국내 연구진이 반도체 제조 과정에서 쓰이는 기술을 이용해 수소 연료 전지 촉매 성능을 개선하는 데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구센터 유성종 박사(교신저자, 제1저자 장인준·이세현 박사) 연구팀이 반도체 제조에 쓰이는 금속박막 증착 기술인 스퍼터(Sputter) 공정을 이용해 물리적 방법으로 수소 연료 전지의 핵심 촉매인 금속 나노 입자를 합성하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.

금속 나노 입자는 대부분 복잡한 화학반응을 통해서 얻어지고 환경과 인체에 유해한 유기물을 사용해 처리 과정에서 추가 비용이 발생한다. 합성 조건도 매우 까다로운 편이다.

반도체 제조 과정에서 금속 박막을 입히는 기술인 스퍼터 공정은 기체 이온이 금속 타깃에 충돌해 이 과정서 분리된 금속 나노입자가 기판에 증착되고 점차 금속 나노입자가 성장해 박막을 형성하는 것을 말한다.

유 박사 연구팀은 스퍼터 공정에서 나노 입자화된 금속이 박막으로 변화하는 것을 막고자 특수 기판(글루코스)을 사용해 나노 입자를 얻어냈고 이를 통해 백금-코발트-바나듐 합금 나노입자 촉매를 개발해냈다. 개발한 촉매는 수소연료전지의 성능을 결정하는 주요 반응인 산소환원반응 촉매로 적용했다.

그 결과 수소연료전지용 촉매로 기존에 쓰이던 백금과 백금-코발트 합금 촉매보다 백금-코발트-바나듐 합금 나노입자가 각각 7배, 3배 높은 촉매 활성을 보이는 것으로 나타났다고 연구팀은 설명했다.

유 박사는 "금속 나노입자가 필요한 모든 연구에 적용할 수 있는 신개념의 합성법을 개발해 수전해, 태양전지, 석유화학 등 금속 나노입자가 필요한 모든 분야의 연구에 활용할 수 있게 됐다"고 강조했다.

유 박사는 "지금까지 구현이 어려웠던 새로운 구조의 합금 나노입자를 수소연료전지를 비롯한 친환경 에너지 기술에 적용해 완전한 수소경제 안착과 탄소중립 기술 개발에 힘쓰겠다"고 말했다.

이번 연구 결과는 나노입자 분야 국제학술지 나노투데이(Nano Today) 최신 호에 게재됐다.