나피온 막 성능 향상…연료전지, 배터리 효율 높이는 기술 개발

광주과학기술원(GIST) 지구·환경공학부 문승현 교수 연구팀은 "연료전지와 배터리 효능을 높이는데 핵심적인 역할을 하는 나피온 막의 전기 전도도를 향상시키는데 성공했다"고 밝혔다.
문 교수 연구팀의 연구 성과는 영국 왕립화학회 소속 고분자 전문 상위 학술지인 '저널 오브 매트리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)' 최신호에 실렸다.
나피온 막은 양극과 음극의 서로 다른 전해질이 섞이는 것을 막고 균형을 조절하는 역할을 한다.
나피온과 같은 '불소계 막(탄화불소로 이뤄진 이온교환막)' 시장은 최근 3년 사이 80배 가량 성장했으며 2022년 1조1000억원 가량의 시장으로 커질 것으로 예상된다. 나피온 막은 국내에서 생산 초기 단계다.
나피온은 전체 구조를 지탱하는 백본(backbone)과 전하를 전달하는 작용기(function group)로 구성된다.
연구팀은 작용기가 이온과 형성하고 있는 쌍극자(같은 크기의 서로 다른 전하가 일정한 거리를 두고 존재하는 배열)에 전기적인 힘을 가해 무작위로 퍼져있는 구조 내의 작용기를 규칙적으로 정렬했다.
이 기술을 대중적으로 사용하는 나피온에 적용한 결과 기존 막과 비교했을 때 이온 전도도가 2배 가까이 향상된 것을 확인했다.
이온 전도도가 높으면 이온교환막이 양극 사이에서 전하를 빨리 전달한다는 것을 의미한다.
문 교수는 "이번 연구는 가장 대중적으로 사용되지만 효율에서 한계가 명확했던 나피온 막의 효율을 크게 향상시켰다는 것에 큰 의미가 있다"면서 "향후 이 기술이 연료전지, 차량용 배터리와 같은 에너지 시스템에 적용되면 성능 향상에 기여할 수 있을 것으로 본다"고 말했다.
이번 연구는 문 교수가 주도해 석·박사 통합과정 학생과 함께 과학기술정보통신부의 한국연구재단(NRF) 중견연구자 지원사업으로 진행됐다. 연구팀은 이번 기술 개발로 특허 2건을 출현했으며 선행연구과정에서는 '비불소제 막(탄화수소로 이뤄진 이온교환막)'들의 효율을 비약적으로 증가시키는 논문 2건을 개재했다.
[광주 = 박진주 기자]