- 1 -

고체산화물 연료전지 나노소재

2002. 12

- 2 -

머 리 말

세기 들어 기업활동의 세계화 기술혁신의 가속화 등 중국의 급부상 등 국21 , (IT, BT, NT ),

제 사회의 환경이 급속하게 변하고 있고 세계 최고가 아니면 살아 남을 수 없는 무한 경쟁,

이 현재화 되고 있는 가운데 세계 경제는 지식과 정보의 창출 확산 및 활용을 직접( ) , ,顯在化

기반으로 하는 지식기반 경제로의 이행이 가속화되고 있습니다.

정보는 이미 물자나 에너지보다도 사회를 움직이는 더욱 큰 힘이 되고 있으며 질적 양적, ·

으로 전문화 고도화되면서 종합화 다양화되고 있기 때문에 누가 빨리 보다 정확하게 필요· · ,

한 정보를 입수하여 얼마나 효과적으로 활용하는가가 국가 경쟁력 강화의 관건이 되고 있습

니다.

이러한 시대적 변화에 능동적으로 대처하기 위하여 한국과학기술정보연구원 은 국내(KISTI)

외 주요 과학 기술 아이템 에 대한 정보를 심층 분석하여 산학연관에 제공함으로써 국가· ( )

과학 기술정보의 확산과 국제 경쟁력 강화에 노력하고 있습니다· .

이러한 목적으로 출간하는 유망기술의 심층정보분석연구 고체산화물 연료전지 나노소재「 」

는 최근 대체에너지원으로 주목받고 있는 연료전지의 핵심 기술분야 입니다.

나노기술을 응용해서 대체에너지원으로 기존 연료전지의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있

는 고체산화물 연료전지는 나노 수준에서의 전해질 개질 및 전극의 개발과 더불어 지구환,

경 및 대체에너지에 대한 미래기술로써 기대되고 있습니다.

- 3 -

본 보고서는 국가 핵심 유망기술로 부각되고 있는 나노소재 연료전지 기술에 대한 연구개발

동향분석 특허정보분석 산업 및 시장분석을 통해 체계적이고 심도 있는 분석정보를 제공, ,

하고자 노력하였으며 본 연구의 결과가 국가 과학기술정보의 확산 및 국가 경쟁력 증대에,

작으나마 도움이 되었으면 합니다.

끝으로 본 보고서는 본 연구원의 강상규 소대섭 김경호 책임연구원 한국에너지기술연구원, , ,

의 송락현 송근숙 우상국 책임연구원이 공동 집필한 것으로 노고에 깊이 감사드리며 본, , ,

보고서에 수록된 내용은 연구자 개인의 의견으로서 한국과학기술정보연구원의 공식의견이아

님을 밝혀두고자 합니다.

2002. 12.

한국과학기술정보연구원

원장 조 영 화

- 4 -

목 차

제 장 서론1

연구의 배경 및 필요성1.

연구의 목적2.

연구의 방법3.

제 장 기술개발 동향2

연료전지의 개요1.

가 고체산화물 연료전지 기술의 개요.

나 고체산화물 연료전지 기술의 특성.

해외의 기술현황2.

가. YSZ(Y2O3-stabilized ZrO2 전해질 재료)

나노 분말의 제조(1) YSZ

나노 분말의 특성(2) YSZ

나노 분말의 이용(3) YSZ

나 나노 세리아 분말의 전해질 및 연료극 재료.

다 공기극 재료.

나노 혼합전도성 분말의 이용(1)

나노 입자의 분산(2) Pt

- 5 -

공기극 미세구조 개선(3)

를 이용한 나노 입자와 나노구조 전극(4) Combusition CVD

라 기술을 이용한 박막 고체산화물 연료전지. MEMS

마 저온형 연료전지의 촉매 지지체로써 탄소나노 튜브 기술.

국내의 기술현황3.

가 분말 제조. Doped ceria

나 나노 분말을 이용한 전해질 박막의 제조.

다 탄소나노 튜브를 이용한 전극 제조.

제 장 연료전지 소재 정보 분석3

특허정보1.

가 특허정보 분석 대상. DB

나 특허정보 분석.

한국(1)

미국(2)

일본(3)

다 일본특허 로 본 의 특징. (Patolis) SOFC

의 요소기술에 대한 출원 상황(1) SOFC

의 저온 동작화 기술(2) SOFC

의 기술 개발 과제(3) SOFC

라 핵심기술의 현황분석.

문헌정보2.

가 문헌정보 분석 대상. DB

나 문헌정보 분석.

- 6 -

제 장 해외 기술개발 및 시장 동향 분석4

해외 기술개발 동향1.

시장 동향 및 전망2.

제 장 발전 방향 및 전망5

발전방향1.

기술 및 특허분석에 따른 향후 전망2.

기술개발의 향후 과제3. SOFC

참고문헌< >

- 7 -

표 차 례

표 고체산화물 연료전지 구성요소의 요구조건< 2-1>

표 고체산화물 연료전지 구성요소의 재료< 2-2>

표 분말의 제조 방법과 결정 크기< 2-3> YSZ

표 문헌정보 대상< 3-1> DB

표 문헌분석 분류처리 코드< 3-2>

표 년의 연료전지 목표가격< 4-1> 2006

표 고체산화물 연료전지의 응용영역< 4-2>

표 연료전지 시장 규모< 4-3>

- 8 -

그 림 차 례

그림 고체산화물 연료전지 구조 및 소재< 2-1>

그림 의 이미지< 2-2> 8YSZ TEM (NexTech materials. Ltd.)

