460…NICE, 제21권 제4호, 2003
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김 재 정
서울대학교 응용화학부, jjkimm@snu.ac.kr
우리는 정보통신 기기의 도움 없이는 하루도 살 수 없을 만큼 정보통신 기기의 유익함에 길들여져 살아가고 있다. 동영상이 가능한 컬러 휴대폰, PDA, laptop computer 등 휴대용 소형 가전기기 들이 많은 기능을 담아 복잡해지고, 멀티미디어화 되면서 필요한 전력이 증가하고 있다. 이런 요구 전력을 만족시키기 위해 환경 친화적이고, 에너지 밀도와 효율이 높은 신에너지 시스템의 개발이 21 세기 선진국가의 필수개발기술로 인식되고 있다.
이러한 요구에 부흥하여 최근 주목받고 있는 차세 대 에너지 변환/저장시스템은 모두 전기화학적인 원리를 이용한 것으로 마이크로 연료전지와 슈퍼 캐패시터(supercapacitor)가 대표적이다. 이들을 소형 휴대기기에 이용하기 위해서는 소형화가 필요 하나, 단지 기존의 형태를 작게 만드는 것만으로는 충분한 동력을 제공할 수 없다. 따라서 마이크로 연 료전지의 소형화, 박막화, 경량화와 더불어 고용량, 고출력의 슈퍼캐패시터를 실현하기 위해 미세가공 기술 및 나노 기술의 응용이 요구되고 있다.
휴대기기용 연료전지의 소형화 및 박막화를 위 해서는 기술적 요소의 발전과 함께 신소재의 개발 이 필요하다. 휴대용 연료전지는 자동차용 전지처 럼 셀의 적층이 불가능하므로 셀을 평면으로 배치 할 필요가 있다. 이에 Manhattan사의 경우 폴리 에스테르 필름 양쪽에 미세구멍을 통해 몇 개의 셀을 직렬로 연결하여 고출력의 필름 모양의 연료 전지를 제작하였다. 또 한편에서는 세라믹과 실리 콘 웨이퍼 위에 전극과 전해질, 촉매 층을 여러 층
으로 쌓아 1.5~2cm의 초소형의 연료전지를 만들 거나, 기존의 반도체 공정에서 사용되던 실리콘 기 반의 미세가공기술을 이용하여 실리콘 기판위에 직접 미세한 가스 유로를 형성시켜 연료(메탄올과 물)가 통과할 수 있도록 한 연료전지가 제작되고 있다. 또한 일본의 Casio사에서는 메탄올을 이용 하여 수소를 만들어내는 개질기를 미세가공기술 을 이용하여 실리콘 기판에 유로를 형성하고 촉매 를 코팅함으로써 고분자전해질연료전지 (PEMFC)에 적용하여 직접메탄올연료전지 (DMFC)보다 높은 출력밀도를 보여주었다. 이런 실리콘 기반의 연료전지는 적층형보다 구조가 간 단하여 두께가 얇고, 제조공정을 간략화 할 수 있 는 장점을 갖는다. 이렇게 미세가공기술을 이용하 여 chip 크기의 소형화 및 박막화가 이루어지면서 경량화 및 수소 에너지의 효율적 공급을 위한 기 술 개발 포인트가 전해질 막, 전극 성능의 향상과 연료공급의 문제와 연관된 신소재의 개발에 맞추 어지고 있다. 그리하여 연료전지의 전극 성능을 향 상시키기 위해 NEC에서는 탄소 나노 튜브의 일 종인 탄소 나노혼(nanohorn)을 백금 촉매의 지지 체로 사용하여 나노 크기의 백금을 담지 시키는 기술을 개발하였다. 이 기술은 아주 작은 크기의 백금 입자가 미세한 탄소 나노혼에 균일하게 분산 되어 응집을 막아 표면적을 넓혀주며 사용되는 백 금의 양도 줄여 가격저감의 효과도 가져온다. 또한 탄소 나노혼은 구조가 안정하여 전극의 수명이 길고, 가벼워 경량화의 효과도 있을 뿐만 아니라,
특·별·기·획
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 4, 2003…461 탄소 나노혼을 이용하여 제작된 연료전지는 리튬
이온전지의 10배, 활성탄을 사용한 연료전지의 2 배 정도 높은 발전 효율을 나타낸다.
