에너지기기연,연료전지 촉매 다공성 그래핀쉘 코팅기술개발-수소경제에 경쟁력

연료전지 촉매 다공성 그래핀쉘 코팅기술개발

개발제품 중소기업에게 기술 이전한 에너지기연

내구성 200% 향상으로 수소경제에 경쟁력 강화

그래핀쉘을 적용하여 연료전지 및 이차전지의 비활성화를 억제하고 내구성에서 200% 이상 향상할 수 있는 국내기술이 개발됐다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 고온에너지전환연구실 김희연 박사 연구진은 연료전지 촉매 및 이차전지 전극 물질의 표면에 다공성 그래핀쉘을 코팅하는 기술을개발했다.

그래핀은 탄소원자 한 개의 두께인 0.3nm(10-9m) 두께의 얇은 막으로 얇고 가벼우면서도 물리적, 화학적 안정성이 높고, 내구성이 뛰어나서 활용 범위가 매우 다양하다.

연구진이 개발한 기술은 연료전지 촉매와 이차전지 전극의 내구성 저하 문제를 근본적으로 해결하는 기술로, 다공성 그래핀쉘을 연료전지 전극용 백금(또는 백금-전이금속 합금) 촉매와 이차전지 전극용 실리콘산화물에 적용해 내구성을 200% 이상 향상시킬 수 있다.

김희연 박사팀은 2010년대 초부터 꿈의 소재라 불리는 그래핀을 적용한 전극 소재 연구에 집중해왔다. 대부분 흠집이 없는 매끈한 그래핀을 만드는데 집중할 때, 연구진은 역발상으로 고정관념을 깨고 구멍이 숭숭 뚫린 다공성 그래핀에 집중했다. 다공성 그래핀을 금속 촉매의 표면에 코팅하는 경우, 중간 중간 구멍을 가진 그래핀 껍질의 신축성과 보호효과로 인해 연료전지 및 이차전지의 성능저하가 억제되는 것을 확인했다.

이 기술은 반도체 공정에 주로 적용되던 화학기상증착 공정을 응용했다. 전극물질이 놓인 반응 챔버 내에 기체 상태의 탄화수소(탄소와 수소로 이루어진 화합물) 물질을 저농도로 흘려주는 것만으로 연료전지용 백금계 촉매 및 이차전지 전극용 실리콘 나노입자의 표면에 다공성 그래핀쉘을 코팅할 수 있다.

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공정이 매우 간단하고 처리 시간이 수초에서 수분 내외로 짧으며, 온도와 반응물의 농도 조절만으로 그래핀쉘의 형상 및 두께를 조절할 수 있다. 이에 더해, 촉매 10kg을 코팅하는데 원료비가 수백원에 불과할 정도로 저렴해 적은 예산으로 단기간에 사업화가 용이하다는 장점이 있다.

기본적으로 모든 종류의 배터리는 충‧방전과정에서 팽창과 수축을 반복하면서 손상이 발생하고 충전효율이 저하된다. 그러나 이차전지의 차세대 음극재인 실리콘 나노 입자에 다공성 그래핀쉘을 코팅하면 배터리의 충‧방전과정에서 발생하는 팽창과 수축에 탄력적으로 반응하면서 수명저하(전극의 비활성화)를 근본적으로 억제할 수 있다.

연료전지 전극용 촉매의 경우, 가동 중 촉매 입자의 심각한 비활성화가 필수적으로 동반되는데 이 경우에도 촉매 표면에 코팅된 다공성 그래핀쉘의 보호 효과로 촉매 입자의 응집, 부식, 탈락을 근본적으로 억제할 수 있다. 더불어 그래핀쉘에 숭숭 뚫린 구멍을 통해 반응물이 쉽게 이동할 수 있어 촉매 성능 저하를 최소화 할 수 있다.개발된 ‘다공성 그래핀 코팅’ 기술은 대기업보다 중소기업인 ㈜액트로(대표 하동길)에게 이전했다. 액트로는 2012년 창업하여 모바일용 액츄에이터, 조립자동화 설비, 휴대폰 부품을 제조하는 기업으로 경기도 유망중소기업, 밴처기업 재인증을 받았으며 60여명의 인력이 종사하고 있다.

2022년 5월 액트로의 매출액은 244.0억 원으로 작년 대비 -17.21% 감소했으며 당기순이익은 2022년 5월 기준 –9.0억 원으로, 작년 대비 –144.44% 감소했다.

2022년 5월 액트로의 영업이익은 –11.0억 원이지만 작년 대비 154.55% 증가 했다.

㈜액트로 하동길 대표는 “스마트폰 부품사업 일변도의 사업포트폴리오를 다각화하고, 미래성장 먹거리를 선정해 투자 및 추가증설 계획을 수립했다는데 의의가 있으며, 향후 원천기술 및 관련 소재기업들과 시너지를 통해 입지를 강화하는데 중심 축 역할을 할 수 있다“고 말했다.

연구책임자인 김희연 박사는 “이번 기술 이전은 국내 자체기술로 개발된 순수 ‘원천 소재 기술’에 대한 사업화로써 매우 드문 사례이며, K-소부장 기술을 바탕으로 한 수소경제 및 친환경 에너지 시스템의 인프라 구축에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

그래핀쉘은 연료전지용 백금계 촉매 표면에 one-step 다공성 그래핀쉘의 합성을 통한 내구성 향상 기술 개발제품으로 이차전지 음극재용 실리콘산화물(SiOX)의 표면에 one-step 다공성 그래핀쉘의 합성을 통한 내구성 향상 기술 개발제품이다. 이 기술에 대해서는 대기업도 관심을 보이고 있는데 중소기업과 우선적으로 손을 잡아 향후 시장경쟁에서의 향방이 주목된다. 또한 정부연구기관 등에서 개발된 제품을 민간시장에 전파함으로서 국제적 경쟁력에 기술우위의 국내 기업이 양산될 수 있는 좋은 표본이 되어 주는 사례이다.

(환경경영신문 www.ionestop.kr  신찬기 전문기자)