김익현·김준석 교수 연구팀
기존 열처리 제어 방식 탈피
기계적 충격파로 결함 제어
수소연료 안정성 확보 기대
왼쪽부터 김준석 교수, 김익현 교수
계명대 기계공학과 김익현 교수와 신소재공학과 김준석 공동 연구팀이 충격파 유동을 이용해 차세대 수소연료전지 핵심 소재의 결함 구조를 제어하는 기술을 개발했다. 이번 연구에서는 충격파 유동을 이용해 프로톤 전도성 세라믹 내부의 산소 결함(oxygen vacancy) 변화와 결정격자 왜곡 현상을 체계적으로 규명하고, 이를 통해 비평형 결함공학(non-equilibrium defect engineering)의 가능성을 제시했다.
연구 성과는 국제학술지 Ceramics International(세라믹스 인터내셔널) (JCR 상위 7.4%, Q1)에 게재됐다. 논문 제목은 충격파 기반 BCZYYb 프로톤 전도성 세라믹의 산소 결함 진화 및 격자 왜곡이다.
프로톤 전도성 세라믹은 차세대 수소연료전지(Protonic Ceramic Fuel Cell, PCFC)의 핵심 전해질 소재다. 소재 내부의 산소 결함은 수소 이온이 이동하는 통로를 형성하는 중요한 역할을 한다. 기존에는 새로운 원소를 첨가하는 도핑(doping)이나 고온 열처리를 통해 산소 결함을 제어했지만, 복잡한 공정 조건과 조성 변화로 인해 한계가 있었다.
연구팀은 반복적인 충격파 유동을 활용해 소재 내부에 순간적인 비평형 환경을 조성하고, 이 과정에서 발생하는 구조 변화를 X선 회절(XRD), X선 광전자분광법(XPS), 비표면적(BET) 및 입도 분석(PSA) 등을 통해 체계적으로 규명했다. 그 결과, 충격파의 반복 횟수에 따라 산소 결함과 Ce3+ 농도가 증가하다 일정 수준 이후 안정화되는 현상을 확인했다. 이는 충격파에 의해 결함 생성과 구조 안정화가 동시에 일어나는 비평형 현상임을 보여준다.
또한 충격파 처리를 통해 분말의 비표면적이 증가하고 입자 분산성이 향상되는 효과도 확인했다. 이는 수소연료전지 전해질 소재 제조 시 균일한 미세구조 구현과 공정 안정성 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구는 기존의 열처리 중심 소재 제어 방식에서 벗어나 충격파라는 동적 기계적 자극만으로 기능성 세라믹의 결함 구조를 제어할 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 있다. 연구팀은 향후 해당 기술을 촉매, 배터리, 반도체 등 다양한 분야로 확대 적용할 계획이다.
남승현기자 namsh2c@idaegu.co.kr
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