그림 소결 온도와 소결 유지시간에 따른 의 이온전도도< 2-3> (a) (b) YSZ

그림 에서 공소결된< 2-4> 1250 YSZ/LSM Bilayers℃

그림 나노 분말을 이용한 전해질 지지체관< 2-5> YSZ

그림 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 제조 흐름도< 2-6> LBNL

그림 박막 세리아 전해질이 형성된 단위전지의 성능곡선< 2-7>

그림 와< 2-8> (a) composite ceria(Backscatter-mode) (b) submicron-grain doped

의 이미지ceria SEM

그림 공기극의 산소이온전달 반응< 2-9> model

그림 곡선< 2-10> Polarization (IR-Free)

그림 개선된 공기극의 개략도와 이미지< 2-11> SEM

그림 법에 의해 제조된 의 미세구조< 2-12> Combustion CVD Ag-GDC

그림 박막 의 단면 개략도< 2-13> SOFC

그림 포토리소그래픽 패터닝과 에칭 공정을 이용한 연료극의 이미지< 2-14> Ni SEM

그림 법으로 제조된 연료극과 공기극< 2-15> Sputter deposition (a) Ni (b) Ag

그림 의 개략도< 2-16> MEMS-Thin Film SOFC

그림< 2-17> Metallic nano-wire(Technischen Universitat Munchen Co.)

그림 탄소나노 튜브의 이미지< 2-18> SEM

그림 탄소나노 튜브와 에 담지된 백금 촉매 전극의 성능 특성< 2-19> XC-72

- 9 -

그림< 2-20> Ce0.8Ga0.2O1.9 입자의 이미지TEM

그림 의 이온전도도< 2-21> 8YSZ (NexTech materials, Ltd.)

그림 전해질의 이미지< 2-22> SEM

그림 한국의 연도별 특성별 특허출원 동향< 3-1> /

그림 한국의 연도별 막재질별 특허출원 동향< 3-2> /

그림 한국의 연도별 출원인별 특허출원 동향< 3-3> /

그림 한국의 연도별 기술별 특허출원 동향< 3-4> /

그림 한국의 연도별 막종류별 특허출원 동향< 3-5> /

그림 미국의 연도별 특성별 특허 동향< 3+> /

그림 미국의 연도별 막재질별 특허 동향< 3-7> /

그림 미국의 연도별 출원인별 특허 동향< 3-8> /

그림 미국의 연도별 기술별 특허 동향< 3-9> /

그림 미국의 연도별 막종류별 특허 동향< 3-10> /

그림 일본의 연도별 특성별 특허출원 동향< 3-11> /

그림 일본의 연도별 막재질별 특허출원 동향< 3-12> /

그림 일본의 연도별 출원인별 특허출원 동향< 3-13> /

그림 일본의 연도별 기술별 특허출원 동향< 3-14> /

그림 일본의 연도별 막종류별 특허출원 동향< 3-15> /

그림 의 요소기술별 출원 상황 검색< 3-16> SOFC ( DB : PATOLIS)

그림 전해질의 고이온 전기 전도화에 관한 기술변천< 3-17> (ion)

그림 연도별 문헌 건수< 3-18>

그림 문헌정보 국가별분석< 3-19>

그림 문헌정보 국가비율< 3-20>

그림 문헌분석 분류처리구분< 3-21>

그림 연도별 문헌종류 추이 분석< 3-22>

그림 연도별 문헌형태 추이 분석< 3-23>

그림 연도별 국별 연구기관 분석 상위 개 기관< 3-24> ( 10 )

- 10 -

그림 연구기관 및 국가비율 상위 개 기관< 3-25> ( 10 )

그림 연도별 저자 추이< 3-26>

그림 문헌 게재된 저자의 건수 및 비율 상위 명< 3-27> ( 10 )

그림 연도별 저자수 추이< 3-28>

그림 발전용 연료전지 세계시장 규모< 4-1>

그림 고체산화물 연료전지시스템 가격예측 전망< 4-2>

그림 고체산화물 연료전지의 당 비용추이< 4-3> ㎾

그림 사가 예측한 분야별 연료전지 세계 시장< 4-4> Business Communication Company

규모

- 11 -

제 장 서론1 :

연구의 배경 및 필요성1.

최근 정부는 세기를 이끌고 나갈 미래기술로 나노기술 정보기술 바이오기술21 (NT), (IT),

환경기술 우주항공기술 문화기술 등 소위 기술을 육성하고자 많은(BT), (ET), (ST), (CT) 6T

노력을 기울이고 있다 이러한 기술 가운데 나노미터크기의 극미세 기술 영역인 나노기술.

은 새로운 물리현상을 이용하여 지구의 환경 및 차세대 에너지의 대체기술 개발을 이(NT)

루고자 한다.

나노테크놀로지 란 말이 쓰이기 시작한 건 년대 초반부터이지만 현재(Nanotechnology) 1990

에는 기초과학과 응용공학분야 등 거의 모든 기술 분야에서 나노텍 이란 목표를(Nanotech)

향해서 연구개발이 활발히 진행되고 있다 특히 수십년 동안 석유화학 장치산업 화학공장. , ,

과 같은 거대한 장치산업으로 대변되어 오던 화학공학 환경공학 에너지 분야에서도 나노, ,

기술의 여파는 예외가 아니며 촉매 대체 에너지원에 이르기까지 다양한 관련분야에서 나, ,

노기술을 지향하고 있다.

