명재하 부교수

탄소 침적에 대한 저항성과 고온에서의 나노입자 응집 현상을 해결하기 위해, 페로브스카이트 산화물 표면에 나노촉매를 직접 성장시키는 용출(exsolution) 기술을 연구 배경으로 삼고 있습니다. 자가성장 기술을 활용한 지능형 용출 촉매 제어 기술을 개발하여 Cu, CoFe 합금 등의 금속 나노입자를 나노 크기로 균일하게 표면에 용출시켰으며, 이를 통해 반응 면적을 극대화하고 소켓(Socket) 구조를 형성하여 촉매 입자의 내구성을 확보했습니다. 아울러 AI 기반 프로톤 전도성 세라믹 소재 탐색 플랫폼을 구축하여 신소재 발굴 속도를 높이고 있습니다. 개발된 기술은 고체산화물연료전지(SOFC), 고온수전해(SOEC), 가역 고체산화물전지 등 에너지 변환 및 저장 시스템에 적용되고 있습니다. 850°C 연료전지 모드에서 최대 전력 밀도 1.27 W/cm²를, 800°C 수전해 모드에서 전류 밀도 2.33 A/cm²를 기록했습니다. Nature(2016)에 게재한 'Switching on Electrocatalytic Activity in Solid Oxide Cells' 논문은 약 679회 피인용되었으며, 900°C에서 연료전지 모드 2 W/cm², 전해전지 모드 2.75 A/cm²의 성능과 150시간 이상의 구동 안정성을 입증했습니다. Nano-Micro Letters(2024) 논문은 105회 피인용되었고, Advanced Materials(2023) 논문에서는 비촉매 대비 2배 이상의 출력 밀도와 200시간 이상의 내구성을 확인했습니다.

기존 세라믹 전해질이 지닌 취성(잘 깨지는 성질)을 극복하여 모빌리티 등 진동과 충격이 잦은 환경에도 적용하기 위한 연구를 진행하고 있습니다. 스칸디아 안정화 지르코니아의 결정 구조를 제어하여 기계적 인성을 부여하고, 테이프 캐스팅 기법을 활용해 25~55μm 두께의 초박막 전해질을 구현했습니다. 이를 통해 얇으면서도 쉽게 깨지지 않는 유연한 세라믹 전해질 시트를 제작할 수 있었으며, 초박막화를 통해 기존 벌크형 전해질 대비 옴 저항을 낮추면서도 기계적 안정성을 동시에 확보하는 것을 목표로 하고 있습니다. 개발된 소재는 수소 선박, 항공기 적용, 모빌리티용 유연 연료전지 등 진동과 충격에 대한 내구성이 중요한 응용 분야를 목표로 설계되었습니다. 900°C 연료전지 모드에서 1.2 W/cm²의 전력 밀도와 350시간 연속 구동 안정성을 입증했으며, 현재 TRL 4-5 단계로 향후 TRL 6 이상의 실증 단계 진입을 목표로 후속 연구를 이어가고 있습니다.

고온 공정에서 안정적인 발열원을 확보하기 위해 MoSi2(규화몰리브데넘) 기반 실린더형 발열체를 유도가열 방식에 적용하는 연구를 진행하고 있습니다. MoSi2는 고온 산화 분위기에서도 안정적인 특성을 지닌 세라믹 소재로, 실린더형 구조로 성형하여 유도가열 코일과 결합했을 때 발열 효율과 내구성을 동시에 확보할 수 있도록 형상과 조성을 최적화했습니다. 실린더형 발열체의 치수와 표면 구조, 유도가열 조건 등을 종합적으로 설계하여 고온 환경에서도 균일한 발열 분포와 안정적인 구동이 가능하도록 발열체 구조를 설계했습니다. 개발된 세라믹 발열체는 산업용 고온 발열체 분야에 적용되고 있으며, 저항가열 방식 대비 유도가열 방식이 지니는 발열 특성을 활용할 수 있도록 설계 방향을 설정하고 있습니다. 관련 연구 결과는 Ceramics International 등 국제 학술지에 게재되었으며, 현재 TRL 2-3 단계로 기초 소재 특성 평가와 발열체 설계 검증을 진행하는 단계에 있습니다.