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이오노머

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첨단 화학소재 개발의 선봉장, 한국화학연구원

현대 과학의 중심에는 118개의 원소를 조합하여 인류의 삶을 혁신하는 화학 기술이 자리하고 있습니다. 특히 한국화학연구원은 반도체 집적화의 한계를 극복하기 위해 원자층 증착 기술(ALD)을 선보이고 있습니다. 니켈이나 루테늄 전구체와 같은 핵심 소재를 합성하여 반도체 배선을 원자 수준에서 제어함으로써, 과거에는 불가능했던 초소형·고성능 반도체 구현을 현실화하고 있습니다. 이는 단순한 제조를 넘어 소재의 물성을 자유자재로 조절하는 새로운 차원의 공정 기술로 평가받습니다. 디스플레이와 전자회로 분야에서도 소재 국산화와 기술 혁신이 가속화되고 있습니다. 일본의 수출 규제에 대응하여 폴리이미드와 같은 핵심 부품 소재를 성공적으로 국산화한 사례는 한국 화학 산업의 저력을 보여줍니다. 또한 기존의 플라스틱 성형에 머물렀던 3D 프린팅 기술은 이제 고전도성 금속 나노입자를 활용해 전자회로를 직접 인쇄하는 수준까지 발전했습니다. 이러한 유연한 디스플레이 기술과 인쇄형 전자 소자는 기기를 접거나 구부릴 수 있는 차세대 웨어러블 시대를 앞당기는 핵심 동력이 되고 있습니다. 지속 가능한 미래를 위한 에너지 소재 연구는 태양광 발전의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 기술은 세계 최고의 효율과 안정성을 확보하며 상용화에 박차를 가하고 있습니다. 얇은 필름 형태로 제작되어 창문에 부착할 수 있는 이 기술은 도심 속 에너지 생산을 가능케 합니다. 더불어 불소계 고분자 증착 기술을 통해 외부 오염과 습기로부터 패널을 완벽하게 보호함으로써, 에너지 전환 효율을 높이는 동시에 태양광 장치의 수명을 획기적으로 연장하는 성과를 거두고 있습니다. 수소 경제와 차세대 배터리 분야 역시 화학 기술의 정수가 담긴 영역입니다. 머리카락보다 얇은 두께의 이오노머 막은 수소 생산과 전력 생산을 잇는 핵심 소재로, 청정에너지 순환의 중추적인 역할을 수행합니다. 또한 열과 전기를 상호 변환하는 열전 소재는 체온만으로 전기를 생산하는 등 에너지 활용의 범위를 넓히고 있습니다. 안전성을 극대화한 전고체 전지와 고에너지 밀도의 리튬 공기 전지 연구는 현대인의 일상에서 떼어놓을 수 없는 모바일 기기와 전기차의 성능을 한 단계 끌어올리고 있습니다. 지구 환경을 보호하기 위한 친환경 소재 개발은 인류의 생존과 직결된 중요한 과제입니다. 석유 기반 플라스틱을 대체하는 생분해성 바이오 플라스틱은 환경호르몬 걱정 없이 자연으로 돌아가는 선순환 구조를 만듭니다. 이와 함께 온도나 외부 자극에 반응하는 스마트 필름 기술은 유통 과정의 안정성을 확보하고 보안 기술로 활용되는 등 생활 밀착형 혁신을 이끌어내고 있습니다. 화학 기술은 단순히 물질을 만드는 것을 넘어 인류와 지구가 공존할 수 있는 더 나은 내일을 설계하는 열쇠가 되고 있습니다.

첨단 화학소재 개발의 선봉장, 한국화학연구원
한국화학연구원
  • 화학
  • 지구환경과학
  • 융합
  • 공학·기술

#가정로152 우주에서 가장 흔하지만, 지구에서 가장 귀한 것은?

수소 경제로의 전환이 가속화되면서 이를 현실화할 핵심 기술인 연료전지에 대한 관심이 어느 때보다 높습니다. 연료전지는 수소와 공기의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 장치로, 그 중심에는 막-전극 접합체(MEA)가 있습니다. 막-전극 접합체(MEA)는 전해질과 전극이 결합한 다층 구조의 필름으로, 전극 반응을 촉진하고 생성된 이온과 전자를 효율적으로 전달하는 심장부 역할을 수행합니다. 수소차를 비롯한 다양한 미래 에너지 산업의 성패를 결정짓는 가장 중요한 부품이라고 할 수 있습니다. 기존의 막-전극 접합체(MEA) 제작에는 촉매와 이오노머를 용매에 섞어 코팅하는 슬러리 공정이 널리 사용되어 왔습니다. 하지만 이 방식은 입자들이 서로 뭉치거나 불균일하게 분포되는 문제를 안고 있습니다. 특히 이오노머가 백금 촉매 위에 두껍고 불균일하게 안착하면 연료 공급에 병목 현상이 발생하고 전기적 저항이 증가하게 됩니다. 이러한 저항은 결국 값비싼 백금 촉매의 손상을 초래하고 전반적인 성능 저하로 이어져, 수소 연료전지의 경제성을 확보하는 데 큰 걸림돌이 되어 왔습니다. 최근 개발된 신규 전극 코팅 공정은 정전기적 척력을 활용하여 이러한 기술적 한계를 혁신적으로 극복했습니다. 이오노머에 인위적으로 전하를 부여하면, 같은 전하끼리 밀어내는 힘에 의해 입자들이 스스로 일정한 간격을 유지하며 균일하게 분산됩니다. 이 기술을 적용하면 백금 촉매 위에 나노 단위의 매우 얇고 고른 막을 직접 형성할 수 있습니다. 이는 기존의 간접 코팅 방식보다 공정 속도가 빠를 뿐만 아니라, 대량 생산 시에도 높은 품질과 확장성을 동시에 확보할 수 있는 강력한 장점을 지닙니다. 이번 기술 혁신의 가장 놀라운 점은 값비싼 백금 촉매의 사용량을 기존 대비 5분의 1 수준으로 줄이면서도 성능은 오히려 강화했다는 점입니다. 고분자 전해질인 과불화술폰산계(PFSA) 물질은 전기를 통하게 하는 필수 요소이지만, 동시에 촉매를 손상시키는 피독 현상을 일으키는 양면성을 가집니다. 정전기적 척력 기술은 이오노머의 분포를 최적화하여 촉매 손상을 최소화하고 연료 공급 효율을 극대화합니다. 결과적으로 적은 양의 촉매로도 높은 출력을 안정적으로 낼 수 있는 경제적인 전극 구조를 완성했습니다. 이와 같은 원천 기술의 확보는 연료전지 제조 단가를 30% 이상 획기적으로 낮추어 수소 에너지의 가격 경쟁력을 근본적으로 개선할 것입니다. 이는 단순히 수소차의 가격 인하에 그치지 않고, 건물용 전원이나 대규모 발전용 시스템 등 에너지 산업 전반에 걸친 대대적인 변화를 예고합니다. 탄소 중립 시대에 발맞춰 이산화탄소 배출을 획기적으로 줄이고 에너지 안보를 강화함으로써, 수소 경제가 우리 일상 속에 더 깊이 자리 잡고 깨끗한 미래를 앞당기는 기폭제가 될 것으로 기대됩니다.

#가정로152 우주에서 가장 흔하지만, 지구에서 가장 귀한 것은?
한국에너지기술연구원
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