박막 고체산화물 연료전지(TF-SOFC)는 차세대 에너지 변환 장치로서, 높은 효율성과 신속한 온/오프, 소형화가 가능한 시스템 구조, 그리고 높은 출력 밀도를 자랑합니다. 본 연구실에서는 박막 공정 기술을 활용하여 전극과 전해질의 두께를 극도로 얇게 제작함으로써, 기존 고체산화물 연료전지의 한계였던 고온 작동 문제를 해결하고 저온(500도 이하)에서도 우수한 성능을 구현하는 데 성공하였습니다. 이를 위해 스퍼터링, 원자층 증착(PEALD), 플라즈마 증착 등 다양한 박막 증착 기술을 최적화하여, 각 층의 나노구조와 조성을 정밀하게 제어하고 있습니다. 특히, 전해질의 두께와 구조, 그리고 전극의 나노구조화가 연료전지의 성능에 미치는 영향을 체계적으로 분석하고, 최적의 조성 및 구조를 도출하기 위한 실험과 시뮬레이션을 병행하고 있습니다. 예를 들어, YSZ, ScSZ, GDC 등 다양한 산화물 전해질과 Ni, Pt, LSCF, Ni-GDC 등 다양한 전극 소재를 활용하여, 각 소재의 두께, 조성, 나노구조가 전지의 출력, 저항, 내구성에 미치는 영향을 정량적으로 규명하였습니다. 또한, 다공성 기판 기반의 박막 연료전지와 자유 지지형 구조 등 다양한 설계 플랫폼을 도입하여, 연료전지의 설계 유연성과 집적화 가능성을 높이고 있습니다. 이러한 연구를 통해 박막 고체산화물 연료전지는 기존 연료전지 대비 낮은 온도에서 높은 출력과 긴 수명을 달성할 수 있게 되었으며, 분산형 발전, 휴대용 전원, 미래형 친환경 에너지 시스템 등 다양한 응용 분야에 적용될 수 있는 기반 기술로 자리매김하고 있습니다. 앞으로도 본 연구실은 박막 공정의 혁신과 소재 개발을 통해 연료전지의 상용화와 대량생산에 기여할 수 있는 연구를 지속적으로 추진할 예정입니다.

연료전지의 성능과 내구성을 극대화하기 위해서는 전극과 전해질의 나노구조 제어가 필수적입니다. 본 연구실에서는 스퍼터링, 코스퍼터링, 플라즈마 증착 등 첨단 박막 증착 기술을 활용하여, 나노섬유, 플라워 구조, 컬럼 구조 등 다양한 나노구조의 전극 및 전해질을 개발하고 있습니다. 이를 통해 전극의 반응 면적을 극대화하고, 이온 및 전자의 이동 경로를 최적화하여 전지의 출력과 효율을 크게 향상시켰습니다. 특히, Ni-GDC, Ni-SDC, LSCF, Pt-GDC 등 복합 소재를 활용한 나노복합 전극 개발에 주력하고 있으며, 각 소재의 조성비, 두께, 나노구조가 전기화학적 특성에 미치는 영향을 정밀하게 분석하고 있습니다. 예를 들어, Ni-GDC 전극의 경우, GDC의 함량과 두께를 조절하여 전극의 전기적 특성과 촉매 활성도를 동시에 향상시키는 최적 조건을 도출하였고, LSCF 전극에는 금 도금(Au-coating) 기술을 적용하여 시트 저항을 획기적으로 낮추는 데 성공하였습니다. 또한, 전해질 소재로는 YSZ, ScSZ, BZY, GDC 등 다양한 산화물 박막을 개발하고, 이들의 결정성, 기계적 안정성, 잔류 응력, 가스 차단성 등을 체계적으로 평가하고 있습니다. 이러한 나노구조 소재 개발을 통해 연료전지의 저온 작동, 고출력, 장기 내구성 등 핵심 성능을 획기적으로 개선하고 있으며, 향후 대면적화 및 상용화 연구로 확장할 계획입니다.

본 연구실은 연료전지의 연료 다양화와 하이브리드 에너지 시스템 적용을 위한 연구도 활발히 진행하고 있습니다. 기존 연료전지는 주로 수소를 연료로 사용하였으나, 수소의 생산, 저장, 공급 과정에서 발생하는 에너지 손실과 비용 문제를 해결하기 위해, 직접 탄화수소(메탄 등) 연료를 사용할 수 있는 고체산화물 연료전지 개발에 성공하였습니다. 이를 위해 Ni 기반 전극에 Ru 등의 촉매를 도입하여 내부 개질 반응을 촉진하고, 박막 전해질의 신속 증착 공정을 개발하여 저온에서도 안정적인 작동이 가능하도록 하였습니다. 또한, 연료전지 기반의 하이브리드 분산 전기추진 시스템, 금속지지형 SOFC 셀/스택, 전기 추진 시스템 등 다양한 응용 프로젝트를 수행하고 있습니다. 이를 통해 연료전지 기술이 미래형 모빌리티, 분산형 발전, 스마트 건설기계, 에너지 저장 및 변환 시스템 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 가능성을 제시하고 있습니다. 특히, 금속지지체 기반의 SOFC 셀/스택 기술 개발을 통해 연료전지의 기계적 강도와 내구성을 높이고, 대량생산 및 상용화에 한 걸음 더 다가가고 있습니다. 이와 같은 연구는 에너지 산업의 고도화, 탄소중립 실현, 미래형 친환경 에너지 시스템 구축에 중요한 역할을 하며, 본 연구실은 앞으로도 연료전지의 연료 다양화, 시스템 통합, 응용 확장 등 다양한 연구를 지속적으로 추진할 계획입니다.