- 내구성 높은 블록 공중합체 탄화입자와 고성능 연료전지 개발
과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 노정혜, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 한국과학기술원 생명화학공학과 김범준 교수를 선정했다고 밝혔다.
과기정통부와 연구재단은 김범준 교수가 간단한 공정으로 높은 내구성을 가지는 블록 공중합체* 탄화입자와 고성능 연료전지 개발을 통해 수소경제 활성화에 기여한 공로를 높게 평가했다고 밝혔다. (* 블록 공중합체 block copolyme: 두 개의 서로 다른 고분자를 연결한 사슬구조, 사슬 간 반발력과 인력이 작용하여 다양한 나노구조를 효과적으로 만들 수 있다.)
유럽의 산업혁명이 완성돼 가던 1839년 1월, 독일 화학자 프리드리히 쇤바인(Friedfich Schönbein)에 의해 세상에 처음 알려진 연료전지는 이제 기후변화와 에너지 위기를 타계할 고효율·친환경 미래 에너지로 주목받고 있다. 1960년대 아폴로 우주선을 통해 새로운 연료공급 패러다임을 제시한 데 이어 현재는 자율주행 기술과 결합하여 새로운 미래상을 준비하고 있다. 이처럼 국방·항공우주·자율주행 등 다양한 분야에서 연료전지 활용이 급증하는 가운데 한국과학기술원 김범준 교수는 연료전지의 핵심 소재이지만 가격이 비싸고 매장량이 적은 ‘백금’의 사용을 기존보다 1/20로 줄이고, 동시에 연료전지의 내구성을 높이는 제작 방법을 제시하며 연료전지의 경쟁력 강화에 힘을 보탰다. 김범준 교수의 연구 성과는 차세대 연료전지 시장의 핵심 기술을 선점 하는데 큰 역할을 할 것으로 예상된다.
김범준 교수는 고기능 분리막을 이용한 멤브레인 에멀전* 방법으로 높은 내구성의 탄화입자를 대량 생산하는 플랫폼을 개발하고, 이를 이용하여 연료전지 등의 고성능 에너지 소자를 성공적으로 만들어 냈다. (* 멤브레인 에멀전 membrane emulsion: 에멀전은 고분자 입자를 용액 상에서 쉽게 만들 수 있는 기술이며, 멤브레인을 통해 원하는 크기의 균일한 고분자 입자만을 선택해 고품질의 입자를 대량으로 얻어낼 수 있다.)
연료전지가 시장에서 경쟁력을 갖추려면 ‘성능, 내구성, 가격’ 세 가지 조건을 충족해야 한다. 먼저 고내구성은 강산성 조건에서 작동하는 연료전지의 탄소입자 안에 백금촉매가 안정함을 의미한다. 또한, 반응이 일어나는 탄소 입자 내부에 존재하는 촉매까지 반응물과 생성물이 원활하게 이동해야 한다. 이번에 김 교수가 제작한 탄소 입자는 넓은 표면적의 나노채널 형태의 구조로 반응물/생성물의 원활한 이동이 가능하고, 연료전지 촉매(백금)에 자발적으로 얇은 탄소막이 형성되면서 높은 내구성을 보이는 것이 특징이다. 더불어, 기존 상용화된 촉매의 1/20양에 불과한 극소량(1wt%)의 백금을 사용하면서도 더 우수한 전력 밀도를 보여 높은 경제성도 확보했다. 즉, 이번 연구를 통해 가격과 성능 면에서 세계 최고의 결과를 얻음으로써 수소-연료전지 상용화의 가장 큰 걸림돌인 값비싼 백금촉매의 사용량을 줄이고 상용화로 가는 중요한 단서를 제시했다. 김 교수는 “구조 및 특성이 제어된 탄화입자를 대량으로 제작하기 위해 구조가 제어된 블록 공중합체 입자를 먼저 만들고, 이를 고내구성의 탄화입자로 바꾸는 전략이 주효했다”고 밝혔다.
연구내용은 2020년 7월 에너지 인바이런먼털 사이언스(Energy Environ. Sci.)지를 비롯하여, 2019년 8월과 2020년 5월에 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 등 권위 있는 학술지에 게재되었다.
김범준 교수는 “이번 연구를 통해 성능과 내구성, 가격 요건을 갖춘 고성능 연료전지를 성공적으로 개발한 데 의의가 있다”라며, “관련 기술은 향후 연료전지 뿐 아니라 태양전지, 이차전지 등 여러 에너지 소자 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 수상 소감을 밝혔다.
현재 신축성 있는 태양전지에 많은 관심을 갖고 연구를 진행 중인 김 교수는 “최근 태양전지, 디스플레이 등 많은 전자소자들이 몸에 착용가능하면서도 휴대 가능한 형태로 개발되고 있다. 사람들에게 필요한 많은 정보를 실시간으로 제공해 주고, 평소 건강관리뿐만 아니라 몸의 이상신호나 주변의 위험을 감지하는 데도 크게 도움이 될 것으로 기대된다. 이들 소자를 인체에 부착하려면 인체의 활동으로 여러 부위가 움직일 때도 소자들이 기계적 신축성을 유지하고 안정해야 한다. 우리 연구실은 신축성 있는 태양전지에 필요한 탄성을 갖춘 고성능의 고분자 기반 신소재를 개발하고 있다. 특히, 신축성 있는 태양전지는 휴대가 가능하면서도 신축 시 더 많은 면적에서 태양에너지를 전기로 전환할 수 있어서 현재 태양전지의 문제로 화두가 된 태양전지 설치에 필요한 넒은 면적이나 관련된 환경문제를 획기적으로 해결할 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구 개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.
<블록 공중합체 탄화입자 제조 플랫폼 및 초고성능 연료전지 개발>
