를 이룬 광전극 표면에 플라즈모닉 금 나노입자를 분산시킨 새로운 구조의 물 전기분해 수소생산용 광전극도 개발해 수소생산 효율을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다.


연구팀은 광전극 물질인 비스무스 바나데이트를 나노선 형태의 산화아연 위에 얇게 입혀 이종구조를 만들고 금 나노입자를 그 위에 분산시킨 새로운 형태의 다중 구조 광전극을 이용하면 빛의 흡수와 전하의 이동을 모두 향상시킬 수 있을 것으로 예측했다. 실제 이러한 다중 구조 광전극을 제작·측정한 결과 빛의 흡수 및 전하 전달 특성이 기존의 비스무스 바나데이트 광전극보다 향상되고 광전류 밀도 값이 월등히 증가함을 확인했다.



수전해·연료전지 난제 해결
이재영 지구·환경공학부 교수팀은 흑연화된 카본양극을 이용해 고순도 수소생산공정 중 하나인 알카리 물 전기분해의 난제인 산소발생 효율을 개선하는 데 성공했다.


천연가스인 메탄가스를 고온·고압에서 수증기로 분해해 수소를 생산하는 공정에 비해 전기화학 공정의 양극재료로 저가의 비금속 촉매를 사용해 수소 생산단가를 낮춰 상용화에 기여할 것으로 기대된다.


이 교수 연구팀은 전기방사법을 이용해 카본섬유 내·외부에 코발트 입자를 골고루 위치시키고, 화학적 리칭(leaching) 공정으로 완벽히 코발트입자를 제거함으로써 고효율 산소발생에 적합한 메조기공 및 흑연구조를 선택적으로 형성시킬 수 있었다.


그 결과 흑연화된 양극이 산소발생 활성과 내구성을 모두 확보할 수 있는 촉매임을 규명했다. 음이온교환분리막이 적용된 zero-gap 셀(양극·이온교환막·음극을 일체형으로 접합시켜 계면의 틈을 100%에 가깝게 제거한 전기화학 반응 셀)로 실질적인 물의 전기분해 공정효율 개선까지 이끌어냈다.


이재영 교수 연구팀은 한국전력공사 전력연구원과의 공동 연구를 통해 흑연나노섬유를 이용해 수소연료전지 공기극의 물 관리 문제를 개선하는 데 성공했다.


연료전지는 애노드(anode)에서 수소산화반응, 캐소드(cathode)에서 산소환원반응을 통해 전기를 생산하는 친환경 고효율 발전 장치다. 산소환원반응으로 생성된 물은 수소이온교환막에 적절히 포함되면 수소이온전도도를 향상시키지만 과다하게 생성되면 전극 내부에 물이 넘치는 현상이 일어난다. 이는 수소연료의 물질 전달을 방해해 연료전지의 심각한 성능저하 요인으로 작용한다.


연구팀이 개발한 흑연나노섬유가 적용된 연료전지 전극은 기존의 백금·탄소 전극만을 사용한 것과 비교해 과량의 물을 자발적으로 배출하고 공기 속 산소의 공급을 원활하게 한다.


이재영 교수는 “이번 연구성과를 통해 백금 귀금속 촉매의 내구성 확보가 가능해져 수소전기차 제조의 경제성을 높이는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.


수전해·연료전지 촉매 연구
박찬호 GIST 융합기술원 융합기술학제학부 에너지프로그램 교수의 ‘에너지 촉매 및 디바이스 연구실’은 혁신적인 소재 개발을 통해 연료전지의 내구성과 경제성을 향상시키는 데 중점을 두고 있다. 특히 연료전지 소재 중 핵심적인 전기화학 촉매에 대한 연구와 촉매를 이용해 전극화(단위전지 제조) 하는 연구를 진행하고 있다.



연료전지 촉매는 담체와 활성 금속으로 이루어지는데, 촉매의 내구성을 높이는 동시에 가격을 낮추기 위해 고내구성 담체를 개발하고 있다. 담체에 고활성의 금속을 담지시키는 연구를 통해 높은 활성과 내구성을 가진 촉매도 개발하고 있다.


