▲ 금속 지지체 전극 구조와 GDC 첨가에 따른 반응 경로 변화 / (좌) GDC가 없는 전극 구조. 금속 지지체 표면에서 반응이 일어나지만, 반응에 필요한 산소 이동 거리가 길어 효율이 제한된다. (우) GDC를 함께 넣은 전극 구조. 산소가 가까운 거리에서 공급되면서 반응 경로가 짧아지고, 전극 성능이 향상된다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

온실가스의 주범인 이산화탄소를 줄이면서 동시에 전기를 생산하고, 필요할 경우 다시 수소와 산업용 가스로 전환할 수 있는 차세대 에너지 기술의 핵심 전극이 국내 공동연구진에 의해 개발됐다. UNIST·POSTECH·서울대·중국 난징정보과학기술대학교(NUIST) 연구팀이 고온 환경에서도 성능 저하와 구조 붕괴를 극복한 고성능 고체산화물전지(SOC) 전극을 구현하면서, 수소경제와 탄소중립을 연결하는 ‘에너지 순환 플랫폼’ 상용화 가능성이 한층 가까워졌다는 평가다.

UNIST 신소재공학과 조승호 교수팀은 이중층수산화물(LDH)을 기반으로 한 새로운 금속형 전극 구조를 개발해, 기존 대비 출력은 약 1.5배 높이고 이산화탄소 분해 과정에서의 내구성도 대폭 향상시켰다. 이번 연구는 수소를 연료로 전기를 생산하는 것은 물론, 반대로 전기를 투입해 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하거나 수소를 생산할 수 있는 고체산화물전지의 실용성을 크게 높인 성과다.

고체산화물전지는 고온에서 작동하는 고효율 에너지 변환 장치로, 연료전지와 수전해 기능을 모두 수행할 수 있어 미래 에너지 인프라의 핵심 후보로 꼽힌다. 하지만 기존 전극은 세라믹 지지체 위에 금속 촉매를 올린 구조여서 600℃ 이상의 고온에서 장기간 사용 시 금속 입자가 뭉치거나 떨어져 성능이 급격히 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 근본적으로 해결하기 위해 지지체와 촉매를 모두 금속으로 구성한 새로운 전극 구조를 설계했다. 핵심은 코발트·철 기반 이중층수산화물을 활용한 정밀 상변화 제어다. 먼저 공기 중 열처리를 통해 금속 합금 골격을 형성한 뒤, 수소 분위기에서 재가열해 촉매 역할을 하는 합금 나노입자가 표면으로 자연스럽게 솟아오르도록 설계했다. 이를 통해 구조적 안정성과 촉매 활성도를 동시에 확보했다.

실제 성능은 뚜렷했다. 800℃ 수소 연료 환경에서 최대 출력은 1.57W/㎠로 기존 전극보다 약 1.5배 향상됐으며, 전기를 주입해 이산화탄소를 분해하는 실험에서도 200시간 동안 안정적 작동을 유지했다. 이는 단순한 효율 개선을 넘어, 고온 장기 운전이 필수적인 산업용 에너지 시스템에서 경제성과 신뢰성을 동시에 확보했다는 의미다.

특히 이번 기술은 ‘탄소 배출 저감’에 그치지 않고, 이산화탄소를 산업용 원료인 일산화탄소로 전환하는 업사이클링 플랫폼으로도 주목된다. 향후 친환경 연료 생산, 화학소재 제조, 수소 저장 시스템 등 다양한 산업 분야로 확장될 수 있어 탄소중립 시대의 핵심 인프라 기술로 평가된다.

공동연구팀은 “전극 교체 주기를 줄여 운영 비용을 낮추고, 수소 생산과 전기 생산, 이산화탄소 자원화를 동시에 구현할 수 있는 기반 기술”이라며 “고체산화물전지 대중화를 앞당길 수 있다”고 설명했다.

이번 연구의 또 다른 의미는 이중층수산화물의 활용 범위를 획기적으로 확장했다는 점이다. 기존에는 저온 촉매나 배터리 소재 중심으로 연구되던 물질을 고온 고체산화물전지 전극으로 처음 적용함으로써, 소재과학과 에너지공학의 새로운 융합 가능성을 제시했다.

UNIST 에너지화학공학과 졸업생 김현민 연구원(現스탠포드대학교), UNIST　신소재공학과 졸업생 김윤서 연구원(現한국과학기술연구원), 서울대학교 재료공학부 서화경 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 세계적 재료과학 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 게재됐다. 수소경제, 전력 생산, 탄소 저감이라는 세 가지 글로벌 과제를 하나의 시스템으로 연결할 수 있다는 점에서, 이번 기술은 단순한 전극 개발을 넘어 미래 에너지 산업 구조를 바꿀 핵심 전환점으로 주목된다.

논문명은 Engineering Metal-Metal Junctions From Layered Double Hydroxide Frameworks for High-Rate Solid Oxide Cells이다.