1월 과학기술인상, 한국과학기술원 김범준 교수 선정

- 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 지난달 6일 밝혔다.
  ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구 개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.
  과기정통부와 연구재단은 김범준 교수가 간단한 공정으로 높은 내구성을 가지는 블록 공중합체1) 탄화입자와 고성능 연료전지 개발을 통해 수소경제 활성화에 기여한 공로를 높게 평가했다고 밝혔다.
  1839년 독일 화학자 프리드리히 쇤바인(Friedfich Schonbein)이 첫 연료전지 논문을 발표한 이후, 국방․항공우주․자율주행 등 다양한 분야에서 연료전지 활용이 급증하는 가운데 김범준 교수의 연구 성과는 차세대 연료전지 시장의 핵심 기술을 선점 하는데 큰 역할을 할 것으로 예상된다. 김범준 교수는 고기능 분리막을 이용한 멤브레인 에멀전2) 방법으로 높은 내구성의 탄화입자를 대량 생산하는 플랫폼을 개발하고, 이를 이용하여 연료전지 등의 고성능 에너지 소자를 성공적으로 만들어 냈다. 
  연구팀이 이번에 설계한 탄화입자는 세계 최고수준의 연료전지 내구성을 가졌을 뿐 아니라, 고가의 백금재료를 기존 상용제품 대비 20분의 1만을 사용했음에도 높은 성능을 달성하여 연료전지의 내구성과 가격 경쟁력을 동시에 확보하였다.
  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.

[주요 연구성과 설명]

<블록 공중합체 탄화입자 제조 플랫폼 및 초고성능 연료전지 개발>

그림 1. 멤브레인 에멀전 방법으로 모양 및 구조를 조절한 블록 공중합체 입자 및 고품질 탄화입자 제작 플랫폼 개발.
고성능 촉매와 연료전지 전극 등에 사용되는 고분자 기반 탄화입자는 넓은 표면적을 통한 반응성 향상 및 반응물의 이동통로를 확보할 수 있도록 입자의 내부구조를 설계해야 한다.  이번 연구에서는 멤브레인 에멀전 방법을 이용해 내부구조가 제어된 블록 공중합체 입자를 제작하고, 이를 대량으로 고성능 탄화입자로 제작할 수 있는 플랫폼 기술을 개발하였다. 특히, 탄화된 입자에 포함된 촉매에 얇은 탄소막을 자발적으로 형성함으로써 세계 최고성능의 내구성/신뢰성을 가지는 연료전지 제작이 가능하였다.

그림 2. 개발된 입자를 사용하여 제작된 연료전지 성능: 2025년 미국 DOE (Department of Energy) 목표에 비교하여 성능이 비교되어 있음.(본 연구결과: cBCP-PtFe) 
개발된 탄화입자 기반의 촉매를 이용한 연료전지는 상용화 촉매 대비 1/20배 수준의 극소량인 1중량퍼센터(wt%)의 백금을 사용함에도 불구하고 매우 우수한 성능을 보이며(왼쪽 표), 연료전지의 상업화에 가장 중요한 내구성 향상 기술을 제시하였다.(오른쪽 표) 또한 내구성을 판단하는 측정기준인 30,000회 반복 측정 후에서 세계 최고성능을 구현하였다.

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2021년 2월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>