Special 첨단소재 및 공정기술 국제표준화 최신 동향(1)

전도성 세라믹 소재 대칭셀의 전기화학적 임피던스 측정법의 국제표준화

조강희_부산대학교 재료공학부 연구원
임태흔_부산대학교 재료공학부 연구원
김주영_주식회사 하이마 연구원
이희수_부산대학교 재료공학부 교수

1. 서론

2016년 기후변화를 늦추기 위한 노력의 하나로 지구 평균온도 상승폭을 산업화 이전 대비 2℃로 제한할 것을 목표로 삼되, 1.5℃를 넘지 않도록 전 세계적으로 노력하자는 파리기후협정이 채택되었다. 이를 이행하기 위하여 미국, 유럽, 우리나라 등 다양한 국가에서 2050년까지 이산화탄소 배출량을 순 제로(net zero)로 만들어 지구온난화에 대응하고자 한다.[1] 이에 따라, 화석연료 기반의 경제에서 수소를 에너지원으로 활용하는 수소경제로의 전환이 대두되며 청정수소생산, 수소연료전지 등 청정에너지에 대한 관심이 높아지고 있고 이를 실현할 수 있는 수전해전지, 연료전지 등 전기화학시스템 개발이 요구된다. 삼정 KPMG에 따르면 국내 연료전지 시장은 세계시장의 약 15% 수준으로 연평균 23% 성장할 전망이며, 2030년까지 약 2조 5,700억 원의 시장규모가 예측된다고 보고되었다.[2] 2019년 발표된 수소경제활성화로드맵에 따르면 정부는 수전해 등 그린수소확대와 연계하여 수소생산량을 2040년까지 526만 톤으로 확대할 것을 목표로 하고 있으며 발전용 연료전지의 설치규모를 2022년 1.5GW에서 2040년까지 15GW로 확대하는 것을 목표로 하고 있어 전기화학전지의 시장규모는 꾸준하게 증가할 예정이다.[3]

그림 1. 수소경제 개념도 [3]

전도성 세라믹을 이용한 수전해전지 및 연료전지와 같은 전기화학시스템을 이용하면 재생에너지를 통해 생산된 전기에너지를 수소의 형태로 저장하여 활용할 수 있으며, 생산된 수소를 연료전지를 이용하여 높은 효율로 전기를 생산할 수 있다. 전기화학반응이 일어나는 전극(연료극, 공기극)과 이온이 이동할 수 있는 전해질로 이루어지는 단위전지가 수십~수백장 연결되어 하나의 스택을 구성하고 이러한 스택을 이용하여 모듈, 발전소를 이루게 된다. 다양한 전기화학시스템 중 고체산화물을 이용한 전지의 경우, 이온전도성 세라믹 재료와 전자, 이온을 동시에 전도할 수 있는 혼합전도성 세라믹 재료를 기반으로 제조되어 500℃ 이상의 높은 온도에서 백금, 이리듐, 금 등 귀금속 재료를 활용하지 않고 높은 발전효율(최대 80% 이상)을 보여 이에 대한 관심이 커지고 있다.[4] 고체산화물 기반 전기화학전지의효율은 단위 셀을 구성하는 소재특성에 크게 영향을 받기 때문에 전기화학전지의 성능 향상을 위한 소재 개발과 더불어 그 소재들이 구성하고 있는 전극들에서 일어나는 반응을 정확히 파악하고 평가하는 것이 중요하다.
전기화학전지의 각 전극에서 일어나는 반응에 대한 정보는 임피던스를 측정하고 이론적 모델과 비교 고찰함으로써 얻을 수 있다. 고체산화물 연료전지를 예로 들어 설명하자면, 단위 셀의 공기와 맞닿는 전극(공기극)은 산소(O2)를 산소이온(O2-)으로 환원시키고 이 산소이온을 전해질을 통해 연료와 맞닿는 전극(연료극)으로 전달하고 연료극에서는 수소와 반응하여 물이 생성되는 반응이 일어난다. 각각의 반응은 그림 2와 같이 저항의 일종인 임피던스 그래프로 나타나며 반원 1~5와 같이 각 전극에서 일어나는 반응을 확인할 수 있다.[5] 반원 1과 3은 공기극에서 일어나는 산소환원반응에 의해 나타나는 것으로 고체산화물 연료전지 전체의 임피던스 중 50% 이상을 차지하는 것을 확인하였고 이를 낮추기 위한 연구가 활발히 진행 중에 있다.

              (a)   

              (b)
그림 2. 고체산화물 전기화학전지 구성도 (a) 고체산화물 수전해전지, (b) 고체산화물연료전지.

그림 3. 고체산화물 연료전지임피던스 예시

하지만, 측정방법 대부분이 측정하고자 하는 시료형태에 맞게 최적화 및 표준화되지 않은 경우가 많아, 시험평가의 주체에 따라 측정 기준이 달라 측정값에 대한 신뢰도와 호환성이 낮은 문제점이 발생하게 된다. 일본의 경우, 산·학·연 연계를 통해 고체산화물연료전지용 핵심소재 개발과 함께 전극의 특성 및 성능 평가기술 개발을 동시에 추진하여 사내, 국가(JIS) 표준과 함께 세라믹 소재의 특성평가 관련 국제표준화 활동을 국제표준화기구(International Organization for Standardization, ISO) 내 기술위원회인 ISO/TC 206 (Fine ceramics)를 통해 전개하고 있다. 우리나라의 경우 일본, 미국, 유럽 등의 표준선진국과 달리 재료 및 공정 개발을 중심으로 연구되고 있으나 정밀·정확한 시험평가기술 개발 및 표준화 활동이 적어 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 소재의 국산화 및 세계시장 선점 기회 마련이 절실히 요구되고 있다.

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