[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

연료전지의 각 전극은 결착제1), 집전체(전기를 모으는 역할), 촉매(전기가 모이고 나가는 화학 반응을 촉진하는 물질) 이렇게 크게 세 가지로 구성되어있다. 이 중에서 결착제는 집전체와 촉매가 서로 떨어지지 않도록 고정해주는 역할을 해주고 있기 때문에 전지의 성능을 결정하는 것에 있어서 중요한 요소 중 하나이다. 촉매와 집전체가 제대로 붙어 있지 않으면, 과전압이 높아지고, 탄소부식이 쉽게 일어나 전지 성능을 떨어뜨린다.

일반적으로 연료전지에 사용되는 결착제인 이소불화비닐2)의 경우 유기용매를 사용하는 연료전지에서는 우수한 성능을 가지고 있지만, 물을 기반으로 사용하는 수계 연료전지에서는 낮은 접착성으로 인하여 촉매를 집전체에 잘 고정할 수 없을 뿐 아니라 자체의 소수성으로 인하여 촉매-집전체 계면이 불안정하여 전지 성능 악화의 원인 중 하나인 탄소부식3)이 일어나게 된다.

이러한 한계점을 보완하기 위하여, 본 연구에서는 파도가 쳐도 떨어지지 않는 홍합에서 착안하여 친수성을 띠면서 우수한 수중 접착성을 가지는 새로운 결착제를 합성하였다. 결착제를 수계 전지 중 하나인 해수전지의 양극결착제로 적용하여 밀도범함수이론4), 고분해능 투과전자현미경5), 표면 힘 측정기6)를 이용하여 이소불화비닐과 비교하였을 때 합성한 결착제의 친수성과 우수한 접착성이 해수전지의 성능과 촉매-집전체 계면 안정성에 미치는 영향, 결착제의 계면에서의 접착 작용에 대하여 분석하고 정량화하고자 하였다.

2. 연구내용

연구팀은 홍합의 접착단백질에서 유래한, 여러 물질과 상호작용을 가지는 것으로 알려진 도파민을 이용하여, 접착력이 전지의 성능에 미치는 영향을 알아보기 위하여 함량을 조절하여 홍합모사 결착제 합성을 진행하였다.

접착력에 따른 촉매-집전체 표면 안정성에 대하여 파악하기 위하여 함량을 조절한 고분자에 따른 상호작용 에너지를 측정하고 접착에너지를 계산하였다. 집전체-고분자, 촉매-고분자 표면을 각 각 상호작용 에너지를 측정한 결과 접착력이 좋을수록 상호작용 에너지가 증가하는 경향성을 보였고, 추가로 촉매에서 금속배위결합을 형성하여 매우 높은 상호작용 에너지를 가지는 것을 확인하였다. 접착에너지를 계산하였을 때 상호작용 에너지와 같은 경향을 보여 촉매-집전체 표면 안정성을 이론적, 실험적으로 입증했다.

합성한 결착제를 촉매와 함께 탄소 집전체에 코팅하여 전극을 제조하였다. 이렇게 만들어진 전극을 해수전지에 적용하여 구동시켰고, 구동의 전후에 따른 표면 변화를 고분해능 투과전자현미경을 통하여 분석하였다.

합성한 결착제를 이용한 전극은 전반적으로 이소불화비닐를 활용하였을 때보다 과전압이 최대 60% 감소하였으며, 전극의 성능 또한 최대 4배까지 증가하였다. 또한 표면을 이미지로 직접 관찰한 결과 합성한 결착제를 활용하면 구동 후에도 촉매-집전체 계면뿐만 아니라 결착제 내부에서도 집전체와 함께 촉매의 존재가 확인되어 합성된 결착제가 촉매를 집전체에 잘 붙이고 있어 탄소부식방지 뿐 아니라 촉매탈착방지까지 가능하다는 것을 밝혔다. 이소불화비닐을 활용한 전극의 경우 촉매가 집전체의 표면에서 모두 떨어져 나갔을 뿐 아니라 이소불화비닐마저 벗겨져 나가 탄소부식이 일어났음을 확인하였다.

