내구성 높은 블록 공중합체 탄화입자와 고성능 연료전지 개발

유럽의 산업혁명이 완성돼 가던 1839년 1월, 독일의 화학자에 의해 세상에 처음 알려진 연료전지는 이제 기후변화와 에너지 위기를 타계할 고효율·친환경 미래 에너지로 부상하고 있다. 1960년대 아폴로 우주선을 통해 새로운 연료공급 패러다임을 제시한 데 이어 현재는 자율주행 기술과 결합해 새로운 미래상을 준비하고 있다.

과학기술정보통신부(이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 한국과학기술원 생명화학공학과 김범준 교수를 선정했다고 18일 밝혔다.

과기정통부와 연구재단은 김범준 교수가 간단한 공정으로 높은 내구성을 가지는 블록 공중합체* 탄화입자와 고성능 연료전지 개발을 통해 수소경제 활성화에 기여한 공로를 높게 평가했다고 밝혔다.

블록 공중합체(block copolymer) 는 두 개의 서로 다른 고분자를 연결한 사슬구조, 사슬 간 반발력과 인력이 작용해 다양한 나노구조를 효과적으로 만들 수 있다.

1839년 독일 화학자 프리드리히 쇤바인(Friedfich Schonbein)이 첫 연료전지 논문을 발표한 이후, 국방·항공우주·자율주행 등 다양한 분야에서 연료전지 활용이 급증하는 가운데 김범준 교수의 연구 성과는 차세대 연료전지 시장의 핵심 기술을 선점 하는데 큰 역할을 할 것으로 예상된다.

김범준 교수는 고기능 분리막을 이용한 멤브레인 에멀전* 방법으로 높은 내구성의 탄화입자를 대량 생산하는 플랫폼을 개발하고, 이를 이용해 연료전지 등의 고성능 에너지 소자를 성공적으로 만들어 냈다.

멤브레인 에멀전(membrane emulsion)은 고분자 입자를 용액 상에서 쉽게 만들 수 있는 기술이며, 멤브레인을 통해 원하는 크기의 균일한 고분자 입자만을 선택해 고품질의 입자를 대량으로 얻어낼 수 있다.

연구팀이 이번에 설계한 탄화입자는 세계 최고수준의 연료전지 내구성을 가졌을 뿐 아니라, 고가의 백금재료를 기존 상용제품 대비 20분의 1만을 사용했음에도 높은 성능을 달성해 연료전지의 내구성과 가격 경쟁력을 동시에 확보했다.

연구내용은 2020년 7월 에너지 인바이런먼털 사이언스(Energy Environ. Sci.)지를 비롯해, 2019년 8월과 2020년 5월에 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 등 권위 있는 학술지에 게재됐다.

김범준 교수는 “이번 연구를 통해 성능과 내구성, 가격 요건을 갖춘 고성능 연료전지를 성공적으로 개발한 데 의의가 있다”라며, “관련 기술은 향후 연료전지 뿐 아니라 태양전지, 이차전지 등 여러 에너지 소자 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 수상 소감을 밝혔다.

한편, ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구 개발자를 매월 1명씩 선정해 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.