우리 학교 김용태(기계공학) 교수는 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 설계 중 전력 소비 효율을 극대화하는 아이디어를 세계 최초로 제시했다. 이 기술로 순도 높은 수소와 산소를 만들어, 다양한 산업 분야에 이용할 것으로 예상된다. 해당 연구의 배경과 과정, 그리고 성과를 들어보고자 김용태 교수를 직접 만나봤다.

△안녕하세요, 교수님. 수전해 전극 시스템에 대한 연구를 진행하게 된 계기가 무엇인가요?

수소와 산소가 결합하면 물과 전기에너지를 만듭니다. 이 원리로 자동차용 연료전지의 에너지원을 만드는데요. 현재 많은 공학자들이 친환경 에너지인 수소에 집중해, 그 역반응을 연구하고 있어요. 앞서 말한 원리와 반대로 물을 수소와 산소로 분리하는 것이죠. 이러한 기술을 ‘수전해’ 기술이라고 합니다. 이를 통해 100%에 가까운 수소를 만들고 부산물로 산소만을 배출할 수 있죠. 저 또한 교수로 부임한 2007년부터 지금까지 해당 연구에 매진하고 있어요. 그러던 중 △한국연구재단 전략과제 △한국에너지기술평가원 신재생에너지사업 △나노융합2020사업단의 연구비 지원을 받으면서, 고효율 ‘수전해 전극’을 개발하는 성과를 낸 것이죠. 

△이번 연구를 통해 전기전도도가 전극 설계에 있어 중요한 인자로 작용하는 것을 규명했다고 들었습니다. 이것은 어떤 의미를 가지나요? 

이 기술을 통해 순수한 수소를 만드는 것뿐만 아니라 부산물로 산소를 만들어 내는 과정도 중요한데요. 현재 수소를 만드는 Cathode(전자 방출 전극)보다 산소를 만드는 Anode(산화 반응이 진행되는 전극)의 반응 속도가 훨씬 느려요. 이 때문에 Anode 전극을 효율적으로 개선하는 연구가 필요했죠. 이를 연구한 결과, 전극 설계에서 ‘전기전도도’가 고려돼야 한다는 것을 알아냈어요. 전자가 얼마나 빠르게 수송되는지에 따라 결과가 달라지는 거죠. 그동안 대부분의 연료전지와 수전해 반응에서 전극의 전기전도도를 저해하는 요소가 없어 전기전도도가 고려되지 않았어요. 실제 산소 발생 반응에서 금속 표면에 산화막이 두껍게 형성되는 것을 보고서야, 전기전도도가 수전해 반응에 영향을 미친다는 사실을 발견했어요.

△전극 반응에서 전기전도도 향상을 위해 어떤 기술적 연구가 이뤄졌나요?

Anode 전극 반응을 활성화해 산소 생성 반응을 촉진시키기 위해서는 촉매가 필요해요. 일반적인 전극 반응의 촉매는 나노 입자 형태로 만들지만, 나노 입자 전체가 산화물로 구성돼있어 전하전달을 저해하는 단점이 있죠. 이 점을 보완하기 위해, 전기화학 합금·탈합금 기법으로 3차원으로 연결된 ‘나노 다공성 전극 구조’를 제작했어요. 임의로 부식이 일어나지 않는 A 금속과 비교적 쉽게 부식되는 B 금속을 합금한 후, B 금속만 부식시켜 녹이면 ‘나노 다공성 전극 구조’가 만들어져요. 이 구조의 외부는 산화물이지만 내부는 금속 상태를 유지하기 때문에, 이 구조는 전하를 빠르게 전달할 수 있는 ‘전하전달 고속도로’ 역할을 수행하죠.

△수소 연료전지 등 인접분야에도 적용이 가능한 이번 연구 결과에 어떤 기대를 하고 계신가요?

이 기술은 현재 국내 수소 전문기업에 전달돼 수소 연료전지를 양산하는 등 여러 분야에서 활용되고 있어요. 전 세계가 친환경 에너지에 주목하는 지금, 순수한 수소를 생산할 수 있는 기술은 수소 차량 연구에 이바지할 것으로 봐요. 또한 양산부산대학교병원 호흡기내과 및 의료기기 중개임상시험지원센터와 협력해, 산소 발생기 개발에도 쓰인답니다. 기존 산소 발생기는 소음과 진동이 컸는데, 이 기술로 무소음·무진동 산소 발생기를 개발해 호흡기 환자들의 고충을 덜어주고자 해요. 최근 미세먼지로 인해 산소 발생기 수요가 늘어나는데요. 이 점을 주목한다면 산소 발생기 개발이 새로운 시장으로 나아갈 거라 기대해요.