이 외에도 음극 촉매로 높은 표면적을 갖는 전 기 전도성 탄소위에 금속 나노 입자가 담지되어 있는 나노복합체(nanocomposite)를 사용하고 있 으며, 최근에는 Vanderbilt Univ.와 Minnesota대학 이 공동으로 그라파이트 탄소 나노섬유(graphitic carbon nanofiber(GCNF))에 Pt-Ru가 담지된 나노복합체를 개발하여 직접메탄올연료전지의 음 극촉매로 높은 성능을 나타냄을 발표하였다. 또한 탄소 나노 튜브의 사용은 연료전지의 경량화와 수 소 저장 능력의 향상을 가져온다. 탄소 나노 튜브 는 탄소 원자가 원통 모양으로 연결된 신소재로 기체와 액체의 투과도가 좋고, 가벼우며 표면적이 매우 넓어 무게당 4.2%의 수소를 저장할 수 있는 좋은 수소흡장재료이다. 탄소 나노 튜브 외에 금속 수소화물을 이용하거나 나노 튜브 모양이나 나노 섬유로서 얻어지는 그라파이트 미세 구조에 고온, 고압에서 수소를 가스 형태로 저장하는 방법들이 연구되고 있어, 나노 구조의 탄소가 수소 저장 시 스템에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 또한 직접메탄올연료전지용 전해질막의 가장 큰 문제 인 메탄올 크로스오버 현상을 줄이기 위해 막의 표면을 나노 입자나 메탄올 배리어 물질로 개질하 는 방법, 나노미터 크기의 이온 채널의 크기를 조 절하는 방법, 그리고 화학적 교차결합 (crosslinkage)으로 고정함으로써 크로스오버 현 상을 막기 위한 연구 등이 계속 진행 중이다. 또한 휴대용 소형 전원으로서 직접메탄올연료전지나 고분자전해질연료전지외에도 고체산화물연료전지 (SOFC)의 소형화를 위한 연구도 이루어지고 있 다. 이 마이크로 고체산화물연료전지는 기존의 수 십 mm직경의 원통형 연료전지를 직경을 수 mm 로 줄여 단위부피당 출력 밀도를 기존의 고체산화 물연료전지에 비해 2~3배 증가시키기 위한 것이 다. 현재 주요 개발 대상은 고강도, 고성능 마이크 로 tube의 개발과 전극 및 전해질 코팅, 소형 스택 설계 제작, 열사이클 특성 개선, 신뢰성 평가와 관 련된 연구가 진행되고 있다. 또한 박막형 고체산화
물연료전지 기술의 개발과 더불어 실리콘 기판위 에 셀을 건식법에 의해 코팅하여 소형 고체산화물 연료전지를 개발하고자하는 노력도 이루어지고 있다. 마지막으로 전기화학 캐패시터는 리튬 이온 계 이차전지가 동력원으로서 필수적인 출력 특성 이 부족하므로 고출력 특성이 요구되는 응용 분야 에 단독 혹은 이차전지와 혼성(hybrid) 형태로의 사용을 목적으로 개발되고 있는 신에너지 저장 기 술이다. 특히 고출력 에너지 저장용 슈퍼캐패시터 기술은 전기자동차, 휴대용 통신기기용 전원, 군사 /우주항공용으로 요구되는 고출력, 고효율, 고속충 전, 장수명의 장점을 모두 갖추고 있어 미국과 일본 등에서 핵심기반부품으로 개발이 진행되고 있다.
금속산화물을 전극 활물질로 사용하는 슈퍼캐패시 터는 전기 이중층 캐패시터에 비해 우수한 에너지 밀도를 가지며 금속산화물 전극의 낮은 내부저항으 로 인해 펄스형 고전류 출력이 가능한 에너지 저장 시스템이다. 또한 표면 반응을 이용하는 전기화학 캐패시터의 경우 나노 전극 소재의 응용을 통한 성 능 향상을 위한 연구가 이루어지고 있다. 이와 같이 나노/마이크로 기술은 연료 전지 및 슈퍼캐패시터 의 소형화, 박막화, 경량화를 통한 고성능, 고효율, 고출력의 발현을 위하여 많은 부분과 접합하는 새 로운 길을 제시하고 있다.
21세기 정보화 사회로의 변화에 따라 휴대용 고 밀도, 고출력의 에너지 저장 시스템의 개발이 필수 기술로 인식되면서 마이크로 연료전지와 슈퍼캐 패시터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 러나 이들을 휴대 가전기기에 접합시켜 실용화, 상 용화시키기 위해서는 연료전지 스택의 박막화, 경 량화 및 소형화, 저가격화가 필수 과제이다. 또한 연료전지의 성능은 시스템뿐만 아니라 전지의 소 재에도 큰 영향을 받으므로 시스템 개발 중심의 국 내 연구의 방향을 돌려 미세가공기술을 이용한 소 형화 기술의 개발, 저렴하고 효율을 최대한 높일 수 있는 신소재의 개발, 수소 저장 기술의 개발이 필요 하다. 슈퍼캐패시터 역시 나노 기술을 이용한 전극 소재의 성능 향상이 필요하며, 이를 위해서는 미세 가공기술 및 나노 구조 재료, 나노 공정 기술의 적 용을 통한 다양한 시도가 이루어져야 할 것이다.
