- 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 개발 - 연료전지의 전극층, 전해질막, 수송층 구조 개선으로 물 관리 문제 해결 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 3차원 구조체 제어 기술을 도입하여 장시간 높은 안정성을 가지며, 기존 대비 전력밀도가 향상된 연료전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 3차원 구조체는 연료전지 작동에 필요한 구성요소인 전극층, 전해질막, 수송층을 3차원으로 배열한 형태로, 연료전지의 성능과 밀접한 연관이 있다. 연료전지는 지구상에서 가장 풍부한 원소인 수소를 활용해 전기를 생산하는 기술로 이차전지의 충전 속도와 저장 용량의 한계를 극복할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있다. 다양한 방식의 연료전지 가운데 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 전력 공급이 빠르고, 상대적으로 저온에서 구동할 수 있어 상용화 가능성이 높다. 하지만, 장기간 구동 시 내부에서 생성되는 물이 내구성과 성능을 저하시켜 상용화를 가로막고 있다. 연구팀은 PEMFC 내에 생성되는 물을 관리하기 위해 멀티스케일 아키텍처 기반의 3차원 구조체 전극 제어기술을 개발했다. 이 기술은 다양한 크기의 구조를 조합해 연료전지의 성능을 향상시키는 기술인데, 본 연구에서는 1차원 및 3차원의 다중 차원 구조로 전극층을 설계해 기존의 촉매와 전해질막을 그대로 활용하면서 과생성된 물로 인한 성능 저하의 문제를 해결할 수 있다는 가능성을 보여줬다. 또한, 단일 또는 다층 구조로 전해질막 3차원 구조체의 표면을 패턴화하여 연료전지 내 저항 감소와 전기화학적 활성 표면적을 증가시켰다, 그 결과, 연료전지의 기계적 강성이 향상되고 고분자 전해질의 전력밀도가 기존 대비 40% 이상 향상되는 것을 확인했다. 연구팀은 한편 기공 구배 및 습윤성 기체 확산에 따른 물질 전달 특성이 개선된 수송층의 3차원 구조를 개발했다. 전해질막의 높은 표면 응력을 이용해 이를 늘리면서 유도된 전극 층의 균열이 전지 내부에서 생성된 물의 효율적인 이동 통로로 작용하여 균열이 없는 기존 연료전지에 비해 최대 출력 밀도가 18% 향상됨을 확인했다. KIST 유성종 박사는 “3차원 구조체를 이용하면 기존 연료전지의 구조로는 어려웠던 다양한 촉매의 활용도를 극대화하고, 생성되는 물을 안정적으로 관리할 수 있다.”라고 말하며, “향후 단순한 구조에서 벗어난 새로운 3차원 구조체를 활용해 수소자동차 또는 발전용 연료전지에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업(2E32591)과 나노 및 소재 기술개발사업(2021M3H4A1A02042948)으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’ (IF 32.086, JCR 분야 상위 2.51%) 최신 호에 게재됐다. * Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells [그림 1] 3차원 구조체를 활용한 연료전지의 다양한 활용 모식도 [그림 2] 다층의 복잡한 전극층 및 고분자 구조물을 제작할 수 있는 새롭고 용이한 방법인 멀티스케일 리소그래피(Multiscale lithography) 모식도와 연료전지 성능 향상 그래프 [그림 3] 전극 틈의 최적화 기술을 이용한 연료전지 내의 물관리 효과의 향상 [사진 1] 고분자 전해질막 연료전지 성능향상을 위해 3차원 구조체 전극제어기술을 개발한 KIST 유성종 박사(우측) 연구진 [사진 2] 유성종 박사 연구팀에서 개발한 전해질막 3차원 구조체 전극의 모형 [사진 3] KIST 유성종 박사팀 연구진이 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 테스트하고 있다. ○ 논문명: Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023.03.11.(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202204902 ○ 논문저자 - 장세근 교수(제1저자/국민대학교) - 강윤식 선임연구원(제1저자/한국에너지기술연구원) - 김상문 교수(교신저자/인천대학교) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST)

