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PCEC는 수소를 반응시켜 오염물질 없이 깨끗한 전기를 생산하는 ‘연료전지’ 기능과, 반대로 전기를 공급해 물을 분해하고 수소를 생산하는 ‘수전해’ 기능을 하나의 장치에서 모두 수행할 수 있는 미래형 친환경 에너지 소자다. 기존 장치에 비해 비교적 낮은 온도에서도 작동해 차세대 수소 경제를 이끌 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만 실제 전지 내부에서는 빽빽하고 매끄러운 ‘전해질’과 구멍이 많은 스펀지 형태의 ‘전극’이 만나는 경계면이 완벽하게 맞닿지 않아 불필요한 계면 접촉저항이 생긴다. 이로 인해 원래 소재가 가진 우수한 성능을 온전히 발휘하지 못하는 한계가 있었다.
이를 극복하기 위해 연구팀은 다양한 접촉 상태를 가진 실험용 전지를 제작해 정밀 분석했다. 그 결과 두 부품이 실제로 맞닿는 비율인 ‘접촉률’이 높아질수록 전지의 내부 저항이 체계적으로 줄어든다는 사실을 수치화해 입증했다. 이를 통해 접촉률이 전지의 성능을 결정짓는 핵심 설계 기준임을 밝혀냈다.
연구팀은 이를 실제 전지에 구현하고자 정전기력을 이용해 미세한 액체 방울을 표면에 균일하게 분사하는 ‘전기정전분무증착법(ESD)’을 적용했다. 이를 통해 전해질 표면에 나노미터(nm, 10억 분의 1미터) 수준으로 극히 얇은 중간 연결층을 고르게 코팅하고 접촉 면적을 넓히는 데 성공했다.
이번 기술을 적용한 전지는 발전과 수소 생산 양방향 운전 모두에서 기존 전지보다 훨씬 개선된 성능을 보였다. 특히 온도가 급격히 변하는 환경에서도 전극과 전해질의 강한 접합을 통해 안정적인 운전을 유지했다.
또 순수한 수소뿐만 아니라 차세대 연료로 주목받는 메탄이나 암모니아를 직접 연료로 투입한 환경에서도 준수한 성능과 안정성을 증명했다. 대형 크기의 기판에서도 균일하게 제작할 수 있어 산업 현장에 적용할 수 있는 상용화 가능성도 입증했다.
이원영 교수는 “이번 연구를 통해 눈에 보이지 않는 미세한 접촉 상태를 정량적으로 밝혀내고 정밀 나노 공정을 통해 실제 전지의 성능과 내구성을 동시에 극대화했다”며 “향후 대용량 청정에너지 발전소는 물론 수소차, 친환경 에너지 저장 시스템 등 다양한 분야에 폭넓게 적용될 것”이라고 기대했다.