나노기술의 세계 시장규모는 년 억불 정도로 추산되며 년에는 약 억불2000 76 , 2010 5000

정도로 연평균 의 급속한 성장이 예상된다 나노기술의 실용화를 시간적으로 살펴보면52% . ,

재료 전자 제품들을 시작으로 의료 환경 에너지 분야까지 실용화가 전개될 것으로 예상되, , ,

며 년경에 성장기에 진입하여 년을 전후로 본격적인 성장이 예상된다, 2005 2010 .

- 12 -

최근 지구의 온난화 환경오염 문제에 대처하기 위한 기후변화 협약과 경제발전에 따른 전,

력 수요의 증대 에너지 가격 상승 및 수급불안정 등의 에너지 문제에 대응하고 지속적인, ,

경제 발전을 위해서 차세대 전원으로 고효율 저공해 청정 발전기술인 연료전지 발전기술에

대한 개발이 필연적이다.

연구의 목적2.

최근 산 학 연 등 각 분야에서 관심 있는 주요산업에 대한 종합적이고 신뢰성 있는 분석· ·

정보의 수요가 증대하고 있으나 실제 연구 분석기관들을 통한 공급은 미미한 실정이다 따, · .

라서 한국과학기술정보연구원 에서는 최근 시장성 기술성 면에서 향후 주목할만한(KISTI) ,

산업으로 각광받고 있는 나노복합재를 분석대상 기술로 선정하여 심도 있는 기술동향분석, ,

연구 개발동향 분석 특허정보 분석 산업 및 시장분석을 수행하였다, , .

본 연구는 국가정책수립자에게는 국가연구개발 자원의 효율적 활용과 의 성공가능성을R&D

높일 수 있는 기초분석 자료를 제공하고 정보획득 및 분석에 한계가 있는 기업 연구기관, ,

의 기획 및 전략수립자들에게는 기업의 사업계획 또는 계획 수립시 객관적이고 충실, R&D

한 정보를 제공하는데 그 목적이 있다.

- 13 -

연구의 방법3.

본 보고서는 여러 가지 방법으로 제조되어 사용되고 있는 고체산화물 연료전지를 분석대상

으로 하되 나노소재를 사용한 제품은 그 양이 미미하나 주요 대상으로 포함하였다.

제 장 기술동향분석에서는 한국과학기술정보원 이 보유하고 있는 문헌과 최근 해외2 (KISTI)

발표 저널 전문가 자문 등을 통해 고체산화물연료전지의 기술 및 동향과 최근 이슈, R&D ,

화되고 있는 문제들에 대해 체계적이고 종합적인 정보분석을 수행하였다.

제 장 특허정보 분석 에서는 고체산화물 연료전지에 관해 조사된 특허정보를 중심으로 특3

허맵핑 을 행하여 여년간의기술흐름 추이와 최근의 기술동향 출원인(Patent Mapping) , 21 ,

동향 등을 분석하였다 그리고 분석결과를 통하여 기술의 우위현황 및 기술의 분포도 등을.

국가 및 기술분야별 등으로 세분화 체계화하고 도식화된 그래프를 이용하여 특허의 동향· ,

을 다각적으로 분석하였다 고체산화물 연료전지에 관한 특허정보분석은 한국과학기술정보.

연구원 과 에서 제공하는 각국의 특허정보(http://www.kisti.re.kr) IBM(www.delphion.com)

데이터베이스를 활용하였다.

제 장 해외 기술개발 동향 및 시장 동향 분석에서는 연료전지에 대한 해외 동향 및 시장동4

향을 조사 분석하였다 그리고 해외의 최근 분석보고서 업계 및 연구소의 전망자료를 통해· . ,

향후 국내의 시장을 전망하였으며 구체적인 시장개발 가능성을 높이기 위한 전략적 제언을,

하였다.

제 장 발전방향 및 전망에서는 고체산화물 연료전지에 대한 발전방향을 제시하고 특허 및5

문헌분석에 대한 향후전망과 기술개발에 대한향후 과제에 대하여 요약하였다.

- 14 -

제 장 기술개발 동향2 :

연료전지의 개요1.

가 고체산화물 연료저지 기술의 개요.

고체산화물 연료전지 는 연료기체가 소유하고 있는 화학에너(solid oxide fuel cell : SOFC)

지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다 연료전지.

의 기본 단위인 단전지 하나에서 얻어지는 전위차는 약 정도이기 때문에 각각의 전지는1V

전극 활성 에너지 손실과 전기적 저항 손실 그리고 이것의 발전량을 더욱 낮은 전압으로,

감소시키려는 이온이동 저항손실에 영향을 받는다.

따라서 연료전지를 동력원으로 사용하기 위해서는 여러 개의 단위전지를 직렬 및 병렬로 연

결한 스택 을 중심으로 기본 연료전지시스템을 구성하여야 한다 스택 구조에서 기체(stack) .

의 흐름을 조절하기위해서는 특별한 디자인이 요구되는데 특히 는 모든 구성요소가SOFC

고체이기 때문에 다양한 형태의 디자인이 연구되었다.

지금까지 개발되고 있는 고체산화물 연료전지 형태는 원통형 평판형 및 일체형의 종류가, 3

있으며 원통형과 평판형이 주로 많이 연구개발 되어지고 있다 현재의 기술개발 수준을 보, .

면 원통형 시스템이 가장 진보된 기술이며 그 다음으로 평판형 기술이 개발되어지고 있다, ,

[1,2].