- 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 개발 - 연료전지의 전극층, 전해질막, 수송층 구조 개선으로 물 관리 문제 해결 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 3차원 구조체 제어 기술을 도입하여 장시간 높은 안정성을 가지며, 기존 대비 전력밀도가 향상된 연료전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 3차원 구조체는 연료전지 작동에 필요한 구성요소인 전극층, 전해질막, 수송층을 3차원으로 배열한 형태로, 연료전지의 성능과 밀접한 연관이 있다. 연료전지는 지구상에서 가장 풍부한 원소인 수소를 활용해 전기를 생산하는 기술로 이차전지의 충전 속도와 저장 용량의 한계를 극복할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있다. 다양한 방식의 연료전지 가운데 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 전력 공급이 빠르고, 상대적으로 저온에서 구동할 수 있어 상용화 가능성이 높다. 하지만, 장기간 구동 시 내부에서 생성되는 물이 내구성과 성능을 저하시켜 상용화를 가로막고 있다. 연구팀은 PEMFC 내에 생성되는 물을 관리하기 위해 멀티스케일 아키텍처 기반의 3차원 구조체 전극 제어기술을 개발했다. 이 기술은 다양한 크기의 구조를 조합해 연료전지의 성능을 향상시키는 기술인데, 본 연구에서는 1차원 및 3차원의 다중 차원 구조로 전극층을 설계해 기존의 촉매와 전해질막을 그대로 활용하면서 과생성된 물로 인한 성능 저하의 문제를 해결할 수 있다는 가능성을 보여줬다. 또한, 단일 또는 다층 구조로 전해질막 3차원 구조체의 표면을 패턴화하여 연료전지 내 저항 감소와 전기화학적 활성 표면적을 증가시켰다, 그 결과, 연료전지의 기계적 강성이 향상되고 고분자 전해질의 전력밀도가 기존 대비 40% 이상 향상되는 것을 확인했다. 연구팀은 한편 기공 구배 및 습윤성 기체 확산에 따른 물질 전달 특성이 개선된 수송층의 3차원 구조를 개발했다. 전해질막의 높은 표면 응력을 이용해 이를 늘리면서 유도된 전극 층의 균열이 전지 내부에서 생성된 물의 효율적인 이동 통로로 작용하여 균열이 없는 기존 연료전지에 비해 최대 출력 밀도가 18% 향상됨을 확인했다. KIST 유성종 박사는 “3차원 구조체를 이용하면 기존 연료전지의 구조로는 어려웠던 다양한 촉매의 활용도를 극대화하고, 생성되는 물을 안정적으로 관리할 수 있다.”라고 말하며, “향후 단순한 구조에서 벗어난 새로운 3차원 구조체를 활용해 수소자동차 또는 발전용 연료전지에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업(2E32591)과 나노 및 소재 기술개발사업(2021M3H4A1A02042948)으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’ (IF 32.086, JCR 분야 상위 2.51%) 최신 호에 게재됐다. * Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells [그림 1] 3차원 구조체를 활용한 연료전지의 다양한 활용 모식도 [그림 2] 다층의 복잡한 전극층 및 고분자 구조물을 제작할 수 있는 새롭고 용이한 방법인 멀티스케일 리소그래피(Multiscale lithography) 모식도와 연료전지 성능 향상 그래프 [그림 3] 전극 틈의 최적화 기술을 이용한 연료전지 내의 물관리 효과의 향상 [사진 1] 고분자 전해질막 연료전지 성능향상을 위해 3차원 구조체 전극제어기술을 개발한 KIST 유성종 박사(우측) 연구진 [사진 2] 유성종 박사 연구팀에서 개발한 전해질막 3차원 구조체 전극의 모형 [사진 3] KIST 유성종 박사팀 연구진이 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 테스트하고 있다. ○ 논문명: Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023.03.11.(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202204902 ○ 논문저자 - 장세근 교수(제1저자/국민대학교) - 강윤식 선임연구원(제1저자/한국에너지기술연구원) - 김상문 교수(교신저자/인천대학교) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST)

