연료전지의 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 새로운 나노공정 기술이 개발됐다.
서울대 공과대학은 기계항공공학부 최만수 교수 연구팀과 화학생물공학부 성영은 교수 연구팀이 다층 마이크로·나노 구조물을 제작할 수 있는 새로운 나노 공정 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
연구팀이 개발한 기술은 '멀티 스케일 구조물'을 단층이 아닌 여러 층으로 쌓아 올리는 기술이다. 멀티 스케일 구조물은 기존의 마이크로미터 혹은 나노미터 크기의 단일 구조물과 달리 마이크로미터와 나노미터 크기의 구조가 혼재된 구조물이다. 기존에는 단층 평면 위에 마이크로·나노가 혼재된 멀티스케일 구조물을 단층 평면 위에만 제작할 수 있었으나 다층으로 제작할 수 있도록 하는 기술을 개발한 것이다. 이 기술을 연료전지에 응용하면 성능을 대폭 향상 시킬 수 있다.
수소 연료전지는 수소가 산소와 만나 물이 되는 과정을 활용한 전지다. 수소를 투입하면 산소와 만나면서 물이 되는데 이 과정에서 수소이온과 전자가 빠져나오고, 전자가 전기를 만들게 된다. 이를 위해서는 비싼 백금을 씌운 전해질 막이 필요하다. 백금으로 만들어진 고분자 전해질 막은 수소에서 수소 이온과 전자를 분리한 후 전자가 전기를 만들 수 있도록 하고, 수소 이온을 따로 뽑아내 물로 만드는 역할을 한다. 이전까지 백금을 잉크처럼 만들어서 고분자 전해질 막 위에 뿌렸다. 이런 방식은 백금이 균일하게 뿌려지지 않아 효율이 떨어졌다.
최 교수 연구팀과 성 교수 연구팀이 개발한 기술을 활용해 마이크로·나노 크기의 다층 구조물을 제작하면 백금을 여러 층으로 균일하게 쌓아 올릴 수 있다. 이러면 백금이 수소와 닿는 면적이 넓어져 같은 백금과 수소의 양으로 더 많은 전자를 뽑아낼 수 있게 된다. 성 교수는 "백금이라는 비싼 재료의 효율을 높임으로써 수소 연료전지 자동차의 가격을 한층 낮출 수 있을 것으로 기대한다"며 "연료전지 뿐 아니라 광산란 특성을 극대화 한 광학필름, 배터리 분리막 등 다층 멀티스케일 구조를 적용한 새로운 소자의 개발도 기대된다"고 전했다.
이 연구는 글로벌프론티어 멀티스케일 에너지시스템 연구단과 기초과학연구원 나노입자연구단의 지원으로 진행됐다. 연구 결과는 세계적인 권위의 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션 온라인판에 이날 게재됐다.
연합
서울대 공과대학은 기계항공공학부 최만수 교수 연구팀과 화학생물공학부 성영은 교수 연구팀이 다층 마이크로·나노 구조물을 제작할 수 있는 새로운 나노 공정 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
연구팀이 개발한 기술은 '멀티 스케일 구조물'을 단층이 아닌 여러 층으로 쌓아 올리는 기술이다. 멀티 스케일 구조물은 기존의 마이크로미터 혹은 나노미터 크기의 단일 구조물과 달리 마이크로미터와 나노미터 크기의 구조가 혼재된 구조물이다. 기존에는 단층 평면 위에 마이크로·나노가 혼재된 멀티스케일 구조물을 단층 평면 위에만 제작할 수 있었으나 다층으로 제작할 수 있도록 하는 기술을 개발한 것이다. 이 기술을 연료전지에 응용하면 성능을 대폭 향상 시킬 수 있다.
수소 연료전지는 수소가 산소와 만나 물이 되는 과정을 활용한 전지다. 수소를 투입하면 산소와 만나면서 물이 되는데 이 과정에서 수소이온과 전자가 빠져나오고, 전자가 전기를 만들게 된다. 이를 위해서는 비싼 백금을 씌운 전해질 막이 필요하다. 백금으로 만들어진 고분자 전해질 막은 수소에서 수소 이온과 전자를 분리한 후 전자가 전기를 만들 수 있도록 하고, 수소 이온을 따로 뽑아내 물로 만드는 역할을 한다. 이전까지 백금을 잉크처럼 만들어서 고분자 전해질 막 위에 뿌렸다. 이런 방식은 백금이 균일하게 뿌려지지 않아 효율이 떨어졌다.
최 교수 연구팀과 성 교수 연구팀이 개발한 기술을 활용해 마이크로·나노 크기의 다층 구조물을 제작하면 백금을 여러 층으로 균일하게 쌓아 올릴 수 있다. 이러면 백금이 수소와 닿는 면적이 넓어져 같은 백금과 수소의 양으로 더 많은 전자를 뽑아낼 수 있게 된다. 성 교수는 "백금이라는 비싼 재료의 효율을 높임으로써 수소 연료전지 자동차의 가격을 한층 낮출 수 있을 것으로 기대한다"며 "연료전지 뿐 아니라 광산란 특성을 극대화 한 광학필름, 배터리 분리막 등 다층 멀티스케일 구조를 적용한 새로운 소자의 개발도 기대된다"고 전했다.
이 연구는 글로벌프론티어 멀티스케일 에너지시스템 연구단과 기초과학연구원 나노입자연구단의 지원으로 진행됐다. 연구 결과는 세계적인 권위의 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션 온라인판에 이날 게재됐다.
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