미래로 가는 문, ‘에너지 연료’의 새 장을 열다
고체산화물 연료전지 연료극 소재 개발로 주목
울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 김건태 교수

눈부신 속도로 발전하고 있는 차세대 산업 분야 가운데서도 가장 핵심으로 꼽히는 것은 바로 ‘에너지’ 분야이다. 에너지 연료의 혁신은 곧 여타 첨단산업 분야 활성화의 원동력으로 작용하기 때문이다. 이에 따라 세계 각국은 차세대 에너지 연료를 개발하기 위한 연구와 투자를 지속하고 있다. 

우수한 성능과 안전성 갖춘 신소재 개발
지난 7월 10일, 산업통상자원부에서는 UNIST 김건태 교수팀에 ‘이달의 산업기술상’을 수여했다. 고체산화물 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) 연료 전극 소재를 개발한 성과를 인정한 것이다. 고체산화물 연료전지는 수소 또는 탄화수소연료를 공기와 반응시켜 전기와 물을 발생시키는 가장 이상적인 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 풍력, 태양광은 물론, 연료전지 기술 중 비교적 높은 효율을 보이는 용융탄산염형 연료전지(MCFC)에 비해서도 훨씬 높은 70% 가량의 발전효율을 지니고 있기 때문이다. 

지난 2009년 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수로 임용되며 gunslab을 구성한 김건태 교수는 전기화학 및 고체화학을 중심으로 한 그간의 연구 성과를 바탕으로 이번 SOFC 전극 소재 개발을 주도해 학계의 주목을 받았다. 김 교수는 “SOFC는 높은 발전효율과 함께 그 구조가 간단하고 소재가 저렴하며, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다는 장점으로 인해 미래의 친환경적인 에너지 대체 수단으로 많은 관심과 연구의 대상이 되어왔습니다. 하지만 기존 연료극 소재인 니켈 서멧(Ni cermet)의 경우 탄화수소계 연료를 사용할 때 불순물 침적으로 인해 장기간 사용시 안정성이 떨어진다는 문제를 보여왔습니다”라고 설명했다. 이에 연구팀에서는 기존 소재의 단점을 보완하기 위한 다양한 물질을 연구해왔으며, 이를 통해 우수한 성능과 뛰어난 안정성을 갖춘 이중층 구조의 페로브스카이트 물질을 개발, 새로운 연료극에 적용하는 데에 성공하기에 이른다.

이 성과는 지난해 재료과학 분야 세계 최고 권위의 학술지이며 연구영향력이 가장 높다고 평가되고 있는 네이처 머티리얼즈(Nature Materials) 온라인판에 게재되기도 했다. 김 교수는 “이번 연구에 바탕을 둔 연료전지가 상용화된다면, 각 가정에 소형 고체산화물연료전지를 설치해 전기 생산시 발생하는 폐열을 통한 자가발전이 가능해집니다. 그렇게 되면 전기세를 현재의 절반 수준으로 절감이 가능하며, 해마다 반복되는 전력대란 역시 피할 수 있을 것으로 예상됩니다”라고 밝혔다.

자신의 길을 믿고 절대 포기하지 말라
김건태 교수 연구팀은 SOFC 연구 외에도 금속-공기 배터리를 비롯하여, SOFC의 역반응으로 수소를 생산하는 SOEC(고체산화물 수전해전지), 산소 막 반응기(Oxygen Membrane Reactor), 직접 탄소 연료전지(DCFC : Direct Carbon Fuel Cells) 등을 연구하고 있다. 지난해에는 기존 연료전지보다 온도를 400℃ 이상 낮추더라도 높은 효율과 장기안정성을 보여주는 공기극 소재를 개발, 앙게반테 케미(Angewandte Chemie Int. Ed.)에 보고함과 동시에 표지논문으로 선정되는 등 2009년 이래 연료전지 관련 SCI급 논문 60여 편을 게재하며 활발한 연구 성과를 창출해 내고 있다.