- 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 개발 - 연료전지의 전극층, 전해질막, 수송층 구조 개선으로 물 관리 문제 해결 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 3차원 구조체 제어 기술을 도입하여 장시간 높은 안정성을 가지며, 기존 대비 전력밀도가 향상된 연료전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 3차원 구조체는 연료전지 작동에 필요한 구성요소인 전극층, 전해질막, 수송층을 3차원으로 배열한 형태로, 연료전지의 성능과 밀접한 연관이 있다. 연료전지는 지구상에서 가장 풍부한 원소인 수소를 활용해 전기를 생산하는 기술로 이차전지의 충전 속도와 저장 용량의 한계를 극복할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있다. 다양한 방식의 연료전지 가운데 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 전력 공급이 빠르고, 상대적으로 저온에서 구동할 수 있어 상용화 가능성이 높다. 하지만, 장기간 구동 시 내부에서 생성되는 물이 내구성과 성능을 저하시켜 상용화를 가로막고 있다. 연구팀은 PEMFC 내에 생성되는 물을 관리하기 위해 멀티스케일 아키텍처 기반의 3차원 구조체 전극 제어기술을 개발했다. 이 기술은 다양한 크기의 구조를 조합해 연료전지의 성능을 향상시키는 기술인데, 본 연구에서는 1차원 및 3차원의 다중 차원 구조로 전극층을 설계해 기존의 촉매와 전해질막을 그대로 활용하면서 과생성된 물로 인한 성능 저하의 문제를 해결할 수 있다는 가능성을 보여줬다. 또한, 단일 또는 다층 구조로 전해질막 3차원 구조체의 표면을 패턴화하여 연료전지 내 저항 감소와 전기화학적 활성 표면적을 증가시켰다, 그 결과, 연료전지의 기계적 강성이 향상되고 고분자 전해질의 전력밀도가 기존 대비 40% 이상 향상되는 것을 확인했다. 연구팀은 한편 기공 구배 및 습윤성 기체 확산에 따른 물질 전달 특성이 개선된 수송층의 3차원 구조를 개발했다. 전해질막의 높은 표면 응력을 이용해 이를 늘리면서 유도된 전극 층의 균열이 전지 내부에서 생성된 물의 효율적인 이동 통로로 작용하여 균열이 없는 기존 연료전지에 비해 최대 출력 밀도가 18% 향상됨을 확인했다. KIST 유성종 박사는 “3차원 구조체를 이용하면 기존 연료전지의 구조로는 어려웠던 다양한 촉매의 활용도를 극대화하고, 생성되는 물을 안정적으로 관리할 수 있다.”라고 말하며, “향후 단순한 구조에서 벗어난 새로운 3차원 구조체를 활용해 수소자동차 또는 발전용 연료전지에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업(2E32591)과 나노 및 소재 기술개발사업(2021M3H4A1A02042948)으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’ (IF 32.086, JCR 분야 상위 2.51%) 최신 호에 게재됐다. * Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells [그림 1] 3차원 구조체를 활용한 연료전지의 다양한 활용 모식도 [그림 2] 다층의 복잡한 전극층 및 고분자 구조물을 제작할 수 있는 새롭고 용이한 방법인 멀티스케일 리소그래피(Multiscale lithography) 모식도와 연료전지 성능 향상 그래프 [그림 3] 전극 틈의 최적화 기술을 이용한 연료전지 내의 물관리 효과의 향상 [사진 1] 고분자 전해질막 연료전지 성능향상을 위해 3차원 구조체 전극제어기술을 개발한 KIST 유성종 박사(우측) 연구진 [사진 2] 유성종 박사 연구팀에서 개발한 전해질막 3차원 구조체 전극의 모형 [사진 3] KIST 유성종 박사팀 연구진이 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 테스트하고 있다. ○ 논문명: Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023.03.11.(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202204902 ○ 논문저자 - 장세근 교수(제1저자/국민대학교) - 강윤식 선임연구원(제1저자/한국에너지기술연구원) - 김상문 교수(교신저자/인천대학교) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST)

