Special 세라믹스 표준화 동향(1)

전도성 세라믹 전극소재의 전기전도도 측정방법 국제표준화

류지승_한국세라믹기술원 기업지원본부 선임기술원
조강희_부산대학교 재료공학부 박사과정
김용남_한국산업기술시험원 시스템에너지본부 수석연구원
이희수_부산대학교 재료공학부 교수

1. 서론

2016년 스위스 다보스에서 열린 세계경제포럼에서 정보통신, 환경·에너지, 바이오 등의 첨단 산업에 대한 혁명으로서 ‘4차 산업혁명’의 개념이 소개된 이후 첨단 산업용 소재기술의 중요성이 강조되고 있다. 4차 산업시대의 첨단소재로는 친환경 수소에너지용 촉매, 3D 프린팅용 분말소재, 빅데이터·인공지능과 같은 지식정보 ICT 반도체 소재 등이 대표적이다. 특히, 세계적 탄소중립 정책에 따라 수소를 주요 에너지원으로 사용하는 수소경제 시대 도래가 가속화되고 있다. 이에 우리나라는 2019년 1월과 4월 각각 수소경제 활성화 로드맵, 수소경제 표준화 전략 로드맵을 발표하여 이러한 흐름에 대응하고 있으며, 수소 경제 활성화 2.0 로드맵을 올해 3분기 중 발표할 계획이다.1) 수소경제 활성화의 중심에는 연료전지가 자리하고 있으며, 자동차 중심의 적용분야에서 선박, 열차, 건설기계, 소형항공기 등 수송기기 전반으로 확대되고 발전용 수요도 커질 것으로 예상되어 시장은 가파르게 성장할 전망이다.
  연료전지(fuel cell)는 수소를 이용한 에너지 변환 장치로 수소와 산소가 만나 전기화학적 반응을 통해 발생하는 물과 잉여전자 중 전자를 활용하여 발전하는 장치이다. 화석연료를 이용하는 기존의 내연기관 및 화석연료 발전과 달리 이산화탄소와 매연 등을 발생시키지 않아 친환경적이며, 발전효율 또한 우수한 특징을 가지고 있다. 한국과학기술기획평가원(KISTEP)이 발간한 보고서에 따르면 2030년까지 세계 수소연료전지 시장은 41조 원으로 시장규모가 커질 것으로 예상되어 거스를 수 없는 시대의 흐름으로 자리 잡고 있는 분야이다. 우리나라의 경우 수송용 연료전지 시장에서 현대자동차가 압도적인 점유율을 보여주고 있으며, 발전용 시장에서도 한국의 비중이 세계 2위를 차지하고 있는 등 세계시장을 주도할 수 있는 기술경쟁력을 갖추고 있다. 국제에너지지구(IEA)는 지난 5월, 2035년부터 신규 내연기관 차량 판매를 전면 금지하는 내용을 담은 ‘2050 탄소 중립 로드맵’을 발표했고, 우리나라도 지난 8월 5일, ‘2050 탄소중립 시나리오’를 발표하는 등 정책적 부분에서도 수소연료전지 시장은 앞으로 가파른 성장이 이루어질 것으로 예상된다.

그림 1. 세계 수소연료전지 시장전망으로 2023년 발전량 기준 24억 9458만W, 매출액 기준 41조 원의 시장이 형성될 것으로 예상되며, 국내기업 중 현대자동차와 두산퓨얼셀이 전기차 및 발전용 수소연료전지 시장 점유율 1위와 2위를 차지하고 있다.(출처 : [이슈분석] 속도내는 수소경제, 수소연료전지 수요 확대 기대, 전자신문)  

 
  수소연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 이용하기 때문에 이온이 이동할 수 있는 전해질을 중심으로 전기화학적 반응이 일어나는 전극(연료극, 공기극)으로 구성되는 단위 셀이 수십~수백장 연결되어 하나의 모듈을 구성한다. 수소연료전지는 작동온도에 따라 저온형(100℃ 내외)과 고온형(500~800℃, 최대 1,000℃)으로 구분할 수 있으며, 이렇게 구분되는 이유는 온도 범위별로 사용할 수 있는 전극과 전해질의 소재가 다르기 때문이다. 이 중 고온형 연료전지는 사용 온도 범위에서 내구성과 전도특성을 나타내야 하므로 이온전도성 세라믹 전해질, 혼합전도성 세라믹 전극, 유리 밀봉재 등 단위 셀 관련 핵심 소재가 모두 세라믹으로 구성되어 있어 고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)라고 명칭하며 세라믹 연료전지라고도 칭한다.

  고체산화물 연료전지는 높은 발전효율(최대 80% 이상)을 보이는데 이러한 효율은 단위 셀을 구성하는 소재특성에 영향을 많이 받는다. 특히, 그림2와 같이 발전효율 중 단위 셀의 세라믹 전극에서 약 85% 이상의 저항손실이 발생하므로 보다 높은 전도성(낮은 저항)을 갖는 세라믹 전극에 관한 연구 개발이 진행되고 있다. 고체산화물 연료전지 단위 셀의 전극은 산소(O2)가 산소이온(O2-)화 되는 환원반응이 일어나는 캐소드와 전해질을 통해 이동한 산소이온(O2-)과 수소(H2)가 만나 물이 생성되는 산화반응이 발생하는 애노드로 구분된다. 캐소드는 공기와 맞닿는 전극이라 공기극, 애노드는 수소기체와 맞닿는 전극이라 연료극이라고도 불린다. 이러한 핵심 세라믹 전극개발에 있어 개발된 소재의 전기적 특성평가는 소재의 특성 및 연료전지의 효율을 결정하는데 기본이 된다.

그림 2. 고체산화물 연료전지의 구성 세라믹 소재 및 구동원리, 그리고 고체산화물 연료전지 단위 셀의 면적비저항 분포2).

  세라믹 전극 소재의 전기적 특성평가는 전기전도도와 이온전도도 평가로 구분할 수 있다. 전기전도도는 전자전도도와 이온전도도를 동시에 평가할 수 있는 직류 4전극 측정법, Van der Pauw 법을 일반적으로 사용하며, 이온전도도는 전기화학적 반응단계에 따른 신호를 측정하여 계산하는 임피던스 측정법을 주로 사용한다. 그러나, 측정방법 대부분이 측정하고자 하는 시료형태에 맞게 표준화되지 않은 경우가 많으며, 시험 및 평가 주체별 상이한 측정기준으로 인해 측정 결과값에 대한 신뢰도와 데이터 호환성이 낮은 문제점이 발생한다. 일본의 경우 산·학·연 연계를 통해 고온형 연료전지용 핵심 소재 개발과 함께 전극의 특성 및 성능 평가기술 개발을 동시 추진하여 사내(단체), 국가(JIS) 표준과 함께 세라믹 소재의 특성평가 관련 국제표준화 활동을 ISO/TC206 Fine ceramics를 통해 전개하고 있다. 국내의 경우 일본, 미국, 유럽 등의 선진국과 달리 소재 및 공정 개발 중심의 연구 개발이 진행되고 있으나 표준화된 정밀·정확한 시험평가기술 및 표준의 부재로 개발된 소재의 신뢰성 확보가 어려운 상황이다. 이를 극복하기 위해, 단기적으로는 신뢰성·표준·인증 시스템을 통한 첨단 세라믹 소재의 수입선 다변화를 도모하고, 중장기적으로는 국제표준화를 통한 첨단 세라믹 소재 국산화 및 세계시장 선점 기회 마련이 절실히 요구되고 있다.

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