- 15 -

고체산화물 연료전지는 가스터빈 증기터빈과 연계한 복합발전 시스템으로 정지형 분산전원-

및 대형 발전시스템 전원과 가정용 소형 발전시스템 전원이 주로 개발되었다 최근에는 전.

극지지체형 구조뿐만 아니라 성능이 우수한 구성소재가 연구 개발되어 에서도 작동500 ℃

이 가능하다[3-6].

또한 작동온도까지 빠른 시간내 도달 가능하고 간단한 단열을 통해 운전온도 유지가 가능,

할 뿐 아니라 연료개질장치 없이 천연가스 석탄가스 가솔린 디젤 부탄가스 메탄올 등 다, , , , ,

양한 연료를 사용할 수 있으며 발전시스템이 간단하기 때문에 군사용 레저용 자동차용 등, ,

의 이동전원 분야로도 연구개발이 진행되고 있다[7-10].

고체산화물 연료전지 구성 요소 가운데 나노기술 관련 연구는 전해질 연료극 공기극 등, ,

전분야에 걸쳐 진행되고 있으며 특히 고체 산화물 기술 개발 관련으로는 나노입자를 이용,

한 전해질 고성능화 및 박막화 기술개발이 활발히 연구되고 있으며 나노기술을 이용한 새,

로운 소재 개발 및 고전도성 전해질 기술 개발도 중요한 과제로 대두되고 있다.

전극 기술 분야에서는 전극 분말 입자의 나노 제어를 통한 반응면적의 극대화 연구가 진행

되고 있는 상황이다 나노기술의 도입을 통한 구성소재의 개발은 전지 성능의 고출력화 및.

시스템을 컴팩트화 하게 할 수 있기 때문에 고체산화물 연료전지의 실용화 및 적용 분야확

대에 크게 기여할 것으로 판단되며 국가적으로 육성이 필요한 산업이라고 할 수 있다, .

- 16 -

나노기술을 이용하여 세라믹 전해질 전극 등의 연료전지 핵심 소재를 성공적으로 개발할,

경우 연료전지 발전은 기존의 중대형 발전시스템뿐만 아니라 배터리 등의 소형 전원도 대체

할 수 있는 획기적인 에너지원이 될 것으로 기대된다 연료전지 발전은 년 후부터 본. 5-10

격적인 도입이 예상되고 있으며 나노기술과 연료전지의 접목은 세기 선진국형 발전시스, 21

템으로 전환을 위한 발판을 마련할 수 있는 계기가 될 것으로 판단된다.

또한 인산형 연료전지 고분자 연료전지 직접 메탄올 연료전지와 같이 탄소소재를 사용하, ,

고 있는 저온형 연료전지에서도 나노기술의 도입 가능성을 고려하고 있으며 저온형 연료전,

지에서는 전극 지지체로써 탄소나노소재의 적용 가능성 연구 백금 촉매 입자의 고분산성기,

술 등에 관한 연구가 진행되고 상황이다.

본 고에서는 연료전지 소재 가운데 나노 기술 연구가 많이 진행되어온 고체산화물 연료전지

를 중심으로 기술의 특성 국내외 현황 등을 분석 기술하였으며 저온형 연료전지의 경우에, ,

도 탄소 촉매 지지체 분야에 대해서 기술 분석이 이루어졌다 또한 국내외 연료전지 소재.

관련 특허 기술 분석을 통해 연료전지 소재 기술의 현주소를 파악하여 이에 대처할 수 있는

국내 연료전지의 소재 관련 기술 개발을 위한 바탕을 마련하고자 하였다.

나 고체산화물 연료전지 기술의 특성.

연료전지 발전 방식은 기존 화력발전과는 달리 연소과정이나 기계적 일이 필요없는 직접 발

전 방식이기 때문에 로 발전효율이 높고 정격 출력의 의 넓은 부하범위40 60% , 25 100%∼ ∼

에서도 거의 일정한 효율을 갖는다.

- 17 -

연료전지에서 발생되는 열을 이용할 경우 전체 에너지이용 효율은 이상으로 에너지, 80%

이용 면에서 뚜렷한 장점을 가질뿐더러 최근 문제가 되고있는 CO2 배출량도 기존 발전방식

에 비해 이상 줄일 수 있다30% .

또한 연소과정이 없기 때문에 기존 발전소에서 공해요인이 되는 NOx, SO2 및 분진의 배출

이 무시될 정도로 적고 터빈발전과 같은 대형 회전기가 없기 때문에 소음 요인도 아주 적,

은 장점을 갖고 있다 또 다른 상점으로서 발전 시스템의 모든 구성품이 모듈 형태로서 대.

량 생산이 가능하고 신속한 조립설치가 가능하여 건설기간이나 건설부지를 절감할 수 있으

며 다양한 연료를 사용할 수 있다 현재 고체산화물 연료전지 기술의 적용 분야로는, . 100

수십 급 규모의 중대형 발전 시스템 분야 급 규모의 가정용 소형발전 시~ , 1 ~10㎾ ㎿ ㎾ ㎾

스템 및 자동차 보조동력원용 수 수 급 규모의 이동전원용으로 기술 개발이 추진되, W∼ ㎾

고 있는 상황이다.

연료전지의 기본 구조는 그림 에 나타내었으며 고체산화물연료전지는 중앙에 치밀한< 2-1> ,

전해질 이 있고 양쪽에 다공성 공기극 과 연료극 이 부착되어(electrolyte) (cathode) (cathode)

있는 단위구성 요소와 그 구성요소를 직렬 연결할 때 연료기체와 산화제의 혼합을 막고 전

기적으로 연결해주기 위한 연결재 로 구성된다 고체 산화물 연료전지의 전기(interconnect) .