- 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 개발 - 연료전지의 전극층, 전해질막, 수송층 구조 개선으로 물 관리 문제 해결 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 3차원 구조체 제어 기술을 도입하여 장시간 높은 안정성을 가지며, 기존 대비 전력밀도가 향상된 연료전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 3차원 구조체는 연료전지 작동에 필요한 구성요소인 전극층, 전해질막, 수송층을 3차원으로 배열한 형태로, 연료전지의 성능과 밀접한 연관이 있다. 연료전지는 지구상에서 가장 풍부한 원소인 수소를 활용해 전기를 생산하는 기술로 이차전지의 충전 속도와 저장 용량의 한계를 극복할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있다. 다양한 방식의 연료전지 가운데 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 전력 공급이 빠르고, 상대적으로 저온에서 구동할 수 있어 상용화 가능성이 높다. 하지만, 장기간 구동 시 내부에서 생성되는 물이 내구성과 성능을 저하시켜 상용화를 가로막고 있다. 연구팀은 PEMFC 내에 생성되는 물을 관리하기 위해 멀티스케일 아키텍처 기반의 3차원 구조체 전극 제어기술을 개발했다. 이 기술은 다양한 크기의 구조를 조합해 연료전지의 성능을 향상시키는 기술인데, 본 연구에서는 1차원 및 3차원의 다중 차원 구조로 전극층을 설계해 기존의 촉매와 전해질막을 그대로 활용하면서 과생성된 물로 인한 성능 저하의 문제를 해결할 수 있다는 가능성을 보여줬다. 또한, 단일 또는 다층 구조로 전해질막 3차원 구조체의 표면을 패턴화하여 연료전지 내 저항 감소와 전기화학적 활성 표면적을 증가시켰다, 그 결과, 연료전지의 기계적 강성이 향상되고 고분자 전해질의 전력밀도가 기존 대비 40% 이상 향상되는 것을 확인했다. 연구팀은 한편 기공 구배 및 습윤성 기체 확산에 따른 물질 전달 특성이 개선된 수송층의 3차원 구조를 개발했다. 전해질막의 높은 표면 응력을 이용해 이를 늘리면서 유도된 전극 층의 균열이 전지 내부에서 생성된 물의 효율적인 이동 통로로 작용하여 균열이 없는 기존 연료전지에 비해 최대 출력 밀도가 18% 향상됨을 확인했다. KIST 유성종 박사는 “3차원 구조체를 이용하면 기존 연료전지의 구조로는 어려웠던 다양한 촉매의 활용도를 극대화하고, 생성되는 물을 안정적으로 관리할 수 있다.”라고 말하며, “향후 단순한 구조에서 벗어난 새로운 3차원 구조체를 활용해 수소자동차 또는 발전용 연료전지에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업(2E32591)과 나노 및 소재 기술개발사업(2021M3H4A1A02042948)으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’ (IF 32.086, JCR 분야 상위 2.51%) 최신 호에 게재됐다. * Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells [그림 1] 3차원 구조체를 활용한 연료전지의 다양한 활용 모식도 [그림 2] 다층의 복잡한 전극층 및 고분자 구조물을 제작할 수 있는 새롭고 용이한 방법인 멀티스케일 리소그래피(Multiscale lithography) 모식도와 연료전지 성능 향상 그래프 [그림 3] 전극 틈의 최적화 기술을 이용한 연료전지 내의 물관리 효과의 향상 [사진 1] 고분자 전해질막 연료전지 성능향상을 위해 3차원 구조체 전극제어기술을 개발한 KIST 유성종 박사(우측) 연구진 [사진 2] 유성종 박사 연구팀에서 개발한 전해질막 3차원 구조체 전극의 모형 [사진 3] KIST 유성종 박사팀 연구진이 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 테스트하고 있다. ○ 논문명: Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023.03.11.(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202204902 ○ 논문저자 - 장세근 교수(제1저자/국민대학교) - 강윤식 선임연구원(제1저자/한국에너지기술연구원) - 김상문 교수(교신저자/인천대학교) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST)

