특허 개요
본 특허는 직물처럼 유연하고 구멍이 많은 소재를 이용해 물에서 수소를 생산하는 다공성 수전해 전극을 만드는 기술입니다. 다공성 직물을 탄화하고 Ni 등의 금속을 전기도금해 전도성 지지체를 만든 뒤, 티타늄 산화물(TiOx) 보호층과 아민 표면 개질층을 형성하고 Pt 또는 Ru 촉매를 스퍼터링으로 도입합니다. 아민기와 금속 촉매의 공유결합을 유도하는 계면 설계를 통해 촉매층의 결합 안정성을 높이며, 직물의 공극 구조는 전해질 침투와 수소·산소 배출 경로로 작동합니다.
- 핵심 기능
다공성 직물을 탄화·전기도금하여 전류가 흐르는 지지체를 만들고, 그 위에 TiOx층을 형성해 산성 환경에 대한 내구성을 부여합니다. 이어 아민 물질로 TiOx 표면을 개질한 후 Pt 또는 Ru 촉매를 도입해 각각 수소 발생 반응 또는 산소 발생 반응을 수행하도록 구성합니다.
- 차별 강점
기존 카본 지지체는 산성·고전압 환경에서 부식 문제가 있고, 다공성 티타늄 지지체는 비용과 표면적 확보 측면의 제약이 있었습니다. 본 기술은 직물의 넓은 표면적과 다공성을 유지하는 전도성 지지체에 TiOx-아민-금속 촉매 계면을 결합해, 촉매 결합 안정성과 전해질·기체 이동 특성을 함께 설계한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 PEM 수전해용 수소 발생 전극, 산소 발생 전극, 산성 전해질 기반 다공성 전극 및 촉매-지지체 계면 설계 분야에 활용 가능하며, 전극 소재와 제조공정 최적화 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 그린수소 생산용 수전해 장치, PEM 수전해 스택, 수전해용 촉매·전극 소재 및 에너지 플랜트용 수소 생산 시스템으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
탄화 면직물/Ni 지지체, 층상자기조립 또는 sol-gel TiOx층, DETA 개질층 및 Pt·Ru 촉매 도입 전극을 대상으로 구조와 표면 특성, 수소·산소 발생 반응 및 구동 안정성을 확인했습니다. 실제 수전해 스택 조건에서의 성능, 대면적 제조 재현성 및 장기 내구성은 추가 검증이 필요합니다.
- 전극 시료: 탄화 면직물/Ni 지지체, 층상자기조립 또는 sol-gel TiOx층, DETA 개질 및 Pt·Ru 스퍼터링 전극
- 비교 조건: DETA·PEI·무링커 표면 처리 조건과 TiOx층 열처리 전후 조건
- 시험 조건: 아르곤 분위기 950℃·3시간 탄화, 0.5 M 황산 산성 전해질, 촉매 스퍼터링 20mA·총 100초
현재 성과
탄화한 직물에 Ni를 전기도금해 다공성 구조를 유지하는 전도성 지지체를 구현했습니다. 실시예 전도체의 최종 면저항이 제시됐으며, Ni가 직물 가닥에 균일하게 코팅되어 공극을 막지 않는 구조 특성이 확인됐습니다.
DETA로 표면 처리한 TiOx 전극을 XPS로 분석해 Ti3+ 생성과 산소 공극 형성을 확인했습니다. DETA, PEI 및 무링커 표면 처리 조건을 비교해 아민 개질에 따른 표면화학 및 전하 전달 특성을 검토했습니다.
탄화·전기도금 직물 지지체 위에 TiOx층, 아민 개질층, 금속 촉매층을 순차 형성하고 아민기와 촉매의 공유결합을 유도하는 구조입니다. 카본 지지체의 산성 부식 문제와 기존 직물 전극의 다공성 차단 문제에 대응하면서, 촉매-집전체 계면 안정성을 함께 고려한 점이 핵심 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
수전해 스택 운전 조건에서의 전압·전류 특성 및 수소·산소 발생 성능 검증
대면적 직물 전극 제조 공정의 균일성·재현성 및 스케일업 검증
산성 환경 장기 내구성과 귀금속 촉매 사용량 최적화 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
직물 타입의 티타늄 산화물 기반 다공성 수전해 전극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 수전해 장치
10-2023-0058305 (2023.05.04)
1020240161739 (2024.11.12)
1028165340000 (2025.05.29)
조진한, 모정민, 고윤지, 최원도
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단