화학반응을 보면 연료극에서는 수소가 전자를 내어놓고 전해질을 통해 이동해온 산소이온,

과 만나 물과 열을 생성시킨다 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 통해 직류전류를 만.

들면서 공기극으로 이동하며 공기극에서 산소와 만나 산소이온이 되고 생성된 이온은 전해,

질을 통해 연료극으로 이동하게 된다.

고체산화물 연료전지의 각 구성요소는 작동온도에서 표 에 나타낸 요구조건을 갖추< 2-1>

어야 하며 강도와 인성이 높아야하고 제조가 용이해야 하며 제조비용이 저렴해야 한다[1].

- 18 -

현재 고체산화물 연료전지의 제조에 사용되고 있는 구성재료들을 표 에 나타내었다< 2-2> .

그림 고체산화물 연료전지 구조 및 소재< 2-1>

표 고체산화물 연료전지 구성요소의 요구조건< 2-1>

구성요소

요구조건

전기전도도 안정성화학적반응

성기공률 열팽창

전해질높은이온전도도 산화 및

환원분위기에서안정

다른구성요소와화학반응 및상호확산이없을 것

치밀성다른

구성요소와열팽창계수유사

낮은전자전도도

연결재낮은이온전도도

높은전자전도도

연료극높은이온전도도 환원분위기

에서 안정다공성

높은전자전도도

공기극높은이온전도도 산화분위기

에서 안정높은전자전도도

- 19 -

표 고체산화물 연료전지 구성요소의 재료< 2-1>

구성요소 재료

연료극

Ni/YSZ cermet, Ru/YSZ cermet

Ni/SDC cermet, Ni/GDC cermet

Ni, Ru, Pt

전해질

ZrO2 계: CaO, MgO, Sc2O3, Y2O3 doped ZrO2

CeO2 계: Sm2O3, Gd2O3, Y2O3 doped CeO2

계Bi2O3 : CaO, SrO, BaO, Gd2O3, Y2O3 doped Bi2O3

산화물Perovskite : (La,Sr)(Ga,Mg)O3- δ, Ba(Ce,Gd)O3- δ

공기극

LaMnO3계: La(Sr, Ca)MnO3, (Pr, Nd, Sm)SrMnO3 등

LaCoO3계: (La,Sr)CoO3, (La,Sr)(Co,Fe)O3, (La,Ca)CoO3 등

Ru, Pt

연결재

LaCrO3계: (La,Sr)CrO3, (La,Ca)CrO3 등

합금계 계 계 등: Ni-Cr , Ferritic steel

산화물 분산강화 합금(Ducrolloy, Cr5Fe1Y2O3)

해외의 기술현황2.

가. YSZ(Y2O3-stabilized ZrO2 전해질 재료)

나노 분말의 제조(1) YSZ

고체산화물 연료전지에서 는 전해질 재료로써 뿐만 아니라 전기화학 반응을 증가시키기YSZ

위해 연료극 및 공기극의 구성요소로 사용되기 때문에 를 이용한 복합전극에서 전극의YSZ

촉매 활성은 분말의 크기와 관련된 전극의 미세구조에 의존한다YSZ .

따라서 표 에 요약한 바와 같이 나노 의 분말 합성에 관한 연구가 많이 보고 되< 2-3> YSZ

었고 Gas-phase condensation, Mechanical milling, Thermal crystallization, Chemical

co-precipitation, Sol-gel process, Plasma technique, Aerosol spray pyrolysis,

등이 그 예이다Pechini process .

- 20 -

표 분말의 제조 방법과 결정 크기< 2-3> YSZ

모든 이러한 공정은 원자 또는 분자를 추가함으로써 형성된 나노입자의 분자합성에 기초한

다 따라서 합성 공정 동안 입자의 성장은 불가피하므로 핵생성과 성장의 제어가 요구된다.

제조된 나노 분말은 콜로이달 증착 공정 을 이용[13]. YSZ (colloidal deposition processes)

하여 전극 지지체식 박막 고체산화물 연료전지 를 제조하기 위해 코팅되며(thin-film SOFC) ,

기존의 마이크로 분말에 비해 소결온도가 낮고 연료극 전해질 공기극의 공소결을 가능YSZ / /

케하여 연료전지 제조공정를 단순화시킨다는 잇점이 있다.

또한 나노 는 연료극 및 공기극의 복합전극으로 이용될 수 있어 연료전지뿐만 아니라YSZ

산소발생시스템 세라믹막 반응기(oxygen generation system), (ceramic membrane

센서 등으로도 이용 가능하다reactor), .

- 21 -

나노 분말의 특성(2) YSZ

미국의 사는 법을 이용하여NexTech Materials Hydrothermal synthesis Gd, Sm doped

CeO2 와 를 제조하였고 그림 에 의 이미지를 나타내었다(GDC, SDC) YSZ < 2-2> YSZ TEM

[12].

그림 의 이미지< 2-2> 8YSZ TEM (NexTech materials, Ltd.)

등 은 사 나노 분말의 이온전도도를 교류 임피던스X. J. Chen [19] NexTech materials YSZ

법을 이용하여 소결 온도와 유지시간에 따라 조사하였으며 에서 측정된 전해, 1000 YSZ℃

질의 이온전도도를 그림 의 에 나타낸 바와 같이 에서 시간 동안 소결하< 2-3> (a) 1150 4℃

였을 때 이고 까지 로 증가하다가 에서0.081 S/cm 1350 0.105 S/cm 1450 0.092℃ ℃

로 감소하였다S/cm .

