화학연, “전기분해 성능 3.6배 향상” CCU 상용화 핵심 난제 해결
(사진 설명 : 일반구조 대비 계면제어형 복합 전해질 층에 의해 향상된 계면 안정성 및 전환 효율 차이 비교 모식도. 한국화학연구원(c))
니켈 기반 고체산화물 전기분해장치(SOEC) 계면 박리 문제 해결…탄소중립 청신호
국내 연구진이 이산화탄소(CO₂)를 고부가가치 화학원료로 전환하는 핵심 기술인 고체산화물 전기분해장치(SOEC)의 내구성 문제를 획기적으로 개선하며 상용화의 길을 앞당겼다. 한국화학연구원(KRICT) 김민철·박지훈·이진희 박사 연구팀은 니켈 기반 SOEC 내부 전해질 계면 구조를 새롭게 설계해 고온 운전 시 발생하는 전해질 층의 갈라짐(계면 박리) 현상을 해결하고, 이산화탄소의 일산화탄소(CO) 전환 효율을 크게 높이는 데 성공했다고 밝혔다.
SOEC는 이산화탄소에 전기를 가해 일산화탄소로 전환하는 장치로, 생산된 일산화탄소는 지속가능 항공유(SAF), 메탄올, 플라스틱 등 산업용 화학소재의 핵심 원료인 합성가스로 활용된다. 하지만 그동안 SOEC 내부에 쓰이는 서로 다른 전해질 소재(YSZ와 GDC)가 고온에서 열팽창률 차이로 인해 층 사이가 갈라지는 박리 현상이 발생하며 수명과 성능이 저하되는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적되어 왔다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 기존의 고가 증착 공정 대신, 용액에 담갔다 빼는 간단한 ‘딥 코팅(Dip-coating)’ 방식을 도입했다. 두 전해질 분말이 혼합된 복합 중간층을 형성함으로써 계면 박리를 효과적으로 방지한 것이다. 일종의 ‘완충 쿠션층’을 삽입해 열변형 차이를 흡수하도록 설계한 결과, 단위 면적당 이산화탄소 처리 능력을 나타내는 전류밀도가 기존 0.59A/cm²에서 2.14A/cm²로 약 3.6배 향상되어 니켈 기반 SOEC 중 세계 최고 수준의 효율을 기록했다.
이번 기술은 동전 크기의 소형 셀뿐만 아니라 대면적화가 가능한 조건까지 확인되어, 향후 산업용 이산화탄소 자원화 설비에 폭넓게 적용될 것으로 기대된다. 한국화학연구원 신석민 원장은 “이번 연구는 CCU 기술의 상용화를 가로막던 고질적인 내구성 문제와 효율 문제를 동시에 해결한 쾌거”라고 평가했다.
한편, 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 2026년 3월호 후면 표지논문으로 게재되며 그 우수성을 국제적으로 인정받았다. 연구팀은 현재 핸드폰 크기의 ‘평관형 셀’로 확대 적용하는 후속 연구를 진행 중이며, 이는 전기 기반의 대형 산업용 CCU 시스템 구축을 위한 중요한 교두보가 될 전망이다. 이번 연구는 화학연 기본사업과 환경부의 산업 미세먼지 지능형 최적 저감 및 관리 연구개발 사업의 지원을 받아 수행되었다.(한국탄소신문=유명근 기자)
* (2026년 3월 논문 링크 주소) : https://doi.org/10.1002/advs.202518091
