심준형 고려대학교 기계공학부 교수 연구팀이 프린터로 인쇄하듯 수소전지를 제작할 수 있는 새로운 생산 기술을 개발했다. 수소 생산과 전력 생산이 모두 가능한 차세대 전기화학 셀을 잉크젯 프린팅 방식으로 구현한 것으로, 향후 연료전지와 수전해 시스템의 제작 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.

고려대는 이번 연구 성과가 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 3월 1일자로 게재됐다고 17일 밝혔다. 논문명은 'Large-scale protonic ceramic electrochemical cells fabricated by inkjet printing'이다.

연료전지는 로봇, 드론 등 고전력 미래 모빌리티의 핵심 에너지원으로 주목받고 있다. 이에 따라 연료가 되는 수소 역시 천연가스 개질 방식의 '그레이 수소'에서 물을 전기로 분해해 생산하는 친환경 '그린 수소'로 전환하는 일이 글로벌 에너지 산업의 주요 과제로 떠오르고 있다.

연구팀은 잉크젯 프린팅 공정을 활용해 연료전지와 수전해 수소 생산 장치의 핵심 부품인 프로톤 세라믹 전기화학 셀(PCEC)의 전 소재를 인쇄 방식으로 제작하는 데 성공했다. 다양한 기능성 재료를 잉크 형태로 합성한 뒤 이를 정밀하게 적층 인쇄해 원하는 크기와 구조의 전기화학 셀을 자유롭게 설계할 수 있는 공정을 구현했다는 설명이다.

기존 연료전지 및 수전해 셀 제작에는 스크린 프린팅이나 슬롯다이 코팅 방식이 주로 쓰였다. 하지만 이 방식은 재료나 구조가 바뀌면 설비 자체를 변경해야 하는 한계가 있었다. 연구팀은 같은 장비로도 다양한 소재와 형상을 구현할 수 있는 잉크젯 프린팅의 장점에 주목해 이를 수소 에너지 분야에 접목했다.

이 기술로 제작한 장치는 98% 이상의 고순도 수소 생산과 약 80% 이상의 에너지 변환 효율을 달성했다. 연구팀은 수소이온 전도 세라믹 기반 구조를 적용해 이 같은 성능을 구현했다고 설명했다.

심준형 교수는 "잉크젯 프린팅 기술을 활용하면 핵심 부품인 셀을 인쇄하듯 설계하고 제작할 수 있어 연료전지와 수전해 수소 생산 시스템 개발 속도를 획기적으로 높일 수 있다"며 "향후 재료 조합과 구조를 자동으로 최적화하는 스마트 제조 플랫폼으로 발전시키는 것이 목표"라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 '미래수소원천기술개발사업' 지원을 받아 수행됐다.