서울대 연구팀 ‘연료전지 성능 향상’ 나노기술 개발

연료전지의 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 새로운 나노공정 기술이 개발됐다. 저비용 고효율의 에너지를 다양한 분야에서 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

서울대 공과대학은 이 대학 기계항공공학부 최만수 교수와 화학생물공학부 성영은 교수 연구팀이 다층 마이크로·나노 구조물을 제작하는 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

연구팀이 개발한 기술은 ‘멀티 스케일 구조물’을 단층이 아닌 여러 층으로 쌓아 올리는 기술이다.

멀티 스케일 구조물은 기존의 마이크로미터 혹은 나노미터 크기의 단일 구조물과 달리 마이크로미터와 나노미터 크기의 구조가 혼재된 구조물이다.

연구팀은 복층의 멀티 스케일 구조물을 만드는 공정을 고분자 전해질막에 적용해 3층의 고분자 전해질막을 만들었다.

고분자 전해질막은 연료전지에 쓰인다. 이번 기술 개발로 연구팀은 연료전지의 성능을 대폭 개선할 수 있었다.

연료전지는 원자나 분자에서 전기화학 기술로 전자를 뽑아내는 방식으로 전기를 쓰는 장치를 말한다. 기름이나 가스를 태워 열로 에너지를 얻는 방식보다 친환경적이지만, 백금을 재료로 써 비싸다는 단점이 있다.

그러나 전해질막을 3층으로 쌓아올린 덕택에 막에서 수소와 전극구조가 접촉하는 면도 늘어나 그만큼 성능이 향상됐고 비용은 내려갔다.

이를 위해 연구팀은 고분자 전해질막에 함유된 산소의 농도를 조절했다. 한편은 비교적 무르게 만들어 마이크로·나노 구조를 입히기 쉽게 하고, 반대편은 충분히 경화시켜 다른 막과의 접착이 쉽게 했다.

이런 특성이 있는 전해질막을 레고 블록처럼 단계적으로 접착시켜 다층 구조를 이루면서도 마이크로·나노 패턴을 층마다 다양하게 제작할 수 있었다.

연구팀은 연료전지 전해질막으로 사용되는 ‘나피온 박막’을 3층 구조물로 만든 결과, 최적화 공정을 거치지 않았음에도 기존에 비해 40％ 이상 전기 발생이 늘어났다고 밝혔다.

그러면서 “다층 멀티 스케일 구조를 적용하면 연료전지뿐 아니라 광학필름, 배터리 분리막 등에서 다양한 소자가 개발될 수 있을 것”이라고 말했다.

이 연구는 글로벌프론티어 멀티스케일 에너지시스템 연구단과 기초과학연구원 나노입자연구단의 지원으로 진행됐으며 연구 결과는 세계적인 권위의 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션 온라인판에 이날 게재됐다.