김태현 교수

그린수소 생산을 위한 음이온교환막 수전해(AEMWE) 기술 개발 필요성이 커지는 상황에서, 초분기형 포스포늄(Hyperbranched phosphonium) 유닛을 도입하여 이온 클러스터 연결성을 강화한 가교형 음이온교환막 및 이오노머 소재를 설계하고 있습니다. 이 구조 설계를 통해 이온 전달 경로를 효율적으로 확보함으로써 80℃ 조건에서 157.68 mS/cm의 이온 전도도를 달성했으며, 이는 세계 최고 수준에 해당합니다. 강알칼리 조건에서 720시간 가동 후에도 96% 이상의 성능을 유지하여 내구성 측면에서도 우수한 결과를 확보했습니다. 개발된 막과 이오노머 소재는 그린수소 생산용 AEM 수전해 시스템 및 막전극 접합체(MEA) 통합에 적용되고 있습니다. 수소연료전지 분리막 관련 산업체와 공동연구를 수행 중이며, 내구성 향상과 대량생산 공정 확보를 위한 협력이 진행되고 있습니다. 현재 TRL 4-5 수준으로 실험실 검증을 마치고 산업체와의 공동연구를 통해 상용화 가능성을 검토하는 단계입니다.

지구 온난화 대응을 위한 탄소 포집 및 분리 기술 수요가 증가하는 가운데, 기존 고분자막이 갖는 투과도-선택도 상충관계와 노화 문제를 해결하기 위해 고유 미세다공성 고분자(PIM, Polymers of Intrinsic Microporosity) 기반 분리막을 연구하고 있습니다. 금속-유기 골격체(MOF)와 유사한 구조를 도입한 이중 가교(Dual-crosslinked) 기술을 적용하여 분리막의 미세 구조를 정교하게 제어함으로써, 투과도-선택도 상충관계와 노화(Aging) 문제를 동시에 개선하는 결과를 확보했습니다. 개발된 소재는 이산화탄소 분리막 및 기체 분리 공정에 적용되고 있으며, 관련 연구 성과는 ACS Applied Materials & Interfaces 등 국제 학술지에 다수 게재되었고 관련 논문은 93회 인용되었습니다. 기체 분리막의 내구성 향상과 대량 생산 공정 확보를 위해 산업체와 공동연구를 수행하고 있습니다. 현재 TRL 3-4 수준으로 소재 및 공정 개념 검증 단계에 있습니다.

리튬이온전지의 고용량화를 위해 실리콘(Si) 음극 소재가 주목받고 있으나 충방전 과정에서 발생하는 부피 팽창 문제 해결이 필요한 상황입니다. 이를 해결하기 위해 자가 치유(Self-healing) 기능을 갖춘 PAU-g-PEG 바인더, 고리형 PAN-PEG 구조, 키토산-아닐린 그래프트 공중합체 등 기능성 고분자 바인더를 설계하고 있습니다. 이러한 바인더 구조는 실리콘 입자의 부피 변화를 흡수하고 전극 구조의 기계적 안정성을 유지하는 역할을 수행합니다. 개발된 바인더를 적용한 결과 0.5C 전류밀도 조건에서 350사이클 이후에도 1,450.2 mAh/g의 용량을 유지했으며, 상용 대입자 실리콘을 사용한 경우 기존 대비 10배 높은 용량 유지력을 확보했습니다. 개발 소재는 리튬이온전지 실리콘 음극재 및 고용량 이차전지에 적용되고 있습니다. 실리콘 음극재용 바인더 관련 산업체와 기술이전 및 공동연구를 진행하고 있으며, 자가 복원 실리콘 음극용 바인더 기술(출원번호 10-2023-0007370)의 기술이전이 유망한 것으로 평가되고 있고, 현재까지 기술이전 실적은 총 4억 3천만원 규모입니다. 현재 TRL 5-6 수준으로 기술이전 실적을 보유하고 있으며 상용화 검증이 진행되고 있는 단계입니다.