이온전도도는 입계전도도 및 입내 전도도의 함수로 나타나며 소결 온도에 따른 이온YSZ ,

전도도의 증가는 입계 및 입내 이온전도도에 기인하며 소결온도의 증가에 따른 이온전도도,

의 감소는 입계전도도의 감소와 밀접한 관계가 있는 것으로 보고하였다.

- 22 -

그림 소결온도와 소결 유지시간에 따른 의 이온전도도< 2-3> (a) (b) YSZ

이러한 현상은 그림 의 에 나타낸 바와 같이 의 소결 유지시간에 따른 이온전< 2-3> (b) YSZ

도도의 변화와 유사하다 에서 시간 동안 소결한 의 이온전도도는. 1250 0 YSZ 0.082℃

이고 유지시간이 시간으로 증가할 때까지 로 증가하다가 시간 유지하S/cm 8 0.112 S/cm 12

였을 때 로 약간 감소하였다0.105 S/cm .

소결 온도와 유지시간의 두 조건에서 이온전도도의 감소율 차이는 결정립 크기 변화에 기인

하며 소결 유지시간과 소결 온도에 따라 에서 각각 와 로 증가하였으. 1.1 3.5 7.2㎛ ㎛ ㎛

며 결정립의 성장률이 소결유지시간보다 소결 온도에 더 크게 의존하였기 때문이다 특히, .

입내이온전도도는 소결 밀도에 크게 의존하고 입계 전도도는 소결 밀도 및 결정립의 크기에

크게 의존함을 알 수 있다.

전체적인 나노 의 이온전도도는 결정립계 영역에 의한 결함 특성으로 결정립 크기 결YSZ ,

정립계 면적과 두께 불순물 등에 의존한다 따라서 결정립 크기를 줄이고 결정립계의 두께, . ,

를 줄여 결정립계의 면적을 감소시키며 원료의 순도를 높임으로써 결정립계 효과를 감소시,

킬 수 있다[20-24].

- 23 -

즉 이온전도에 대한 결정립계 효과를 배제하기위해 전해질의 미세구조를 단결정화는 연구,

와 결정립의 크기를 현재의 서브마이크론 수준에서 나노미터로 극미세하는 연구가 계속 진

행되어야 할 것이다.

나노 분말의 이용(3) YSZ

는 가장 넓은 산소 분압 범위에서 이온전도도가 높기 때문에 고체산화물 연료전지에 가YSZ

장 널리 사용되고 있는 전해질 재료이다 의. 200 500 YSZ(Y∼ ㎛ 2O3-stabilized ZrO2 전해)

질 자립막식 고체산화물 연료전지가 충분히 높은 산소 이온 전도도를 얻기 위해서는 1000

의 고온에서 작동되어야 하나 이와 같은 높은 온도에서는 연결재 및 구성요소의 제작이,℃

어렵고 주변 소재 가격이 고가이며 장기운전 중에 전극입자의 소결 재료의 산화 계면 확, ,

산 열응력에 의한 문제점이 발생한다, [25-27].

고체산화물 연료전지의 작동온도를 낮추면 내부저항 및 전극분극의증가로 전지성능이 감소

한다 이러한 성능저하를 줄이기 위하여. ZrO2계 전해질보다 산소 이온전도도가 더 높은

Bi2O3계, CeO2계, LaGaO3계 등에 대한 연구 와 고체산화물 연료전지의 가장 보편[28-35]

화된 전해질인 를 사용하되 전해질 두께를 줄여 박막화하는 방법으로 내부 저항을 낮추YSZ

려는 연구가 진행되고 있다 의 전도도는 에서 약[36-39]. YSZ 1000 10℃ -1 로 작동온S/cm

도가 낮아질수록 저항이 증가하기 때문에 가능한 이하의 두께로 얇고 치밀하게 제조30 ㎛

하여야 한다.

- 24 -

그림 에서 공소결된< 2-4> 1250 YSA/LSM Bilayers℃

사는 기소결된 공기극 지지체관 위에 나노 결정을 갖는 수계 콜로이Simens-Westinghouse

달 서스펜션을 제조하여 디핑 또는 스프레이코팅한 후 이하에서1300 YSZ/LSM℃

를 공소결하여 두께의 치밀한 전해질을 형성하였다bilayer 20 .㎛

그림 에 에서 소결된 나노 의 단면을 나타내었다 콜로이달 공정의 핵심< 2-4> 1250 YSZ .℃

은 균일하고 높은 소결밀도를 형성하는 것과 소결시 수축률을 감소시켜 균열 및 박리 현상

을 막는 것이다 수계 용매에서 나노 분말은 나노 결정입자의 반데르발스의 힘에 의해 더.

큰 입자를 형성하고 응집되려는 현상 때문에 균일하게 분산시키는 것이 매우 중요하다.

서스펜션은 를 조절하여 분말의 표면 전하를 증가시키고 분산제를 첨가하여 나노입YSZ pH

자를 잘 분산시킬 수 있다[40].

그림 는 가 법< 2-5> RFNC(Russian federal nuclear center) Pulsed Magnetic Compaction

으로 나노 분말을 제조하여 전해질 지지체관과 단전지를 제조한 것을 나타내고 있으YSZ

며 이 전지를 이용하여 의 우수한 연료전지 성능을 얻었다 현재 이 전지 기술, 0.47 / .㎽ ㎤

을 이용하여 용량 증가를 위한 연구를 계속 추진 중에 있다[41].