- 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 개발 - 연료전지의 전극층, 전해질막, 수송층 구조 개선으로 물 관리 문제 해결 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 3차원 구조체 제어 기술을 도입하여 장시간 높은 안정성을 가지며, 기존 대비 전력밀도가 향상된 연료전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 3차원 구조체는 연료전지 작동에 필요한 구성요소인 전극층, 전해질막, 수송층을 3차원으로 배열한 형태로, 연료전지의 성능과 밀접한 연관이 있다. 연료전지는 지구상에서 가장 풍부한 원소인 수소를 활용해 전기를 생산하는 기술로 이차전지의 충전 속도와 저장 용량의 한계를 극복할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있다. 다양한 방식의 연료전지 가운데 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 전력 공급이 빠르고, 상대적으로 저온에서 구동할 수 있어 상용화 가능성이 높다. 하지만, 장기간 구동 시 내부에서 생성되는 물이 내구성과 성능을 저하시켜 상용화를 가로막고 있다. 연구팀은 PEMFC 내에 생성되는 물을 관리하기 위해 멀티스케일 아키텍처 기반의 3차원 구조체 전극 제어기술을 개발했다. 이 기술은 다양한 크기의 구조를 조합해 연료전지의 성능을 향상시키는 기술인데, 본 연구에서는 1차원 및 3차원의 다중 차원 구조로 전극층을 설계해 기존의 촉매와 전해질막을 그대로 활용하면서 과생성된 물로 인한 성능 저하의 문제를 해결할 수 있다는 가능성을 보여줬다. 또한, 단일 또는 다층 구조로 전해질막 3차원 구조체의 표면을 패턴화하여 연료전지 내 저항 감소와 전기화학적 활성 표면적을 증가시켰다, 그 결과, 연료전지의 기계적 강성이 향상되고 고분자 전해질의 전력밀도가 기존 대비 40% 이상 향상되는 것을 확인했다. 연구팀은 한편 기공 구배 및 습윤성 기체 확산에 따른 물질 전달 특성이 개선된 수송층의 3차원 구조를 개발했다. 전해질막의 높은 표면 응력을 이용해 이를 늘리면서 유도된 전극 층의 균열이 전지 내부에서 생성된 물의 효율적인 이동 통로로 작용하여 균열이 없는 기존 연료전지에 비해 최대 출력 밀도가 18% 향상됨을 확인했다. KIST 유성종 박사는 “3차원 구조체를 이용하면 기존 연료전지의 구조로는 어려웠던 다양한 촉매의 활용도를 극대화하고, 생성되는 물을 안정적으로 관리할 수 있다.”라고 말하며, “향후 단순한 구조에서 벗어난 새로운 3차원 구조체를 활용해 수소자동차 또는 발전용 연료전지에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업(2E32591)과 나노 및 소재 기술개발사업(2021M3H4A1A02042948)으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’ (IF 32.086, JCR 분야 상위 2.51%) 최신 호에 게재됐다. * Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells [그림 1] 3차원 구조체를 활용한 연료전지의 다양한 활용 모식도 [그림 2] 다층의 복잡한 전극층 및 고분자 구조물을 제작할 수 있는 새롭고 용이한 방법인 멀티스케일 리소그래피(Multiscale lithography) 모식도와 연료전지 성능 향상 그래프 [그림 3] 전극 틈의 최적화 기술을 이용한 연료전지 내의 물관리 효과의 향상 [사진 1] 고분자 전해질막 연료전지 성능향상을 위해 3차원 구조체 전극제어기술을 개발한 KIST 유성종 박사(우측) 연구진 [사진 2] 유성종 박사 연구팀에서 개발한 전해질막 3차원 구조체 전극의 모형 [사진 3] KIST 유성종 박사팀 연구진이 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 테스트하고 있다. ○ 논문명: Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023.03.11.(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202204902 ○ 논문저자 - 장세근 교수(제1저자/국민대학교) - 강윤식 선임연구원(제1저자/한국에너지기술연구원) - 김상문 교수(교신저자/인천대학교) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST)

- 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 개발 - 연료전지의 전극층, 전해질막, 수송층 구조 개선으로 물 관리 문제 해결 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 3차원 구조체 제어 기술을 도입하여 장시간 높은 안정성을 가지며, 기존 대비 전력밀도가 향상된 연료전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 3차원 구조체는 연료전지 작동에 필요한 구성요소인 전극층, 전해질막, 수송층을 3차원으로 배열한 형태로, 연료전지의 성능과 밀접한 연관이 있다. 