기계공학부 이원영, 변도영 교수 연구팀, 정전기 스프레이를 통한 

나노 주름 기능층 개발 및 고효율 연료전지 구현 성공
- 국제학술지 저널 오브 메테리얼스 케미스트리 에이
(JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A) 8월 2일 자 온라인 게재 -

[사진설명] 이원영 교수, 변도영 교수

기계공학부 이원영, 변도영 교수 연구팀(제1저자 이종서 박사과정 / 공동 1저자 황상연, 안민우 박사과정)이 정전기 스프레이 법을 활용하여 나노 주름 기능층을 개발하였으며, 이를 나노 섬유 전극에 적용하여 연료전지 구현에 성공했다고 밝혔다.

본 연구는 멀티스케일 사업단 글로벌 프론티어 사업 및 한국 연구재단의 전략과제 사업과 신진중견연계 사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, (NRF-2014M3A6A7074784, NRF-2017R1E1A1A01075353, 2019R1A2C4070158, 2017M1A2A2044927) 에너지 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지 중 하나인 국제학술지 저널 오브 메테리얼스 케미스트리 에이(JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A)에 표지논문으로 8월 2일자 온라인 게재되었다. 

연구팀은 정전기 스프레이 증착법 (Electrostatic Spray Deposition)을 사용하여 고체 산화물 연료전지의 전해질/전극 계면에 나노 주름 기능층을 프린팅하는 데 성공하였다. 특히 기존에 발생하던 고질적인 나노 섬유 전극의 계면에서의 구조적 단점을 보완하고 반응성을 향상시켜, 이를 기반으로 650 도 이하의 중저온에서 작동하는 고성능 고체 산화물 연료전지 시스템을 구축하였다.

연구팀은 나노 주름 기능층의 구조 설계를 통하여 나노 섬유 전극의 고질적인 계면 문제를 접합, 반응성 측면에서 크게 개선시켜, 전극의 전기화학적 성능을 직접적으로 나타내는 전극의 분극화 저항을 약 3.3배 감소시키는 것과 동시에 연료전지의 전력밀도를 약 2.2배 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 

이원영 교수는 “기존의 나노 섬유 구조의 공기극 활용 시 구조적인 특성으로 인한 한계를 나노 주름 기능층 도입을 통하여 극복할 수 있었고, 특히 추후 다양한 나노 구조체에 적용할 수 있기 때문에 높은 파급효과를 가지고 있다고 판단된다”면서 “대면적, 고속화 공정에 용이한 정전기 스프레이 법을 이용하였기 때문에 상용화단계의 기술개발에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

[그림 1] Journal of Materials Chemistry A 표지 그림

[그림 2] 정전기 스프레이 법을 이용한 나노 주름 구조 제어
(a ~ d) 정전기 스프레이 법을 이용하여 구조적으로 제어되어 프린팅 된 나노 주름 기능층의 광학 이미지 및 주사 탐침 이미지

[그림 3] 나노 주름 기능층이 적용된 고체 산화물 연료전지의 전기화학적 성능 평가 및 모식도