[대구=이데일리 홍석천 기자] 계명대 연구진이 충격파를 이용해 차세대 수소연료전지 핵심 소재인 프로톤 전도성 세라믹의 결함 구조를 조절하는 기술을 개발했다. 원소를 첨가하거나 고온으로 열처리하던 기존 방식과 달리 물리적 자극을 활용했다는 점에서 에너지 소재 제조 공정의 새로운 가능성을 제시했다.

계명대는 기계공학과 김익현 교수와 신소재공학과 김준석 교수 공동 연구팀이 충격파 유동에 따른 세라믹 내부의 산소 결함 변화와 결정격자 왜곡 현상을 규명했다고 14일 밝혔다.

프로톤 전도성 세라믹은 차세대 수소연료전지인 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의 전해질로 활용되는 소재다. 소재 내부의 산소 결함은 수소 이온이 이동하는 통로 역할을 하기 때문에 결함의 양과 구조를 정밀하게 조절하는 기술이 연료전지 성능을 좌우하는 요소로 꼽힌다.

기존에는 다른 원소를 첨가하는 도핑이나 고온 열처리로 산소 결함을 조절했다. 그러나 공정 조건이 복잡하고 소재 조성이 달라질 수 있다는 한계가 있었다.

연구팀은 반복적인 충격파로 소재 내부에 순간적인 비평형 환경을 만든 뒤 X선 회절과 X선 광전자분광법, 비표면적·입도 분석 등을 통해 구조 변화를 확인했다. 실험 결과 충격파 반복 횟수가 늘어날수록 산소 결함과 세륨 이온(Ce³+) 농도가 증가하다가 일정 수준 이후 안정화됐다.

분말의 비표면적이 넓어지고 입자 분산성이 개선되는 현상도 확인됐다. 이는 연료전지 전해질 제조 과정에서 미세구조를 균일하게 만들고 공정 안정성을 높이는 데 활용될 가능성이 있다.

다만 이번 연구는 소재의 결함 구조와 물성을 확인한 기초 단계다. 실제 연료전지에 적용했을 때의 출력과 내구성, 충격파 공정의 대량생산 가능성 등은 추가 검증이 필요하다. 연구팀은 후속 연구를 통해 촉매와 배터리, 반도체 등 다른 기능성 소재로 적용 범위를 넓힐 계획이다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘세라믹스 인터내셔널(Ceramics International)’에 게재됐다. 김익현 교수가 연구를 총괄했으며 김준석 교수가 제1저자로 참여했다. 한국연구재단 우수신진연구사업과 계명대 비사연구비의 지원을 받아 수행됐다.