사진은 국립한밭대학교 응용소재공학과 홍유택 대학원생과 신소재공학과 김정현 교수

국립한밭대학교 신소재공학과 김정현 교수 연구팀이 코발트가 치환된 층상 페로브스카이트 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell·SOFC) 공기극에서 나타나는 코발트(Co) 표면 용출(Exsolution) 현상을 규명하고, 세리아 기반 이온전도체(Gd-doped ceria)와의 복합화를 통해 이를 효과적으로 제어하는 기술을 제시했다.

이번 연구는 중·저온형 고체산화물 연료전지(IT-SOFC) 공기극의 저항을 낮추고 안정성을 높일 수 있는 새로운 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

국립한밭대 응용소재공학과 홍유택 대학원생(현 ㈜미코파워)이 제1저자로, 김정현 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구는 연료전지 및 수소 분야 국제학술지인 ‘Journal of Power Sources’ 696권(2026)에 ‘Regulating Co-rich surface segregation in layered perovskite cathodes for low-resistance intermediate-temperature SOFC operation’이라는 제목으로 지난 16일 온라인 공개됐다.

층상 페로브스카이트계 공기극은 우수한 이온·전자 혼합전도 특성으로 IT-SOFC용 소재로 주목받고 있다. 그러나 코발트 치환 비율이 높은 조성에서는 고온 구동 과정에서 공기극 표면으로 코발트가 용출되는 현상이 발생한다.

코발트 용출은 전기화학 반응활성점을 증가시켜 연료전지 성능 향상에 기여할 수 있지만, 과도하게 진행될 경우 입자 조대화와 계면 불안정을 유발해 장기적으로 전기화학적 성능을 떨어뜨릴 수 있다. 이에 따라 코발트 용출의 발생 원인과 이를 안정적으로 제어할 수 있는 방법을 규명하는 것이 중요한 과제로 제기돼 왔다.

김정현 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 단일 공기극에 세리아계열 산화물을 복합화한 SBCF-CGO 시료를 적용해 비교·분석했다.

그 결과 600℃에서 코발트 용출 입자의 면적분율은 10.78%에서 3.22%로 감소했으며, 평균 입자 크기도 5.9nm에서 2.2nm로 크게 줄어드는 것을 확인했다.

장기간 고온에 노출한 조건에서도 급격한 열화 없이 안정적인 저항 거동을 나타냈다. 이는 세리아 복합화가 단순히 이온전도 경로를 확장하는 데 그치지 않고, 비가역적으로 진행되는 코발트 용출 거동 자체를 조절하는 데에도 기여한다는 것을 보여주는 결과다.

특히 이번 연구는 같은 연구팀이 앞서 발표한 연구와 함께 층상 페로브스카이트 공기극의 ‘코발트 표면 화학’을 서로 다른 방향에서 제어했다는 점에서도 주목된다.

앞서 지난 11일 같은 저널 695권(2026)에 게재된 임유리 대학원생의 ‘Enhanced electrochemical performance of non-stoichiometric SBSCO cathodes for IT-SOFC via Co nitrate impregnation’ 연구는 코발트가 상대적으로 부족한 SBSCO 공기극에 질산코발트 용액을 함침해 코발트 용출을 인위적으로 유도하는 방식이다.

이를 통해 반응활성점을 늘리고 계면 전하전달 저항을 낮춰 ASR을 약 2배 저감하는 성과를 거뒀다.

반면 이번 홍유택 연구원의 연구는 이미 코발트 함량이 높은 SBCF 조성에서 고온 구동 시 발생하는 과도한 코발트 용출을 세리아 복합화를 통해 억제·조절하는 데 초점을 맞췄다. 과도한 용출로 인한 입자 조대화와 계면 불안정을 방지하면서 공기극 저항을 낮추는 전략이다.

두 연구는 접근 방식에서는 차이가 있지만, 코발트의 표면 상태를 정밀하게 제어해 층상 페로브스카이트 공기극의 성능을 개선한다는 공통점을 갖는다. 즉, 코발트가 상대적으로 부족한 경우에는 함침을 통해 용출을 유도하고, 코발트가 과도하게 용출되는 경우에는 세리아 복합화를 통해 이를 제어하는 상호 보완적인 전략이다.

이를 통해 연구팀은 코발트의 표면 화학이 IT-SOFC 공기극의 성능과 내구성을 좌우하는 주요 변수임을 연이어 실증했다.

김정현 교수는 “이번 연구는 코발트가 풍부한 층상 페로브스카이트 공기극에서 나타나는 코발트 용출 현상을 정량적으로 규명하고, 세리아 복합화를 통해 이를 조절할 수 있음을 보여준 연구”라며 “앞서 발표한 코발트 함침 연구와 함께 살펴보면 코발트 표면 화학을 필요에 따라 유도하거나 억제하는 두 가지 설계 전략을 모두 확보한 셈”이라고 말했다.

이어 “향후 고성능·고내구성 IT-SOFC 공기극 설계에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

홍유택 연구원은 “TGA, DSC, XPS 분석을 통해 코발트 용출에 앞서 나타나는 전조 현상을 확인하고, 실시간 투과전자현미경(In-situ TEM)을 활용해 실제 코발트 용출 입자의 형성과 성장 과정을 직접 관찰했다”며 “이후 세리아 복합화가 이러한 용출 거동 자체를 제어한다는 특성을 임피던스(Impedance) 분석으로 연결해 확인한 것이 이번 연구의 핵심 성과”라고 밝혔다.

한편 이번 연구에는 국립한밭대를 비롯해 ㈜미코파워, 한국세라믹기술원, 고려대학교, 한국기계연구원, ㈜엑센, 스리랑카 스리 자예와르데네푸라대학교(University of Sri Jayewardenepura) 연구진이 공동으로 참여했다.

연구는 기후에너지환경부의 ‘충청권 분산에너지 대응 에너지기술공유대학’, 과학기술정보통신부·한국연구재단이 지원하는 ‘청정수소원천기술밸류업사업’, 2026년도 교육부 및 대전광역시의 ‘지역성장 인재양성체계(앵커) 사업’의 지원을 받아 수행됐다.

앞서 게재된 임유리 대학원생의 연구 역시 동일 사업의 지원을 받은 것으로, 국립한밭대 신소재공학과 연료전지 연구팀이 층상 페로브스카이트 공기극의 코발트 표면 화학을 중심으로 연속적인 연구 성과를 내고 있다는 점에서 의미를 더하고 있다.