"충격파가 이온 이동 통로 만든다"···계명대, 차세대 수소연료전지 원천기술 개발

김익현·김준석 교수팀, 기계적 동적 자극으로 세라믹 결함 구조 조절...배터리·반도체 등 확장 기대

[프라임경제] 계명대학교 기계공학과 김익현 교수와 신소재공학과 김준석 교수 공동 연구팀이 충격파 유동을 활용해 차세대 수소연료전지의 핵심 소재 내 결함 구조를 정밀하게 제어하는 기술을 확보했다.

계명대 신소재공학과 김준석 교수(왼쪽, 제1저자)와 기계공학과 김익현 교수(오른쪽, 교신저자). ⓒ 계명대학교

이번 연구는 충격파 에너지를 통해 프로톤 전도성 세라믹 내부의 산소 결함 변화 및 결정격자 왜곡 현상을 분석해 비평형 결함공학의 새 지평을 열었다는 평가를 받는다. 

연구 결과는 국제 학술지 '세라믹스 인터내셔널(Ceramics International)'에 실렸다.

차세대 수소연료전지(PCFC)의 핵심 전해질인 프로톤 전도성 세라믹은 내부 산소 결함이 수소 이온 이동 통로 역할을 한다. 

기존에는 고온 열처리나 원소 도핑 방식으로 결함을 제어했으나, 복잡한 공정과 조성 변화라는 제약이 따랐다.

연구팀은 반복 충격파 유동으로 소재 내부에 순간적인 비평형 환경을 유도했다. X선 회절과 광전자분광법 등으로 분석한 결과, 충격파 반복 횟수에 따라 산소 결함과 특정 이온 농도가 증가하다 안정화되는 비평형 메커니즘을 규명했다. 

아울러 분말 비표면적이 넓어지고 입자 분산성이 향상돼, 전해질 제조 시 균일한 미세구조 구현이 가능해졌다.

이번 성과는 전통적인 열처리 방식에서 벗어나 기계적 동적 자극만으로 기능성 세라믹의 결함 구조를 제어할 수 있음을 입증했다는 데 의의가 있다.

연구팀은 향후 해당 공정 기술을 배터리와 반도체 등 다양한 미래 에너지 소재 분야로 확장할 방침이다. 

기술적 의의에 대해 김준석 교수는 "충격파를 소재 결함 제어를 위한 핵심 공정기술로 정립했다"며 "향후 고성능 에너지 소재 설계에 크게 기여할 것"이라고 강조했다. 

이어 김익현 교수는 "충격파 유동만으로 비평형 구조 형성과 특성 조절을 확인한 것이 핵심"이라며 "이를 새로운 소재 설계 플랫폼으로 발전시키겠다"고 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업과 계명대 비사연구비의 지원으로 수행됐다. 신소재공학과 김준석 교수가 제1저자로, 기계공학과 김익현 교수가 연구책임자로 참여했으며 이재익 연구원, 시바프라카시 파라마시밤 박사, 도달현 교수가 공동 연구자로 이름을 올렸다.