연료전지는 지구상에서 가장 풍부한 원소인 수소를 활용해 전기를 생산하는 기술로 이차전지의 충전 속도와 저장 용량의 한계를 극복할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있다. 다양한 방식의 연료전지 가운데 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 전력 공급이 빠르고, 상대적으로 저온에서 구동할 수 있어 상용화 가능성이 높다. 하지만, 장기간 구동 시 내부에서 생성되는 물이 내구성과 성능을 저하시켜 상용화를 가로막고 있다. 연구팀은 PEMFC 내에 생성되는 물을 관리하기 위해 멀티스케일 아키텍처 기반의 3차원 구조체 전극 제어기술을 개발했다. 이 기술은 다양한 크기의 구조를 조합해 연료전지의 성능을 향상시키는 기술인데, 본 연구에서는 1차원 및 3차원의 다중 차원 구조로 전극층을 설계해 기존의 촉매와 전해질막을 그대로 활용하면서 과생성된 물로 인한 성능 저하의 문제를 해결할 수 있다는 가능성을 보여줬다. 또한, 단일 또는 다층 구조로 전해질막 3차원 구조체의 표면을 패턴화하여 연료전지 내 저항 감소와 전기화학적 활성 표면적을 증가시켰다, 그 결과, 연료전지의 기계적 강성이 향상되고 고분자 전해질의 전력밀도가 기존 대비 40% 이상 향상되는 것을 확인했다. 연구팀은 한편 기공 구배 및 습윤성 기체 확산에 따른 물질 전달 특성이 개선된 수송층의 3차원 구조를 개발했다. 전해질막의 높은 표면 응력을 이용해 이를 늘리면서 유도된 전극 층의 균열이 전지 내부에서 생성된 물의 효율적인 이동 통로로 작용하여 균열이 없는 기존 연료전지에 비해 최대 출력 밀도가 18% 향상됨을 확인했다. KIST 유성종 박사는 “3차원 구조체를 이용하면 기존 연료전지의 구조로는 어려웠던 다양한 촉매의 활용도를 극대화하고, 생성되는 물을 안정적으로 관리할 수 있다.”라고 말하며, “향후 단순한 구조에서 벗어난 새로운 3차원 구조체를 활용해 수소자동차 또는 발전용 연료전지에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업(2E32591)과 나노 및 소재 기술개발사업(2021M3H4A1A02042948)으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’ (IF 32.086, JCR 분야 상위 2.51%) 최신 호에 게재됐다. * Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells [그림 1] 3차원 구조체를 활용한 연료전지의 다양한 활용 모식도 [그림 2] 다층의 복잡한 전극층 및 고분자 구조물을 제작할 수 있는 새롭고 용이한 방법인 멀티스케일 리소그래피(Multiscale lithography) 모식도와 연료전지 성능 향상 그래프 [그림 3] 전극 틈의 최적화 기술을 이용한 연료전지 내의 물관리 효과의 향상 [사진 1] 고분자 전해질막 연료전지 성능향상을 위해 3차원 구조체 전극제어기술을 개발한 KIST 유성종 박사(우측) 연구진 [사진 2] 유성종 박사 연구팀에서 개발한 전해질막 3차원 구조체 전극의 모형 [사진 3] KIST 유성종 박사팀 연구진이 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 테스트하고 있다. ○ 논문명: Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023.03.11.(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202204902 ○ 논문저자 - 장세근 교수(제1저자/국민대학교) - 강윤식 선임연구원(제1저자/한국에너지기술연구원) - 김상문 교수(교신저자/인천대학교) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST)

- 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 개발 - 연료전지의 전극층, 전해질막, 수송층 구조 개선으로 물 관리 문제 해결 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터 유성종 박사 연구팀은 3차원 구조체 제어 기술을 도입하여 장시간 높은 안정성을 가지며, 기존 대비 전력밀도가 향상된 연료전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 3차원 구조체는 연료전지 작동에 필요한 구성요소인 전극층, 전해질막, 수송층을 3차원으로 배열한 형태로, 연료전지의 성능과 밀접한 연관이 있다. 연료전지는 지구상에서 가장 풍부한 원소인 수소를 활용해 전기를 생산하는 기술로 이차전지의 충전 속도와 저장 용량의 한계를 극복할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있다. 