계명대, 충격파 유동활용 수소연료전지 핵심소재 결함제어 기술 개발

- 에너지·촉매·반도체 분야로 확장 기술 개발 기대

연구진 사진. (왼쪽부터) 계명대 김준석 신소재공학과 교수, 김익현 기계공학과 교수. (자료제공: 계명대)

연구내용 이미지. (자료제공: 계명대)

계명대학교(총장 신일희)는 김익현 기계공학과 교수와 김준석 신소재공학과 교수 공동 연구팀이 충격파 유동을 이용해 차세대 수소연료전지 핵심소재의 결함구조를 제어하는 기술을 개발했다고 8월 17일 밝혔다.

이 연구는 충격파 유동을 이용해 프로톤 전도성 세라믹 내부의 산소 결함 변화와 결정격자 왜곡 현상을 체계적으로 규명하고, 이를 통해 비평형결함공학의 가능성을 제시했다.

프로톤 전도성 세라믹은 차세대 수소연료전지의 핵심 전해질 소재다. 소재 내부의 산소 결함은 수소이온이 이동하는 통로를 형성하는 중요한 역할을 한다. 기존에는 새로운 원소를 첨가하는 도핑(doping)이나 고온 열처리를 통해 산소 결함을 제어했지만, 복잡한 공정 조건과 조성 변화로 인해 한계가 있었다.

연구팀은 반복적인 충격파 유동을 활용해 소재 내부에 순간적인 비평형 환경을 조성하고, 이 과정에서 발생하는 구조 변화를 X선 회절(XRD), X선 광전자분광법(XPS), 비표면적(BET) 및 입도 분석(PSA) 등을 통해 체계적으로 규명했다.

그 결과, 충격파의 반복 횟수에 따라 산소 결함과 Ce³⁺ 농도가 증가하다가 일정 수준 이후 안정화되는 현상을 확인했다. 이는 충격파에 의해 결함 생성과 구조 안정화가 동시에 일어나는 비평형 현상임을 보여준다.

또 충격파 처리를 통해 분말의 비표면적이 증가하고 입자 분산성이 향상되는 효과도 확인했다. 이는 수소연료전지 전해질 소재 제조 시 균일한 미세구조 구현과 공정 안정성 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

김준석 교수는 “이번 연구는 충격파를 단순한 물리적 충격이 아니라 기능성 소재의 결함구조를 제어하는 공정기술로 활용할 수 있음을 보여준 결과”라며 “수소연료전지를 포함한 다양한 에너지 소재의 성능 향상과 차세대 소재 설계 기술 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

김익현 교수는 “기존에는 열처리나 조성 변경이 결함제어의 주요 방법이었지만, 이번 연구를 통해 충격파 유동만으로도 비평형구조 형성과 특성 조절이 가능하다는 것을 확인했다”며 “앞으로 충격파 기반 소재 공정을 다양한 기능성 소재 분야로 확장해 새로운 소재 설계 플랫폼으로 발전시켜 나가겠다”고 밝혔다.

김준석 교수가 제1저자로 참여했으며, 김익현 교수는 연구책임자로 연구를 총괄한 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업과 계명대 비사연구비의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘세라믹스 인터내셔널(Ceramics International)’에 최근 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]