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[IT뉴스]“전기분해 성능 3.6배↑” 이산화탄소→화학원료 전환기술…상용화 난제 해결

온카뱅크관리자

2026-05-24 12:07:28

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> - 한국화학연구원, 고효 고체산화물 전기분해장치 설계 기술 개발 
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 <img alt="이번 연구를 수행한 한국화학연구원 연구진. 박지훈(왼쪽부터), 이진희 책임연구원, 루스탐 율다셰프 화학연-UST 학생연구원, 김민철 선임연구원, 곽종민, 남원빈 석사후연구원.[한국화학연구원 제공]" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202605/24/ned/20260524120127927himz.jpg" data-org-width="1200" dmcf-mid="p6aab0WIG9" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202605/24/ned/20260524120127927himz.jpg" width="658">
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 이번 연구를 수행한 한국화학연구원 연구진. 박지훈(왼쪽부터), 이진희 책임연구원, 루스탐 율다셰프 화학연-UST 학생연구원, 김민철 선임연구원, 곽종민, 남원빈 석사후연구원.[한국화학연구원 제공]
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 [헤럴드경제=구본혁 기자] 이산화탄소를 유용한 화학원료로 전환하는 고체산화물 전기분해장치(SOEC)는 에너지 소비가 적고 공정이 간단해 대규모 시스템을 통한 상용화 기술로 주목받고 있다. 하지만 핵심 전해질 소재의 구조가 달라 박리 현상이 발생, 성능과 수명이 저하된다는 문제점이 있다.
 한국화학연구원 김민철·박지훈·이진희 박사 연구팀은 니켈 기반 SOEC 내부 전해질 계면 구조를 새롭게 설계, 고온 운전 중 전해질 층이 갈라지는 문제를 해결하고 CO₂를 일산화탄소(CO)로 고효율 전환할 수 있는 제조 기술을 개발했다.
 연구팀은 이 기술이 향후 10년 이내 산업용 탄소자원화 설비에 적용이 가능할 것으로 전망하고 있다.
 SOEC는 CO₂에 전기를 가해 CO로 전환할 수 있는 장치다. 생산된 CO는 합성가스(일산화탄소+수소)의 핵심 원료로, 지속가능 항공유, 메탄올, 플라스틱, 산업용 화학소재 생산에 활용될 수 있다.
 SOEC는 전극 사이에 위치한 산소 이온 전도성 전해질 소재가 중요하다. 최근 고성능 SOEC에는 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)와 GDC(가돌리늄 도핑 세리아)라는 2가지 소재를 함께 쓰는 편이다. YSZ는 산소 이온 이동성은 낮지만 내구성이 좋고, GDC는 내구성이 떨어지지만 이온 이동성이 높아 CO₂ 전환 성능을 보완해준다.
 다만 두 가지 전해질 소재가 열팽창률 차이로 인해 고온에서 서로 다르게 수축·팽창하면서 층 사이가 갈라지는 ‘계면 박리’ 현상이 발생해 장기 운전 시 성능 저하와 수명 단축의 원인이 된다. 고가 장비 기반 증착기술(PVD, PLD 등)로 해결하는 방법이 있지만 제조 비용이 높고 대면적 상용화가 어렵다는 한계가 있었다.
 연구팀은 비싼 공정 대신, 용액에 담갔다가 빼는 간단한 딥 코팅 방식으로 두 전해질 분말이 혼합된 복합 중간층을 형성해 계면 박리 현상을 줄였다.
 SOEC의 성능 평가 지표 중, 투입한 전기가 실제로 CO₂를 CO로 전환하는 데 얼마나 사용됐는지를 의미하는 ‘패러데이 효율’의 경우 기존 SOEC는 80~90% 수준이었다. 이번 기술로 만든 SOEC는 1.6V 고부하 조건에서 80시간 연속 운전 후 초기 성능의 91%를 유지하여 높은 내구성과 세계 최고 수준의 패러데이 효율을 함께 보여줬다.
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 <img alt="SOEC 계면 안정성 확보를 위한 맞춤형 전해질 슬러리용액 제품(앞), 동전 크기 소형 셀, 대면적화 연구 중인 평관형 셀.[한국화학연구원 제공]" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202605/24/ned/20260524120128163uobl.jpg" data-org-width="1200" dmcf-mid="Uq22WIjJHK" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202605/24/ned/20260524120128163uobl.jpg" width="658">
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 SOEC 계면 안정성 확보를 위한 맞춤형 전해질 슬러리용액 제품(앞), 동전 크기 소형 셀, 대면적화 연구 중인 평관형 셀.[한국화학연구원 제공]
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 단위 면적에서 얼마나 빠르게 CO₂를 처리할 수 있는지를 나타내는 ‘전류밀도’ 역시 기존 0.59에서 2.14암페어 퍼 제곱센티미터(A/cm²)로 약 3.6배 향상되어 높은 패러데이 효율과 함께 니켈 기반 SOEC 중 세계 최고 수준의 처리 능력을 보였다.
 연구팀은 동전 크기 ‘소형 셀’을 대상으로 대면적화가 가능한 조건을 확인했으며, 현재 핸드폰 크기의 ‘평관형 셀’로 확대 적용 연구 중이다.
 신석민 한국화학연구원장은 “고체산화물 전기분해장치의 CO₂ 전환 효율과 상용화를 가로막던 내구성 문제를 동시에 해결한 성과”라며 “탄소 배출권 비용 절감 및 탄소중립 대응 산업 경쟁력 강화가 가능할 것”이라고 밝혔다.
 이번 연구성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 3월호 표지논문으로 선정돼 게재됐다.
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