다양한 방식의 연료전지 가운데 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 전력 공급이 빠르고, 상대적으로 저온에서 구동할 수 있어 상용화 가능성이 높다. 하지만, 장기간 구동 시 내부에서 생성되는 물이 내구성과 성능을 저하시켜 상용화를 가로막고 있다. 연구팀은 PEMFC 내에 생성되는 물을 관리하기 위해 멀티스케일 아키텍처 기반의 3차원 구조체 전극 제어기술을 개발했다. 이 기술은 다양한 크기의 구조를 조합해 연료전지의 성능을 향상시키는 기술인데, 본 연구에서는 1차원 및 3차원의 다중 차원 구조로 전극층을 설계해 기존의 촉매와 전해질막을 그대로 활용하면서 과생성된 물로 인한 성능 저하의 문제를 해결할 수 있다는 가능성을 보여줬다. 또한, 단일 또는 다층 구조로 전해질막 3차원 구조체의 표면을 패턴화하여 연료전지 내 저항 감소와 전기화학적 활성 표면적을 증가시켰다, 그 결과, 연료전지의 기계적 강성이 향상되고 고분자 전해질의 전력밀도가 기존 대비 40% 이상 향상되는 것을 확인했다. 연구팀은 한편 기공 구배 및 습윤성 기체 확산에 따른 물질 전달 특성이 개선된 수송층의 3차원 구조를 개발했다. 전해질막의 높은 표면 응력을 이용해 이를 늘리면서 유도된 전극 층의 균열이 전지 내부에서 생성된 물의 효율적인 이동 통로로 작용하여 균열이 없는 기존 연료전지에 비해 최대 출력 밀도가 18% 향상됨을 확인했다. KIST 유성종 박사는 “3차원 구조체를 이용하면 기존 연료전지의 구조로는 어려웠던 다양한 촉매의 활용도를 극대화하고, 생성되는 물을 안정적으로 관리할 수 있다.”라고 말하며, “향후 단순한 구조에서 벗어난 새로운 3차원 구조체를 활용해 수소자동차 또는 발전용 연료전지에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업(2E32591)과 나노 및 소재 기술개발사업(2021M3H4A1A02042948)으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Materials’ (IF 32.086, JCR 분야 상위 2.51%) 최신 호에 게재됐다. * Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells [그림 1] 3차원 구조체를 활용한 연료전지의 다양한 활용 모식도 [그림 2] 다층의 복잡한 전극층 및 고분자 구조물을 제작할 수 있는 새롭고 용이한 방법인 멀티스케일 리소그래피(Multiscale lithography) 모식도와 연료전지 성능 향상 그래프 [그림 3] 전극 틈의 최적화 기술을 이용한 연료전지 내의 물관리 효과의 향상 [사진 1] 고분자 전해질막 연료전지 성능향상을 위해 3차원 구조체 전극제어기술을 개발한 KIST 유성종 박사(우측) 연구진 [사진 2] 유성종 박사 연구팀에서 개발한 전해질막 3차원 구조체 전극의 모형 [사진 3] KIST 유성종 박사팀 연구진이 3차원 구조체를 활용한 새로운 형태의 연료전지를 테스트하고 있다. ○ 논문명: Multiscale Architectured Membranes, Electrodes, and Transport Layers for Next-Generation Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells ○ 학술지: Advanced Materials ○ 게재일: 2023.03.11.(온라인) ○ DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202204902 ○ 논문저자 - 장세근 교수(제1저자/국민대학교) - 강윤식 선임연구원(제1저자/한국에너지기술연구원) - 김상문 교수(교신저자/인천대학교) - 유성종 책임연구원(교신저자/KIST)

안녕하십니까. KIST 커뮤니케이션팀입니다. KIST 과학탐방은 매주 수요일마다 진행되며, 7월 12일 수요일 견학 일정은 접수 마감되었습니다. 인원은 최소 10명 이상을 받고 있으며, 선착순으로 접수 받고 있으니 모아폼 신청링크를 통해 나와있는 일정으로 신청 부탁드립니다. * 과학탐방 신청링크 : https://moaform.com/q/spi6L3 감사합니다.

안녕하세요 영훈고등학교 2학년 박예솔이라고합니다. 저희학교가 이번에 진로체험의 날을 맞아서 진로체험을 가게 되었는데 7월 13일에 한국과학기술연구원으로 견학을 갈 수 있는지 문의드립니다. 인원은 8명 이하로, 조정 가능합니다. 모두 이공계 연구원을 희망하는 학생들이라 이 기회를 맞아 평소에 관심있던 좋은 기관의 견학에 참여할 수 있다면 영광일 것 같습니다.