김 교수는 이 같은 성과의 바탕에는 UNIST의 풍부한 연구 인프라와 함께 연구팀 구성원들의 노력이 있었다고 말했다. 그는 “연료전지는 2차전지나 태양전지 등의 에너지 생산 및 저장 시스템에 비해 상대적으로 주목도가 떨어지는 분야입니다. 하지만 ‘연료전지는 미래에 꼭 필요한 에너지원’이라는 믿음으로 이 분야에 집중해온 것이 좋은 결과를 얻을 수 있는 원동력이 된 것 같습니다”라고 전했다. 무슨 일을 하던지 자신이 하는 일에 사명감을 가지고 두려워하지 않는 것이야 말로 놀라운 성과를 만들어내는 힘이라는 생각이다. 
또한 김 교수는 한국 과학기술의 미래를 위해선 학생들이 자신의 역량을 키울 수 있도록 창의적인 연구 분위기를 조성해주는 것이 중요하다고 강조했다. 그는 “학생들은 연구 분야에 있어서는 아직 새싹과 같은 존재입니다. 얼마나 많은 양분을 주고 정성을 들여 키우느냐에 따라 울창한 침엽수가 될 수도, 시들한 나무가 될 수도 있습니다”라고 지적했다. 이에 덧붙여 학생들 스스로도 탄탄한 기본기를 쌓기 위한 노력을 계속해야 한다고 당부의 말을 남겼다.

향후 우리나라가 SOFC 분야에서 기술 선도를 하기 위한 연구를 계속해나가겠다는 김건태 교수. 그와 수많은 과학자들의 열정과 노력이 모여 세계적으로 주목받고 있는 신재생 에너지 기술 분야에서 대한민국의 과학기술이 세계를 이끌어나갈 수 있게 되길 기대해 본다.

Opening the door to the future energy fuels
SOFC is the future of our energy 
Prof. Guntae Kim, School of Energy & Chemical Engineering at UNIST

Developing safe and high performance new materials
On July 10, Ministry of Trade, Industry & Energy awarded Industrial Technology of the Month to Prof. Guntae Kim in UNIST (Ulsan National Institute of Science and Technology) for developing SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). SOFC generates electricity and water by reacting hydrogen or hydrocarbon fuels with oxygen in the atmosphere. It is regarded as the next generation energy conversion system. SOFC has the generating efficiency up to 70% and far higherthan MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) which has otherwise kept the top place. 

Starting his career as a professor at UNIST in 2009, Prof. Kim led  'gunslab' to carry out researches based on electrochemistry and sold state chemistry and eventually conducted the development of SOFC. 

"SOFC is structurally simple and high gererating efficiency, and besides its materials are cheap. It has solved problems of losing, recharging and corrosion of electrolyte and have received attention as the eco-friendly alternative energy technology in the future. But Ni cermet, the existing material, showed rapid degradation when  operated under hydrocarbon fuels due to the carbon cocking and sulfur poisoning." 

Prof. Kim's group developed a new  layered perovskite materials to solve these drawbacks. The layered perovskite shows high performance and stability when applied to SOFC system as new anode material. The result was published on Nature Materials known to be the world's top authority in the materials science field. 

"If SOFC is commercialized, it is possible to generate electricity using compact SOFC system in every household. It will reduce electricity bill in half and the annual power shortage in Korea especially in summer will also be solved."

Believe yourself and never give up
Prof. Kim's group studies about not only SOFC but metal-air battery, SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell), OMR (Oxygen Membrane Reactor) and DCFC (Direct Carbon Fuel Cells). Last year, they  developed a new cathode material that shows high efficiency and enhanced stability  at lower operating temperature (500 ~ 700℃).  They reported the achievement to Angewandte Chemie Int. Ed. and the paper was chosen as the cover story. Prof. Kim’s group has published more than 60 SCI research papers. Prof. Kim attributes these remarkable results to UNIST's excellent research infrastructure in addition to his group's effort. 

"Fuel cell has still less  attention than energy generating and  storage systems  such as secondary batteries or solar cells. But we believed that fuel cell is the essential future energy source and this belief has brought us fantastic results."

Prof. Kim also emphasizes on providing a creative research environment so that students can try their ideas and dream more freely and efficiently. "Students are our future. And the their future depends on how much quality education and practical research environment we provide in addition to their passion and diligence." Prof. Kim and his group's goal is to raise Korea's fuel cell technology as a global leader of SOFC industry and for this they are determined to keep on working with innovative ideas and challenging spirit.