【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 안지환 교수 · 박사과정 조성은 씨, KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 정우철 교수 · 전성현 씨 연구팀은 최신 반도체 공정을 사용해 SOFC용 다공성 전극을 제작하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

▲ 분말 ALD 기술을 통한 전극 분말 상 원자 단위 두께 제어 메커니즘 모식도  © 포스텍

세라믹과 같은 고체 전해질을 사용하는 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)는 에너지 저장과 운반, 응용 분야에서 널리 사용되는 전지다. 이 전지의 효율은 전지 내 전극의 성능과 안정성에 달려있는데, 이를 높이려면 전극을 다공성 구조로 제작해야 한다. 하지만 현재 기술로는 복잡한 다공성 구조의 전극 내부까지 세라믹 물질을 균일하게 코팅하는 데 어려움이 많았다.

POSTECH에 따르면 이 연구는 그 우수성을 인정받아 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘스몰 메소즈(Small Methods)’의 뒷 표지(back cover) 논문으로 최근 게재됐다.

원자층 증착 공정(이하 ALD)은 기체 상태의 물질을 기판 표면에 원자층 단위로 얇고 균일하게 증착하는 기술이다. 이전 연구에서 ALD 기술로 고체 산화물 연료 전지(SOFC)효율을 높인 안지환 교수팀은 이번 연구에서 미세 분말 상 나노 박막을 정밀 코팅할 수 있는 분말 ALD 공정 및 장비를 직접 개발하여 적용했다.

연구팀은 이 공정으로 산화지르코늄(ZrO2) 세라믹 물질을 다공성 구조체 공기극(LSCF)에 균일하게 코팅했다. 기존의 반도체용 ALD 공정으로는 기체 상태의 반응물질이 다공성 구조 표면에 주로 흡착되고 복잡도가 높은 공극 내부로의 침투에 한계가 있었던 반면, 분말 형태 전극 소재에 원자층 공정을 적용하여 구조체 내부까지 증착하는 데 성공한 것이다.

실험 결과, 연구팀이 제작한 전극은 고온 환경(700~750℃)에서도 전지 최대 전력 밀도를 기존 대비 2.2배 높였으며, 전지 효율을 떨어뜨리는 활성화 저항이 60% 감소했다.

연구를 이끈 안지환 교수는 “우수한 반도체 공정 기반 기술로 친환경 에너지 시스템 분야에서 혁신을 이룬 사례다. 분말 ALD 기술은 SOFC 뿐만 아니라 SOEC 등 수소 생산 및 이차전지 소자에도 활용도가 높은 기술“이라며, “후속 연구를 통해 지속 가능한 친환경 에너지 솔루션을 개선해 나가겠다”는 포부를 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소사업과 중견연구자지원사업 및 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원으로 진행됐다. 

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

POSTECH · KAIST joint research team realizes porous electrode for SOFC using the latest semiconductor process

POSTECH (Pohang University of Science and Technology) Department of Mechanical Engineering Professor Ahn Ji-hwan and PhD candidate Seong-eun Cho, and KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) Department of Materials Science and Engineering Professor Jeong Woo-cheol and Jeon Seong-hyeon's research team announced on the 19th that they had succeeded in producing porous electrodes for SOFCs using the latest semiconductor process. .

Solid oxide fuel cells (SOFCs), which use solid electrolytes such as ceramics, are widely used in energy storage, transportation, and applications. The efficiency of this battery depends on the performance and stability of the electrodes in the battery, and to increase this, the electrodes must be manufactured with a porous structure. However, with current technology, there were many difficulties in uniformly coating the inside of the electrode with a complex porous structure with ceramic material.

According to POSTECH, this research was recognized for its excellence and was recently published as a back cover paper in ‘Small Methods’, an international academic journal in the field of materials science.

The atomic layer deposition process (hereinafter referred to as ALD) is a technology that deposits a gaseous material thinly and uniformly in atomic layers on the surface of a substrate. In this study, Professor Ji-Hwan Ahn's team, which improved the efficiency of solid oxide fuel cells (SOFC) using ALD technology in previous research, directly developed and applied a powder ALD process and equipment that can precisely coat nano-thin films on fine powder.

The research team uniformly coated the porous structure cathode (LSCF) with zirconium oxide (ZrO2) ceramic material through this process. In the existing ALD process for semiconductors, gaseous reactants were mainly adsorbed on the surface of the porous structure and had limitations in penetrating into the highly complex pores. However, by applying the atomic layer process to powder-type electrode materials, deposition was achieved even inside the structure. succeeded in doing so.

As a result of the experiment, the electrode produced by the research team increased the maximum battery power density by 2.2 times compared to the existing battery even in a high temperature environment (700~750℃), and the activation resistance, which reduces battery efficiency, was reduced by 60%.

Professor Ahn Ji-hwan, who led the research, said, “This is an example of innovation in the field of eco-friendly energy systems with excellent semiconductor process-based technology. “Powder ALD technology is a technology that is highly utilized not only for SOFC but also for hydrogen production and secondary battery devices such as SOEC,” he said, adding, “We will improve sustainable eco-friendly energy solutions through follow-up research.”

Meanwhile, this research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea's University Key Research Institute Project, Mid-career Researcher Support Project, and the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning's Renewable Energy Core Technology Development Project.

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