- 25 -

그림 나노 분말을 이용한 전해질 지지체관< 2-5> YSZ

나 나노 세리아 분말의 전해질 및 연료극 재료.

이하에서 작동하는 고체산화물 연료전지를 제조하기 위해서 보다 이온전도도가600 YSZ℃

높은 전해질이 이용된다 박막 세리아 전해질을 이용한 연료극 지지doped ceria [28-32].

체식 평판형 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 사와NexTech materials Lawrence

에서 보고 되었다Berkeley National Laboratory(LBNL) .

잘 분산된 콜로이달 서스펜션은 두께의 다공성 지지체위에200 300 NiO/CGO LBNL∼ ㎛

의 콜로이달 증착법을 이용하여 치밀한(Ce0.80Gd0.20)O1.90 전해질이 제조되었고 그 공(CGO)

정은 그림 에 나타내었다< 2-6> .

공기극으로(La,Sr)CoO3를 이용하여 제조된 단위전지는 그림 에 나타낸 바와 같이< 2-7>

에서 로 를 이용한 중에 가장 높은 출력을 나타내었고750 650 / ceria SOFC 600℃ ㎽ ㎤ ℃

에서도 의 전류밀도를 나타내었다270 / .㎽ ㎤

- 26 -

그림 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 제조 흐름도< 2-6> LBNL

그림 박막 세리아 전해질이 형성된 단위전지의 성능곡선< 2-7>

- 27 -

또한 등 은 세리아 전해질의 이온전이수 를 증S. L. Swartz [42] (ion transference number)

가시키기 위해 그림 의 에 나타낸 바와 같이 나노 세리아 분말에 절연 이차상을< 2-8> (a)

첨가하였다 복합전해질은 단상세리아 전해질보다 전력손실의 원인인 전자전도성을 감소시.

키고 기계적 강도를 증가시킨다.

등 은 가 이상에서 소결할 때 결정립의 크기가Z. Tianshu [43] doped ceria 1400 1~50℃

로 불안정하기 때문에 공침법과 법을 이용하여 치밀한sol-gel submicron-grained (<50㎛

전해질을 연구하였다 그림 의 에 나타낸바와 같이nm) . < 2-8> (b) submicron-grain doped

전해질은 매우 치밀하였다 이는 타원형 나노 분말은 다른 형태보다 입자사이의 마찰ceria .

력이 낮기 때문에 소결 초기단계에서 쉽게 입자의 재배치가 일어나기 때문이다 또한 고에.

너지 볼밀링 을 이용하여 나노분말의 소결성과 압축성은 강화된다(high energy ball milling)

고 보고하였다.

그림 와< 2-8> (a) composite ceria(Backscatter-mode)

의 이미지(b) submicron-grain doped ceria SEM

- 28 -

다 공기극 재료.

나노 혼합전도성 분말의 이용(1)

에서 공기극은 성능을 좌우하는 중요한 구성요소로 등 은 공기SOFC , Hiroyuki Uchide [44]

극 전해질 기공이 만나는 삼상계면뿐만 아니라 혼합전도체/ / (MIEC : mixed ionic and

에서도 전기화학반응이 일어난다고 보고하였다 따라서 공기극은 이electronic conductor) .

온전도성과 전자전도성이 높은 La1-xAXB1-yByO3와 같은 페로브스카이트 구조의 금속산화

물이 이용된다.

그림 의 는 혼합전도성 공기극의 산소이온전달 반응을 나타내었다< 2-9> (a) . M. Fr oba 등

은[45] La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3 는 이미지에서 결정 도메인의 크기가(LSCF) HRTEM 5-15 ㎚

이고 나노결정의 표면이 깨끗하므로 산소의 흡착과 전달이 용이하며 응집된 나노결정 사이

의 전자전도가 발생한다고 보고하였다 또한 장기운전동안 촉매의 불활성은 전지성능을 감.

소시키고 종종 방전이 일어난다 를 통해 페로브스카이트 구조는 확인되나 을. XRD HRTEM

통해 나노결정의 표면에 두께의 비정질이 발견되었다1-2 .㎚

는 분석을 통해 비정질에서 전극의 기능을 감소시키는A. Reller[46] TG/DTA/MS

를 관찰하였고 형성의 열화학적반응을 규명하기 위해서carbonate carbonate CO2분위기에

서 를 측정하여 의 작동온도범위에서 의 형성을TG/DTA/MS SOFC lathanum oxycarbonate

확인하였다 작동 온도범위에서 과 같은 알카리토 금속류의 형성은 나노스. Sr, Ba carbonate

코픽 초전도성 구리산화물의 열반응성으로 잘 알려져 있다[47].

- 29 -

그림 공기극의 산소이온전달 반응< 2-9> model

혼합전도체(a) 가 분산된 혼합전도체(b) Pt

나노 입자의 분산(2) Pt

그림 의 에 나타낸 바와 같이 나노 입자는 공기극과 계면에서 전기화학 반응< 2-9> (b) Pt Pt

이 증가되므로 중저온에서 고체산화물 연료전지의 성능을 향상시킨다 혼합전도성 공기극과.

가 로딩된 공기극의전기화학 반응은 다음과 같다Pt [44].

