[더테크=조재호 기자] 카이스트는 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 미국 메릴랜드 대학의 에릭 왁스만(Eric Wachsman) 교수 연구팀과 공동연구를 통해 기존 소재 대비 전도성이 140배 높은 산소 이온 전도성 고체전해질 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.

산소 이온성 고체전해질은 이산화탄소 배출이 없는 청정 에너지원으로 각광받는 그린수소를 생산하고 활용하는 연료전지, 수전해 전지, 촉매 분야에 널리 사용되는 소재다.

궁극적인 청정 에너지원으로 각광받고 있지만 700°C 고온에서 활용되어 비용 문제를 비롯해 열충격이나 소재 응집 문제 등으로 해결 과제가 남아있다.

이번에 개발한 신소재는 비스무트 산화물 기반으로 400°C에서 기존 지르코니아 소재의 700°C에 해당하는 높은 전도성을 보이며 중저온(600°C) 영역대에서 140배 이상 높은 이온 전도를 기록했다.

이 교수는 “이번 연구에서 개발된 산소 이온 전도체 신소재는 중저온 영역대에서도 안정적으로 높은 전도도를 유지할 수 있어 세라믹 소자의 작동온도를 획기적으로 낮추는데 기여할 것으로 기대된다”며 “탄소중립 실현을 위해 에너지·환경 소자 상용화에 기술을 적용할 수 있을 것”이라며 연구의 의미를 강조했다.

기존 소재는 중저온 영역대에서 효율이 급격하게 감소하는 문제가 있었는데 이번 연구로 개발된 산소 이온 전도체 신소재는 도핑을 통해 중저온 영역대에서도 1000시간 이상 높은 이온전도도를 유지해 상용화 가능성을 크게 높였다.

공동연구팀은 원자단위 시뮬레이션 계산화학을 통해 도핑된 원소가 신소재의 성능 및 안정성을 향상하는 메커니즘을 규명했다. 신소재는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 적용돼 학계에 보고된 소자 중 가장 높은 수준의 전력 생산 능력(2.0 W/㎠, 600°C)을 보였다.

아울러 고체산화물 전해전지(SOEC)에 적용돼 기존 대비 2배 이상의 면적당 15.8mL/min의 그린수소 생산 능력을 보여 실제 소자에서의 적용 가능성을 증명했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘어드벤스드 머티리얼스’의 10월 17일자 온라인판에 게제됐다.