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[IT뉴스]고성능 세라믹 전지 제작 공정 조건 500℃ 이상 낮췄다

온카뱅크관리자

2025-12-04 11:37:27

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> KAIST 
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 (왼쪽부터) 이강택 KAIST 교수, 김동연 KAIST 기계공학과 박사, 강예진 KAIST 기계공학과 박사과정생. KAIST 제공
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 고체 세라믹 막을 전해질로 사용하는 ‘프로토닉 세라믹 전기화학전지(PCEC)’의 초고온 제작 공정 한계를 해결할 수 있는 기술이 나왔다. 
 KAIST는 이강택 기계공학과 교수 연구팀이 전자레인지 원리와 마이크로파, 증기 제어 결합 기술을 이용해 기존보다 500℃ 이상 낮은 온도에서 빠르고 단단하게 고성능 프로토닉 세라믹 전기화학전지를 제작할 수 있는 새로운 공정을 개발했다고 4일 밝혔다.
 인공지능(AI) 시대 전력 수요가 폭증하는 가운데 전기와 수소를 동시에 생산할 수 있는 프로토닉 세라믹 전기화학전지는 차세대 에너지 기술로 각광받고 있다. 프로토닉 세라믹 전기화학전지의 한계는 1500℃의 초고온에서 제작돼야 한다는 점이다. 
 문제는 프로토닉 세라믹 전지의 핵심 재료인 전해질에 바륨(Ba)이 포함돼 있다는 것이다. 바륨은 1500℃ 이상 고온에서 쉽게 날아가 버려 전지 성능 저하의 주범이다. 낮은 온도에서 세라믹 전해질을 단단하게 굳힐 수 있는 기술이 전지 성능을 좌우하는 핵심 문제인 셈이다. 
 연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘증기 확산(Vapor Phase Diffusion)’이라는 새로운 열처리 방법을 고안했다. 증기 확산 기술은 전지 옆에 증기 발생원을 배치하고 여기에 마이크로파를 조사해 증기가 빠르게 확산되도록 만드는 기술이다. 
 온도가 약 800℃에 도달하면 보조 소재에서 나온 증기가 전해질 쪽으로 이동해 세라믹 입자를 단단하게 결합시킨다. 이런 기술 덕분에 기존 1500℃가 필요했던 공정을 단 980℃에서도 완성할 수 있다. 전해질 손상 없이 고성능 전기를 ‘낮은 온도’에서 만들어내는 세계 최초의 세라믹 전지 제작 기술이 탄생한 것이다.
 개발한 공정으로 제작된 전지는 600℃에서 손톱만 한 1cm²크기 전지가 2W의 전력을 안정적으로 생산했다. 600℃에서 시간당 205mL의 수소를 생성하고 500시간 연속 사용에서도 성능 저하 없이 안정성을 유지했다. 205mL는 작은 종이컵 1컵 정도의 양으로 업계 최고 수준이다. 
 연구팀은 디지털 트윈을 활용해 실제 실험에서는 관찰하기 어려운 전지 내부 미세 구조에서의 가스 이동 현상까지 분석하며 기술 신뢰성을 높였다.
 이강택 교수는 “연구는 증기를 이용해 열처리 온도를 500℃ 이상 낮추면서도 고성능·고안정성 전지를 만든 세계 최초의 사례”라며 “AI 시대의 전력 문제와  수소사회를 앞당길 핵심 제조 기술로 자리 잡을 것으로 기대한다”고 강조했다.
 연구의 제 1저자는 김동연 KAIST 기계공학과 박사, 강예진 KAIST 기계공학과 박사과정생이다. 연구 결과는 에너지·재료 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈, Advanced Materials’에 10월 29일 게재되며 표지(Inside front cover) 논문으로 선정됐다. 
 &lt;참고자료&gt;
 -DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202506905
 [이채린 기자 rini113@donga.com]
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