연료전지 소재 연구뿐만 아니라 연료전지의 실용화를 위해 개발된 촉매를 이용해 단위 전지인 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)를 만들기 위한 전극 제조공정에 대한 연구를 병행하고 있다.


또한 연료전지의 친환경성을 극대화하기 위한 청정 수소(green hydrogen)에 대한 연구도 하고 있다. 물을 전기분해할 수 있는 산소 발생 촉매에 대한 연구와 함께 이러한 신규 촉매들을 단위전지화 하는 연구개발도 진행하고 있다.


대표적인 연구성과로는 수소전기차의 내구성을 높이는 비백금 촉매 개발이 있다.


수소전기차는 수소연료 부족에 의한 역전압 문제가 발생할 수 있다. 원래는 양극의 전압이 더 높아야 하는데 수소연료가 부족할 때 음극의 전압이 높아지면서 양쪽 전극의 전압이 역전되는 현상으로 시스템 내구성이 낮아지게 된다. 


이러한 문제를 해결하기 위해 에너지 촉매 및 디바이스 연구실은 아예 백금 촉매를 대체할 수 있도록 원래 음극에서 일어나야 할 수소산화 반응에 대한 활성과 역전압 때 필요한 산소발생 반응에 대한 활성을 동시에 가진 비백금 촉매를 개발했다. 이 결과는 박찬호 교수가 재직했던 삼성SDI에서 얻은 성과를 활용한 것이다. 추가적인 내구성 향상을 위한 연구 과제도 진행 중이다.



박찬호 교수는 “앞으로도 지속적으로 수소전기차에 적용될 수 있는 소재를 개발하고, 이를 직접적으로 막전극 접합체에 적용해 검증함으로써 최적화 단계를 거치지 않고서도 바로 사용할 수 있는 연구들을 진행할 것”이라고 밝혔다.


연료전지는 일산화탄소에 매우 취약한 약점이 있다. 연료 중에 일산화탄소가 존재할 경우 일산화탄소와 백금 촉매가 결합해 산소환원반응이 제대로 일어나지 않는 ‘일산화탄소 피독’은 연료전지에 있어 큰 문제이다. 연구실은 고온·인산 조건에서 연료전지를 운영해 일산화탄소 피독 문제를 해결하고 성능을 높이는 연구를 진행 중이다. 


귀금속 촉매는 일부 지역에 매장이 편중돼 있을 뿐만 아니라 가격이 비싸고 불안정해 연료전지 연구에 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 박 교수 연구실은 비귀금속 촉매를 합성하고 나아가 이를 이용해 단위전지를 제조하는 연구를 진행 중이다. 이 비귀금속 산소환원 촉매를 초기에 알칼라인 연료전지에 적용하기 위한 국가과제를 최근 시작했다.


수소 이온교환막 연구 개발
이재석 신소재공학부 교수의 ‘기능성 고분자 합성 연구실’은 수소연료전지의 구성 요소 중 수소 이온을 전달하는 이온교환막을 개발하는 연구를 진행하고 있다. 과불소계 및 방향족 단량체의 축합 공중합을 통해 고분자 전해질을 합성하고, 고분자 가교를 통해 내구성과 내화학성을 향상시키는 연구를 진행 중이다. 고분자 전해질의 말단 및 내부 가교뿐만 아니라 고분자 주쇄 연장을 통한 물리적, 화학적 안정성 향상을 보고한 바 있다.



또한 기능성 단량체의 합성을 통해 이미다졸(imidazole), 트리아졸(triazole) 등과 같은 헤테로 고리 화합물을 고분자 전해질 내에 도입해 다양한 습도 범위에서 이온 전도성을 유지하는 연구뿐만 아니라 고온 연료전지 적용을 위해 인산(Phosphonic acid) 그룹을 공유결합을 통해 산성기로 도입하는 연구를 하고 있다.