- 1회 측정으로 초고해상도 탄소 원자 핵자기공명 정보 분석 - 거대 복잡구조 천연물과 이성질체 혼합물의 정밀분석결과 최초 제시 1950년대 후반부터 1960년대까지 임산부들의 입덧 방지용 약으로 판매되었던 탈리도마이드의 부작용으로 팔, 다리가 짧은 1만 2천여명의 기형아가 태어났다. 비극의 원인은 약물의 부작용 매커니즘을 파악하지 못했기 때문인데, 다양한 화합물의 분자구조를 결정하는 연구는 생명현상의 이해와 질병 치료용 약물을 개발하는데 필수적이며, 주로 핵자기공명분광법(NMR)을 통해 측정한 주파수 신호를 해석한다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 천연물인포매틱스연구센터 차진욱, 박진수 박사팀은 1회 측정을 통해 특정 수소와 연결된 탄소 원자핵의 정보를 선택적으로 측정할 수 있는 NMR 분석법(Ultraselective Heteronuclear Polarization Transfer Method, UHPT)을 최초로 개발했다고 밝혔다. 100억 원을 호가하는 기존의 초고자장 NMR 장비에서조차 특정 수소 원자핵에 대한 선택적 NMR 신호 측정만이 가능했으나, 그와 연결된 탄소 원자핵 신호의 신속한 측정은 불가능하여 미세한 수준의 특정 수소-탄소 NMR 신호 분해능의 확보가 어려웠다. 또한, 의약품 원료와 독성 우려 약물의 화학구조 규명에도 한계가 있었다. 연구팀은 UHPT 분석법을 통해 복잡한 탄소핵 NMR 신호 사이에서 단 한 번의 측정만으로 특정 수소 원자핵과 연결된 탄소를 구분했으며, 수 헤르츠(Hz) 수준의 탄소핵 신호 분해능을 확보했다. 이를 통해 항암제로 이용되는 파클리탁셀처럼 여러 종의 약물로 개발되어 온 분자구조가 복잡한 천연 유래 물질의 구조를 명확하게 분석할 수 있게 됐다. 또한, 천연 유래 항암 물질인 닥티노마이신(dactinomycin)을 구성하는 아미노산의 광학이성질체와 살균 물질인 이프로발리카브(iprovalicarb)를 구성하는 부분입체이성질체 혼합물의 개별 탄소 핵 NMR 신호를 정밀 분석하는 데 최초로 성공했다. UHPT 분석법은 기존의 분석법 대비 빠르고, 정확하면서 경제적이다. 대학이나 기업에서 보유하고 있는 NMR 장비에 적용할 경우 초고자장 NMR 장비 대비 약 1/5 수준의 측정시간으로 동등한 수준의 NMR 신호 분해능을 확보할 수 있음을 확인했다. KIST 차진욱 박사는 “새로운 NMR 분석법은 천연물 바이오 산업계에서 신규 소재의 유효성분 규명 및 규격화를 위한 표준 분석기술로 활용할 수 있다.”면서, “의약품 개발과정에서 유효성과 안전성 규명에 결정적인 역할을 하는 부분입체이성질체의 구조 규명에 활용해 신약 개발 과정의 난제를 해결함으로써 천연물 바이오 산업 육성에 기여할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원을 받아 KIST 주요사업(2E32611)을 통해 수행되었으며 화학 분야의 학술지인 「앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition, IF 16.82)」 최신 호에 표지논문으로 6월 2일 게재됐다. * A Single-Scan Ultraselective Heteronuclear Polarization Transfer Method for Unambiguous Complex Structure Assignment [그림1] 저널 inside 표지 그림 [그림2] 본 UHPT 분석법을 활용한 부분입체이성질체 혼합물의 화학구조분석 과정 ○ 논문명: A Single-Scan Ultraselective Heteronuclear Polarization Transfer Method for Unambiguous Complex Structure Assignment ○ 학술지: Angewandte Chemie International Edition ○ 게재일: 2023. 6. 2. ○ DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202304196 ○ 논문저자 - 차진욱 선임연구원(제1저자∙교신저자/KIST 천연물인포매틱스연구센터), - 박진수 선임연구원(교신저자/KIST 천연물인포매틱스연구센터)