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신소재공학과 김정현 교수 연구팀, 세리아 복합화로 고체산화물 연료전지 공기극 코발트 용출 제어 기술 규명 새글
작성자기획과 조회수28 등록일2026-09-21
사진설명: 국립한밭대학교 김정현 교수 연구팀 연구실험 관찰 이미지
□ 우리 대학 신소재공학과 김정현 교수 연구팀이 코발트가 치환된 층상 페로브스카이트 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 공기극에서 나타나는 코발트(Co) 표면 용출(Exsolution) 현상을 규명하고, 세리아 기반 이온전도체(Gd-doped ceria)와의 복합화를 통해 이를 효과적으로 제어함으로써 중․저온형 고체산화물 연료전지(IT-SOFC)의 공기극 저항을 획기적으로 조절하고 저감하는 신개념 기술을 제시했다.
○ 본 연구는 국립한밭대 응용소재공학과 홍유택 대학원생(現 ㈜미코파워)이 제1저자, 김정현 교수가 교신저자로 참여했으며, 연료전지 및 수소분야의 저명한 국제학술지 Journal of Power Sources 696권(2026)에 ‘Regulating Co-rich surface segregation in layered perovskite cathodes for low-resistance intermediate-temperature SOFC operation’이라는 제목으로 지난 16일 온라인 공개됐다.
□ 층상 페로브스카이트계 공기극은 우수한 이온․전자 혼합전도 특성으로 IT-SOFC용 소재로 주목받고 있으나, 코발트 치환 비율이 높은 조성일수록 고온에서 표면의 코발트 용출현상이 나타난다.
○ 이러한 코발트 용출은 전기화학 반응활성점을 늘려 성능에 기여할 수도 있지만, 과도하게 진행될 경우 입자 조대화(粗大化)와 계면 불안정을 유발해 장기적으로 전기화학적 성능을 저하시킬 수 있어, 그 발생 원인과 제어 방법을 규명하는 것이 중요한 과제로 남아 있었다.
○ 연구팀은 이를 해결하기 위해 단일 공기극에 세리아계열 산화물을 복합화한 SBCF-CGO 시료를 적용하여 비교 분석한 결과, 600℃에서 코발트 용출 입자의 면적분율이 10.78%에서 3.22%로, 평균 입자 크기가 5.9nm에서 2.2nm로 크게 감소됨을 확인했다.
○ 또한, 장기 고온 노출을 통해 급격한 열화 없이 안정적인 저항 거동을 보였으며, 이는 복합화가 단순한 이온전도 경로 확장뿐 아니라, 비가역적인 코발트 용출 거동 자체를 조절하는 데에도 기여함을 보여주는 결과이다.
□ 이번 홍유택 연구원의 논문은 지난 11일 같은 저널(Journal of Power Sources 695권, 2026)에 실린 임유리 대학원생의 연구 ‘Enhanced electrochemical performance of non-stoichiometric SBSCO cathodes for IT-SOFC via Co nitrate impregnation’와 한 팀에서 연이어 발표한 자매 연구로, 두 논문 모두 김정현 교수가 교신저자이며 서로 공동저자(임유리)로 참여해 층상 페로브스카이트 공기극의 ‘코발트 표면 화학’이라는 공통 주제를 다뤘다.
○ 다만 두 연구는 코발트를 다루는 접근 방향이 서로 대조적이다. 임유리 대학원생의 선행 연구는 코발트가 상대적으로 부족한 SBSCO 공기극에 질산코발트 용액을 함침시켜 인위적으로 코발트 용출을 ‘유도’함으로써 반응활성점을 늘리고 계면 전하전달 저항을 낮춰 ASR을 약 2배 저감한 연구다.
○ 반면 이번 홍유택 연구원의 연구는 이미 코발트 함량이 높은 SBCF 조성에서 고온 구동 시 발생하는 과도한 코발트 용출 입자를 세리아 복합화로 ‘억제․조절’함으로써 입자 조대화에 따른 계면 불안정을 방지하고 저항을 낮추는 방식으로, 부족한 코발트를 채워 넣는 것이 아니라, 과잉 용출되는 코발트를 제어하는 전략을 취했다.
○ 두 연구를 종합하면, 국립한밭대 연구팀은 ‘코발트가 적으면 채우고(함침 유도), 코발트가 많으면 다스린다(용출 제어)’는 상호 보완적인 두 갈래의 전략으로 층상 페로브스카이트 공기극의 비가역적인 코발트 표면 상태를 정밀하게 설계할 수 있음을 연이어 실증한 것으로, 코발트 표면 화학이 IT-SOFC 공기극 성능을 좌우하는 핵심 변수임을 일관되게 보여준다.
□ 교신 저자인 김정현 신소재공학과 교수는 “이번 연구는 코발트가 풍부한 층상 페로브스카이트 공기극에서 나타나는 코발트 용출 현상을 정량적으로 규명하고, 세리아 복합화를 통해 이를 조절할 수 있음을 보여준 연구”라며, “앞서 발표한 코발트 함침 연구와 함께 살펴보면, 코발트 표면 화학을 필요에 따라 유도하거나 억제하는 두 가지 설계 전략을 모두 확보한 셈이며, 향후 고성능․고내구성 IT-SOFC 공기극 설계에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
○ 제1저자인 홍유택 연구원은 “TGA, DSC, XPS 분석을 통해 코발트 용출에 앞서 나타나는 전조 현상을 확인하고, 실시간 투과전자현미경(In-situ TEM)으로 실제 코발트 용출 입자의 형성과 성장 과정을 직접 관찰한 뒤, 세리아 복합화가 이 용출 거동 자체를 제어한다는 특성을 임피던스(Impedance) 분석으로 연결지어 확인한 것이 이번 연구의 핵심 성과이다”라고 밝혔다.
□ 한편, 이번 연구에는 국립한밭대를 비롯해 ㈜미코파워, 한국세라믹기술원, 고려대학교, 한국기계연구원, ㈜엑센, 스리랑카 스리 자예와르데네푸라대학교(University of Sri Jayewardenepura) 연구진이 공동으로 참여했다.
○ 또한, 본 연구는 기후에너지환경부의 ‘충청권 분산에너지 대응 에너지기술공유대학’, 과학기술정보통신부․한국연구재단이 지원하는 ‘청정수소원천기술밸류업사업’, 그리고 2026년도 교육부 및 대전광역시의 ‘지역성장 인재양성체계(앵커) 사업’의 지원을 받아 수행됐다.
○ 이는 먼저 게재된 임유리 대학원생 연구와 동일한 사업의 지원을 받은 것으로, 국립한밭대 신소재공학과 연료전지 연구팀의 연속적인 성과로 평가된다.