3. 기대효과

해당 결착제의 우수한 수중 접착성과 그에 따른 촉매-집전체 안정성 및 촉매 탈착방지와 탄소부식방지효과를 이용하여 다른 수계 시스템을 사용하는 전지에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

더 나아가서 금속에 대하여 특히 우수한 수중 접착성을 보이기 때문에 전자기기와 수중 금속 접착제로써 활용이 가능할 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 결착제(Binder)

전지의 전극이 기능하기 위해 촉매를 집전체에 고정하는 소재를 뜻한다. 일반적으로 이소불화비닐이 결착제로 널리 사용되고 있다.

2. 이소불화비닐(Polyvinylidene fluoride, PvdF)

이소불화비닐은 테플론으로 알려진 불소 함유 열가소성 수지 군에 속하는 소재로써, PVC(polyvinylchloride)와 화학구조가 유사하지만 불소원소로 인해 더욱 안전한 화학구조로 되어 있다. 우수한 기계적 강도, 내약품성, 내열성, 내연소성으로 인하여 여러 분야에 활용되고 있으며 특히 연료전지에서는 필수 소재로 사용되고 있다.

3. 탄소부식(Carbon corrosion)

탄소부식이란 탄소가 부식이 되는 현상으로, 연료전지에서 집전체가 탄소로 사용되는 경우 주로 전기화학적 반응에 의하여 탄소 부식이 일어나게 된다. 전극 표면의 촉매가 떨어져 나가고, 구멍 구조 및 촉매의 크기가 커지게 되는 문제점을 유발하여 과전압을 일으키는 주요 원인이 되어 전지의 성능이 악화된다.

4. 밀도범함수이론(Density functional theory, DFT)

밀도범함수이론(density functional theory)은 물리, 화학, 재료과학 등의 학문에서 널리 이용되는 계산 양자역학적인 모형 방법론으로, 특히 원자, 분자, 그리고 응집 물질에서의 다체 상태의 전자 구조를 다룬다.

5. 고분해능투과전자현미경(High-resoltuion Transmission Electron Microscopy)

투과전자현미경(TEM)은 시료에 전자빔(electron beam)을 통과시켜 영상을 만드는 전자 현미경이다. 영상을 만드는 데 사용하는 빛의 파장이 짧을수록 분해능이 좋은데, 전자 현미경의 분해능은 가시광선을 사용하는 광학 현미경보다 수천 배 좋다. 고분해능 투과전자현미경은 더 탁월한 고분해능을 가져 원자 수준까지 관찰이 가능해 직접적인 결정구조에 관한 정보를 알 수 있어 형태(Morphology) 분석 등에 이용되고 있다.

6. 표면 힘 측정기(Surface forces apparatus, SFA)

SFA는 두 표면 간의 정적 및 동적 간섭력을 0.1 나노 미터 이내의 거리까지 확인할 수 있으며 10⁻⁸ N 정도의 미세한 힘까지 측정이 가능한 장치이다. 따라서 계면에서 일어나는 전반적인 상호작용을 분자적인 수준에서 정량화하고 분석 가능한 효과적인 장치이다. 대기 중에서 뿐만 아니라 수용액 상에서 두 표면 사이에서 일어나는 반데르발스 힘, 정전기력(electrostatic force), 소수성 상호작용(hydrophobic interaction), 접착력과 모세관 힘(adhesion and capillary forces) 등의 측정에 사용된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 재료화학 A(Journal of materials Chemistry A) 저널에 앞표지(Outside front cover). 탄소 섬유에 코팅된 바이인더가 촉매와 집전체인 탄소섬유를 잘 접착시킬 뿐만 아니라 촉매의 탈락을 막는 보호 효과까지 있음을 보여주는 그림

그림2. 촉매-집전체 계면에서의 홍합 모사 고분자 결착제 a. HR-TEM으로 촬영한 100사이클 구동 후 촉매-집전체 계면. 왼쪽 상단은 해수전지의 구조 모식도. 오른쪽 삽화는 사용된 백금 촉매의 분포도를 촬영한 것으로 촉매가 고르게 분포되어있음을 알 수 있다. b. 결착제의 촉매와 집전체에 작용하는 여러 가지 상호작용.