최근 이종구조 전극에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데 포스텍 연구팀이 안정성을 유지한 상태에서 전극의 전도도를 극대화하기 위해 주석 산화물 신소재에 깊숙히 박힌 금속 나노 입자를 형성하는 독특한 합성 방식을 제안했다.

손준우<사진> 포스텍 신소재공학과 교수 연구팀은 높은 전기전도도의 페로브스카이트 주석 산화물 위에 금속 나노 입자의 용출 현상을 구현했다.

페로브스카이트 구조에 손상을 주지 않고 안정적으로 이종구조 전극을 형성하는 많은 방법 가운데 금속 입자를 산화물 내부 격자에 도핑한 후 후속 열처리를 통해 표면으로 분리하는 실시간 용출은 효과적인 방법으로 알려져 있다.

지금까지 개발된 기술은 대부분 LaxSr1-xTiO3(이하 LSTO)와ㅤ같은ㅤ페로브스카이트 타이타늄 산화물 전극에서 나온 금속 입자(Ni)로 전극을 이용했다.

하지만 LSTO 전도성 산화물의 전자의 이동은 좁은 아령 모양의 Ti 3d오비탈 간의 이동으로 인해 전기전도도를 높이는데 어려움이 있었다.

연구팀은 페로브스카이트 주석 산화물(LaxBa1-xSnO3, 이하 LBSO)에 주목했다.

LBSO는 기존의 LSTO와 달리 방향성이 없는 넓은 구형 모양의 Sn 5s오비탈로 이뤄져 전자가 방해받지 안고 효율적으로 전류를 전도할 수 있는 소재이다.

이 LBSO에 니켈을 도핑한 후 적절한 열처리를 하면 격자 구조를 유지한 상태에서 높은 밀도와 작은 크기의 니켈 나노 입자를 표면에 용출할 수 있게 된다.

이렇게 형성된 니켈 나노 입자는 고온, 연료극 환경에서도 안정적으로 주석 산화물과 강하게 결합돼 있으며 지금까지 발표된 이종구조 전극 중 가장 높은 전기 전도도를 보였다.

이번 연구를 통해 기존 용출 현상 기반 이종구조 전극의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 신소재 기반 전극 구조를 개발할 수 있는 토대가 마련됐다.

이 기술을 활용하면 고온 고체산화물형 연료 전극에 응용이 가능할 뿐만 아니라 상온 에너지 변환, 저장용 전극에도 응용이 가능할 것으로 보인다.