▲ (a) 증기 확산 기반 공정 모식도 (b) 전해질 표면 미세구조 (c) 공정에 따른 전해질 내부 바륨 조성 비율 (d) 기존 연구들과의 전력 생산 성능 비교(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

차세대 에너지 기술의 핵심으로 주목받는 프로토닉 세라믹 전기화학전지(PCEC)가 KAIST 연구진에 의해 새로운 전환점을 맞았다. 높은 효율로 전력과 수소를 동시에 생산할 수 있는 PCEC는 미래 에너지 전환의 핵심 기술이지만, 그 제작 과정은 1,500℃에 달하는 초고온 공정이 필수적이라는 한계를 안고 있었다. KAIST는 이 공정을 500℃ 이상 낮추는 데 성공, 사실상 불가능하다고 여겨지던 세라믹 전지 제조 기술의 새 장을 열었다.

KAIST는 기계공학과 이강택 교수 연구팀이 ‘마이크로파 조사’와 ‘증기 확산’을 결합한 혁신적 공정을 개발해, 기존 1,500℃ 고온 대신 약 980℃에서 고성능 PCEC를 제작하는 데 성공했다고 발표했다. 이는 전지 재료가 고온에서 분해되는 문제를 원천적으로 해결하며, 차세대 에너지 전지 상용화의 문을 크게 넓혔다는 평가를 받고 있다.

1,500℃의 벽을 깬 ‘마이크로파+증기 확산 공정’

프로토닉 세라믹 전지의 핵심 재료에는 바륨(Ba)이 포함되어 있는데, 이 바륨이 1,500℃ 이상에서는 쉽게 증발해 전해질 구조가 무너지고 성능이 급격히 떨어졌다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 특수 보조 소재에서 발생한 화학 증기를 마이크로파로 빠르게 확산시키는 방식을 고안했다.

보조 소재에 마이크로파 조사 → 약 800℃에서 증기 급속 확산 → 증기가 세라믹 입자를 단단하게 결합 → 기존 1,500℃ 공정을 980℃로 대체하는 방식이다. 

이로써 전해질 손상 없이 단단한 고성능 세라믹 전지를 저온에서 빠르게 제작할 수 있는 세계 최초의 기술이 공식적으로 확인됐다.

성능은 2배↑, 전력·수소 동시 생산... 업계 최고 수준 기록

새 공정으로 제작된 전지는 성능 면에서도 기존의 모든 한계를 돌파했다.

이 공정으로 제작된 전지는 600℃에서 손톱만 한 1cm²크기 전지가 2W의 전력을 안정적으로 생산했고, 600℃에서 시간당 205mL(작은 종이컵 1컵 정도의 양으로 업계 최고 수준)의 수소를 생성, 500시간 연속 사용에서도 성능 저하 없이 안정성 유지라는 우수한 결과를 보였다.

즉, 제작 온도는 낮추고(−500℃), 작동 온도는 낮추고(600℃), 성능은 2배로 높이고(2W/cm²), 수명은 길게 만든(500시간 안정성) 세계 최고 성능의 전지 기술을 만든 것이다. 만들기 더 쉽고, 더 저렴하며, 더 강력하고, 더 오래가는 차세대 전지 기술이 탄생한 것이다.

연구진은 디지털 트윈 기술을 통해 실제 실험에서는 관찰하기 어려운 전지 내부 가스 흐름까지 분석해 공정 신뢰성을 높였다. 이는 향후 산업 적용 시 공정 설계·최적화를 가속하는 중요한 기반 기술이 될 전망이다.

“AI·수소 경제 시대의 핵심 기술로 성장할 것”

이강택 교수는 “이번 연구는 증기를 이용해 열처리 온도를 500℃ 이상 낮추면서도 고성능·고안정성 전지를 만든 세계 최초의 사례”라며 “AI 시대의 전력 문제와   수소사회를 앞당길 핵심 제조 기술로 자리 잡을 것으로 기대한다”고 강조했다.

이번 연구에는 KAIST 기계공학과 김동연 박사, 강예진 박사과정이 공동 제1저자로 참여했으며, 결과는 재료과학 분야 최고 권위지 'Advanced Materials'(IF 26.8)에 게재되었고 표지(Inside front cover) 논문으로 선정됐다.

논문명은 Sub-1000°C Sintering of Protonic Ceramic Electrochemical Cells via Microwave-Driven Vapor Phase Diffusion이다.