최근에는 상대적으로 저렴한 촉매를 사용할 수 있는 장점을 갖고 있지만 낮은 이온 전도성과 떨어지는 안정성으로 인해 적용에 많은 어려움을 겪고 있는 알칼리 연료전지용 음이온 교환막의 내구성 향상에도 노력을 기울이고 있다.


태양에너지 수소 변환·저장 연구
서준혁 화학과 교수 연구실은 태양에너지를 수소 분자의 화학 결합 에너지로 변환·저장하는 연구를 수행하고 있다. 수소를 생산할 수 있는 다양한 촉매들이 개발돼 있지만 대량 생산을 위해서는 촉매의 원가를 낮추고 효율을 높이는 연구가 더 필요하다.


이를 위해 서 교수 연구실은 자연에 존재하는 가장 뛰어난 촉매인 효소의 구조와 기능성의 연관 관계를 이해하고, 이를 바탕으로 유사한 기능성과 효율성을 가진 촉매를 개발하는 연구를 진행하고 있다.



이뿐만 아니라 효소의 촉매 작용 원리를 적용해 다양한 산화금속 촉매를 변형하고 발전시킴으로써 보다 향상된 융합촉매를 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 이미 수소화 효소의 구조와 유사한 분자 화합물을 합성했고, 효소와 유사한 촉매 반응성을 보고했다.


또한 수소화 효소의 모델 화합물을 실리콘 반도체 표면에 연결함으로써 광전기화학적 수소생산 효율을 높일 수 있음을 보고한 바 있다. 이러한 연구에 이어 현재는 산화금속과 분자 촉매를 융합하는 연구를 진행 중이다.


한편 광주과기원은 자동차부품연구원이 광주광역시의 지원을 받아 진행 중인 ‘수소차·전기차 융합스테이션 국산화 기술 개발 및 실증사업(수소융합스테이션 국산화 사업)’에 참여하고 있다.


수소·연료전지 중심 신에너지 융합기술
광주과기원은 미래 신산업 창출 및 지역경제 활성화 선도를 목적으로 융합기술원을 신설했다.


지난 2004년 산업자원부 수소·연료전지사업단장으로 선임된 이후 ‘수소경제 마스터 플랜’, ‘수소·연료전지 산업화 로드맵’ 작성을 주도하고, ‘연료전지 자동차 모니터링 사업’ 및 ‘가정·건물용 연료전지 모니터링 사업’ 등을 기획·실행하며 국내 수소·연료전지 기술 수준을 한 단계 끌어올린 수소·연료전지 분야 석학인 홍성안 박사가 융합기술원 내 에너지융합전공 분야의 첫 번째 초빙 석좌교수로 부임해 에너지융합기술 연구·교육에 힘쓰고 있다.



KIST에서 정년퇴직까지 지난 30년 이상을 수소·연료전지를 중심으로 한 에너지 분야 연구라는 한 우물을 파온 홍 교수는 광주과기원에서 수소·연료전지 분야의 산업화 및 정책개발, 후진 양성을 이어나가고 있다.


홍 교수는 “수소·연료전지 중심의 신에너지 융합 분야에 GIST의 연구 역량을 집대성 하는데 일조하고 싶다”고 말했다.


홍 교수는 시스템의 가격저감 및 내구성 향상, 수소인프라 구축을 위한 원천연구 및 소재기술, 드론 탑재용 경량 연료전지스택 개발, 수전해 중심의 융합 스테이션 개발 등의 대단위 연구개발 프로그램을 구상해나가고 있다.


홍 교수는 “정부는 신기후변화체제를 맞아 국제사회에 온실가스 감축을 위한 의욕적인 목표를 제시했지만 이러한 목표달성을 위한 저비용 감축수단이 상대적으로 부족한 국내사정을 고려할 때 수소·연료전지의 중장기적 육성 정책은 그 어느 때보다 중요하다”고 강조했다.


<미니인터뷰 | 박찬호 GIST 융합기술원 에너지프로그램 교수>


삼성에서 연료전지 분야를 연구한 후 광주과학기술원으로 이동했는데 광주과학기술원에서의 담당 연구 분야와 주요 역할은.


