차석원 교수님 연구실 인터뷰

황재원 연구원, 정인영 연구원, 이광언 연구원

 

Q1. 간단한 연구실 소개와 연구 분야 소개 부탁드립니다.

저희 연구실은 차석원 교수님께서 지도하시는 재생에너지 변환 연구실입니다. 저희 연구실은 크게 에너지 디바이스 제작과 에너지 시스템 제어, 두 개의 팀으로 나뉘어 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 수전해 등에 관한 다양한 실험을 진행하고 시스템 모델링에 대한 연구를 진행하고 있습니다.
최근 대두되고 있는 환경 문제와 관련하여 국제적인 배출가스 규제 대응 방안으로 재생에너지와 수소가 부상하고 있기에 우리나라의 수소경제 선점을 위한 원천기술을 개발하는 것을 목표로 연구를 활발히 진행중에 있습니다. 특히 전통적인 연료전지 제조 방식에서 볼 수 없는 물리 기상 증착, 원자막 증착 등의 여러 박막 증착 공정 기술을 활용하여 높은 성능을 갖는 새로운 유형의 전지를 제작하거나 작동 온도에서 효율적으로 이온을 전달하여 효율을 높이는 전극 및 전해질 물질 개발에도 박차를 가하고 있습니다. 뿐만 아니라 현대자동차나 한국조선해양 등 대기업과의 협업을 통해 최적의 연료전지 시스템 모델을 개발하는 연구도 진행 중입니다. 예를 들어, 연료전지의 열화 특성을 고려하고 일반화 성능이 보장된 연료전지 하이브리드 차량의 에너지 관리 시스템과 그 필요성에 대해 연구하기도 하며, 연료전지 차량의 상용화를 앞당기기 위해 인공지능을 활용하여 연료전지 시스템의 이상상태를 진단하고 예측하는 연구도 함께 수행하고 있습니다.

 

Q2. 최근 진행되고 있는 대표 연구에 대해 간략히 소개 부탁드립니다.

가장 중점적으로 연구하고 있는 고분자전해질 연료전지/수전해(PEMFC/EC), 고체산화물 연료전지/수전해(SOFC/EC)에 대한 연구에 대해 말씀드리겠습니다. 고분자전해질 전지 연구의 경우 현대차와의 협업을 통해 스택 요소들(분리판, 확산층 등)의 비용 절감과 경량화, 고내구성화를 목표로 분리판 코팅 및 내부식성 평가, 셀 테스트를 통한 성능 평가를 수행 중에 있습니다. 박막 증착 공정을 활용한 코팅 기술을 통해 셀 성능을 높이거나 유지한 채로 내구성과 경제성을 확보할 수 있다면, 대형 선박, 자동차, 그리고 항공기에서도 고분자전해질 전지 및 수전해 기술을 활용할 수 있을 것입니다.
고체산화물 연료전지/수전해의 경우 750 °C 이상의 고온에서 작동하는데, 이럴 경우에 내구도나 소재 선정의 측면에서 여러 가지 단점이 발생할 수 있습니다. 이 단점을 극복하기 위하여 저희 연구실에서는 저온의 온도에서도 작동하는 전지/수전해 기술 개발에 초점을 두고 있습니다. 다만 작동 온도를 낮추게 되면 반응이 느려지고 효율이 떨어지기 때문에 기존의 연료전지 제작 공정인 슬러리 공정과 반도체 업계의 반도체 박막 증착 공정을 융합하여 저온에서도 높은 성능을 유지하는 차세대 연료전지를 제작하는 것이 저희의 목표입니다. 이에 따라 반응 면적 극대화를 위한 박막 셀 제작, 산소 이온보다 전도도가 높은 양성자를 전도하며 작동하는 프토로닉 세라믹 연료전지 개발, 박막 전극 구조 최적화 및 전극 물질 개발 등 다양한 방법으로 고체산화물 연료전지/수전해를 상용화할 수 있는 연구를 진행 중입니다. 특히 스퍼터링, ALD, 등의 첨단 반도체 공정을 기존의 슬러리 공정과 적절히 융합하여 셀을 제작하게 되면 기존의 연구 단계에서 벗어나 성능과 내구성뿐만 아니라 경제성과 생산성 또한 향상된 차세대 고체산화물 연료전지/수전해를 제작할 수 있습니다.

 

Q3. 해당 연구를 진행하면서 가장 힘들었던 점과 이를 극복한 방법이 있다면 말씀 부탁드립니다.

실험을 함에 있어서 가장 힘든 점이라 한다면 저희가 생각하는 것보다 실험 결과에 영향을 미치는 변수들이 워낙 다양하다는 점입니다. 나노 스케일의 박막을 다루다 보면 저희가 제어할 수 없는 변수들이 공정에 작용하여 완전히 다른 실험 결과를 내어놓기도 합니다. 이러한 변수 때문에 수 시간, 길게는 수 일에 걸친 실험이 물거품이 되어 버리기도 하고, 어떠한 변수 때문에 변화가 일어나는 지를 찾기 위하여 실험 조건을 하나씩 바꾸어가며 같은 실험을 여러 번 반복하여야 했습니다. 의미가 없을 지도 모르는 실험을 위해 계속 반복하여 같은 실험을 한다는 사실은 연구원들에게 있어 큰 걸림돌로 다가왔는데요. 연구자로서의 인내심과 책임감, 그리고 연구실 동료들과의 협업이 아니었다면 이러한 문제를 극복하기 힘들었다고 생각합니다. 실험을 하는 연구자라면 실험이 성공할 때까지 포기하지 않고 나아가는 인내심, 그리고 본인의 연구에 대하여 처음부터 끝까지 하나하나 살필 수 있는 꼼꼼함과 책임감은 연구자에게 있어 꼭 필요한 자질이라고 생각합니다. 뿐만 아니라 다른 연구원들과 자유롭게 소통할 수 있는 좋은 분위기 덕에 다른 연구원들로부터 제가 생각지 못한 아이디어들을 얻을 수 있었고 여러 문제들을 힘을 합하여 해결해 나갈 수 있었습니다.

 

Q4. 연구실에서 보유하고 있는 특별한 장치 또는 설비가 있다면 소개 부탁드립니다.

저희 연구실에서는 연료전지 시스템 평가를 위한 고분자전해질 연료전지/수전해 실험 장비, 고체산화물 연료전지/수전해 및 고체산화물 실험 장비를 구비하고 있습니다. 또한 스퍼터(Sputter), 플라즈마 원자막 증착 장비(PEALD) 등의 첨단 박막 증착 장비를 보유하고 있으며 기존 연료전지 제작에 사용되는 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 스핀 코팅 등의 습식 공정 장비 또한 사용하고 있습니다. 추가적으로 전기화학적 분석을 가능하게 해주는 potentiostat 장비들도 다수 보유하고 있습니다.

 

MEch-SSENGER 송세인