[기계신문] 광주과학기술원(GIST)은 지구‧환경공학부 문승현 교수 연구팀이 연료전지 및 배터리에서 핵심적인 역할을 수행하는 나피온막의 전기전도도를 전기장을 이용한 구조제어를 통해 세계 최고 수준으로 향상시키는데 성공했다고 밝혔다.

나피온과 같은 불소계 막 시장은 최근 3년 사이 80배가량 성장했으며 2022년에는 1.1조원가량의 시장을 형성할 것으로 예상되고 있다. 나피온막은 국내에서 생산 초기 단계이며 고가의 원료로부터 고성능 막을 제조하는 기술은 국내외적으로 산업적인 파급효과가 매우 크다.

나피온은 전체 구조를 지탱하는 백본(backbone)과 전하를 전달하는 작용기(functional group)로 구성되는데, 연구팀은 막을 제조함과 동시에 작용기가 이온과 형성하고 있는 쌍극자(dipole)에 전기적인 힘을 가해 무작위로 퍼져있는 구조 내의 작용기를 규칙적으로 정렬하고자 하였다.

▲ 막을 캐스팅 장치를 통해 제조함과 동시에 전기장을 가해 막 내의 구조를 전기적인 힘으로 정렬시키는 모습

연구팀은 관련 기술로 특허 2건을 출원하였으며, 선행연구에서 비불소계 막들의 효율을 비약적으로 증가시켜 논문 2건을 게재했다. 이번 연구를 통해 가장 대중적으로 사용되는 나피온에 적용시켰으며, 이를 통해 기존 막과 비교했을 때 세계 최고 수준인 2배 가까이 이온전도도가 향상됨을 확인하였다.

▲ 막이 제조될 때 전기장을 걸어준 방향에 따라 증가한 이온전도도의 모습을 보여주는 그래프. 전기장을 면과 평행한 방향으로 걸어서 제조했을 때의 전도도 향상(A)과 면과 수직한 방향으로 걸어서 제조했을 때의 전도도 향상(B)

또한 기술을 이용한 효율 향상과 같은 결과에만 그치지 않고 다양한 고분자 분석 방법을 동원해 이론적 바탕을 확인하는데도 주안점을 두었다.

문승현 교수는 “이번 연구는 가장 대중적으로 사용되지만 한계가 명확했던 나피온막의 효율을 크게 향상시켰다는 것에 큰 의미가 있다”며 “추후 이 기술이 연료전지, 차량용 배터리와 같은 에너지 시스템에 적용되어 성능향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 영국 왕립화학회 소속 고분자 전문 학술지인 저널 오브 머터리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A) 10월 10일자 게재되었다.