삼성종합기술원에 있을 때에는 2001년부터 새로운 탄소 담체를 개발해 단위전지에 적용, 성능을 확보하는 연구를 주로 했다. 시작품이긴 하지만 노트북에 적용되는 휴대용 연료전지 시스템에 개발한 촉매를 적용해보기도 했다.


2013년에 삼성종합기술원에서 삼성SDI로 이동한 후에는 수소전기차의 핵심부품인 막전극접합체를 개발하는 그룹에서 백금 사용량의 감소와 내구성 증진과 관련된 연구를 진행했다.


2016년 광주과학기술원에 부임한 이후에도 연료전지 촉매 관련 연구를 중점적으로 진행하고 있고, 새로운 연구 분야로 물을 전기분해하는데 사용될 수 있는 촉매 소재들을 개발하고 있다.


연료전지 및 수전해 분야 연구에서 가장 많은 관심을 갖고 있는 부분은.


우선 수소경제 사회에서 필수적인 연료전지 시스템의 저가격화를 달성하기 위한 부분인 비백금 촉매에 대한 관심을 많이 가지고 있다.


이러한 연료전지에 연료로 사용되는 수소를 청정한 재생에너지로부터 만들어 낼 수 있는 수전해 분야에서의 내구성이 높은 값싼 촉매 소재를 개발하는 것에도 관심을 갖고 열심히 연구하고 있다.


수소연료전지 분야에서 꼭 이루고 싶은 연구 아이템은.


가까운 미래에 성공하고 싶은 연구 아이템은 수소전기차 막전극 접합체의 음극 내구성을 확보할 수 있는 비백금 촉매 소재 개발이다. 이 촉매는 현재 소재업체, 시스템업체와 함께 연구개발을 진행하고 있어 조만간 좋은 성과를 낼 것으로 기대하고 있다.  먼 미래에는 수전해에 사용될 수 있는 고내구성 저가 촉매 소재를 개발해 상용화까지 이뤄내고 싶다.


광주광역시는 수소경제 선도도시를 추구하고 있다. 광주과학 기술원이 어떤 역할과 기여를 할 수 있다고 보는가.


광주과기원은 광주광역시가 추진하는 수소충전소 확충 사업의 타당성 등에 대한 자문 등은 물론 선도적인 연구 개발을 진행해 광주광역시에 과제를 제안하는 등의 적극적인 태도로 광주가 수소경제 선도도시로 성장하는 데 기여하고 있다.

 
실제로 광주과기원은 광주창조경제혁신센터에서 진행하고 있는 수소관련기업 지원 사업에 대한 과제 심사에 참여하기도 했다. 광주창조경제혁신센터가 운영하는 광주 지역의 수소산업 교류회에 정기적으로 참석해 의견들을 나누고 있다.


지난해에는 ‘2017 광주수소에너지포럼’에 좌장으로 참석하는 등 광주 지역의 수소경제 활성화를 위한 다양한 활동에 적극 참여하고 있다. 자동차부품연구원 광주전남본부의 수소에너지 운영위원회 등과 새로운 과제 기획 등에 대한 자문들도 진행하고 있다. 에너지기술평가원이 진행하는 수소관련기업 인증 심의에도 참여하고 있다.
   
최근 정부가 혁신성장 전략투자 대상으로 수소경제를 선정했다. 이와 관련해 수소·연료전지 분야 연구자로서의 의지와 각오는. 


정부가 수소경제를 전략투자 대상으로 결정한 것은 잘 한 일지지만 이러한 정책이 꾸준하게 진행될 수 있도록 일본처럼 로드맵을 확고하게 만들고, 일관된 방향으로 진행될 수 있도록  연료전지 연구자들이 앞장서야 할 것으로 생각한다.


향후 ‘재생에너지 3020’ 계획을 달성할 때 나타날 수 있는 전력망의 불안정성을 해결하기 위한 방안으로 재생에너지 연계 수전해 시스템 등에 대한 선도적인 연구개발을 진행해 수소경제 구현에 기여하고 싶다.




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