삼상계면을 통한 반응

Diffusion of O2(gas) in gas phase through porous cathode layer

Dissociative adsorption : O2(gas) 2O→ ad(cathode)

Surface diffusion : Oad(cathode) O→ ad(three phase boundary:TPB)

Charge transfer : Oad(TPB) + 2e-(cathode) O→ 2-(TPB)

Ionic transfer : O2-(TPB) O→ 2-(electrolyte)

혼합전도체내의 추가적인 전기화학반응

Charge transfer : Oad(ERS) + 2e-(ERS) O→ 2-(cathode)

Ionic transfer : O2-(cathode) O→ 2-(electrolyte)

- 30 -

가 분산된 공기극의 전기화학반응Pt

O2(gas) 2O→ ad(Pt-cathode)

Oad(Pt-cathode) + 2e-(Pt-cathode) O→ 2-(cathode)

직경 두꼐 의 디스크 위에 의 를 코팅하여 공기극 물질인13 , 1 8YSZ 1 SDC㎜ ㎜ ㎛

La0.6Sr0.4CoO3 와의 반응성을 방지하고 공기극의 가스확산속도를 증가시키기(LSC, 0.7 )㎛

위해서 의 를 첨가하여 크기의 기공을 형성하였다 또한1.2 polymer . [Pt(NH㎛ ㎛ 3)4]C12

용액에 공기극을 담가 의 용액이 스며들게 한 다음 에서 시간동안 열처LSC 2 1000 1㎕ ℃

리한 후 를 통해 관찰된 입자의 크기는 이다XRD Pt 28 .㎚

나노 입자가 로딩된 공기극과 다공성 연료극으로 구성된 단위전지의 전류밀도는Pt LSC Pt

그림 에 나타낸 바와 같이 의 과전압 에서 로 나노< 2-10> -0.05 V (over potential) 1A/ Pt㎤

가 분산되지 않은 것보다 배의 높은 전류밀도를 나타내었다 또한 로딩된 의 크기2.5 [48]. Pt

가 작을수록 전기화학 반응의 활성 효과는 좋아진다 의 입자가.30 Pt 0.1 / (0.25㎚ ㎎ ㎤

로딩된 은 의 가 로딩된 것의 성능과 유사하다고 보고하였다wt%) LSM 40 Pt 0.5 /㎚ ㎎ ㎤

[44].

그림 곡선< 2-10> Polarization (IR-Free)

- 31 -

공기극 미세구조 개선(3)

공기극의 성능을 높이기 위해서는 전기화학 반응자리(ERS : electrochemical reaction

를 넓히는 연구가 필수적이다 일반적으로 공기극과 전해질 재료인 과 를site) . LSM YSZ 6 :

로 혼합하여 사용하는 방법 이 주로 개발되어져 왔으나 최근 나노기술 도입4(wt %) [49-54]

에 의한 공기극 구조개선 연구로는 전해질 표면 위에 다공성으로 전해질입자를 코팅한 후

나노 공기극 층을 그 위에 코팅하는 방법이 연구되었다.

등은 전해질 지지체를 이용하여 전해질 공기극 계면에 로D. Herbstritt 10 ScSZ / 10 ScSZ

구성된 각각의 입자들을 스크린 프린팅할 때 공기극에 있는 모든 입자들이 전해, 10 ScSZ

질과 접촉하여 전해질 표면을 매우 증가시킬 수 있다고 제안하였다.

즉 공기극의 미세구조를 그림 에 나타낸바와 같이 기존의 차원 삼상계면에서 차, < 2-11> 2 3

원적으로 삼상계면을 증가시키기 위해 전해질표면을 완전히 덮고 나노기공을 갖는 의80 ㎚

전기화학 활성 공기극층을 제조하였다[55].

그림 개선된 공기극의 개략도와 이미지< 2-11> SEM

층은 이므로 이미지로 관찰되지 않음(LSM-MOD 80 SEM )㎚

- 32 -

를 이용한 나노 입자와 나노구조 전극(4) Combusition CVD

박막증착을 이용한 기존 연료전지의 성능은 전극과 전해질간의 계면특성에 의해서 제한되어

져 왔다 고상 박막 전기화학 시스템의 성능을 개선하는 가장 효과적인 접근은 최소의 저항.

을 가지는 계면이나 새로운 전극의 개발이다 메조와 나노 다공성 구조는 매우 높은 표면적.

을 가지게 하고 전극반응 속도를 높인다.

등 은 법을 이용하여 나노 분말과 나노 구조의 전극을 제Ying Liu [56] Combustion CVD

조하였다 입자크기와 기공률은 불꽃 온도 기판 온도 연료의 유량 용액의 농도 등과 같은. , , ,

증착 인자에 의존하며 이러한 파라미타를 조절할 수 있는 최첨단 시스, Combustion CVD

템을 설계 제작하였으며 이 시스템을 이용하여 제조된 복합전극의 미세구조를 그림, <

에 나타내었다2-12> .

그림 법에 의해 제조된 의 미세구조< 2-12> Combustion CVD Ag-GDC

- 33 -

라 기술을 이용한 박막 고제산화물 연료전지. MEMS

에서 소형 휴대용전화와 랩탑컴퓨터 전Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)

원으로 이용 가능한 소형 에너지 변환장치 를 개발하기 위해 고(micro energy conversion)

체산화물 연료전지 스택의 구성요소 매니폴드 연료 공급부의 초소형화가 가능하도록 새로, ,

운 제조 및 조립 방법을 연구하고 있다[57].

기술을 이용하여 기판위에 매니폴드 채널과 연료공급 시스템을 제조하였MEMS Si wafer

고 박막 고체산화물 연료전지의 전극과 전해질을 제조하기 위해서 PVD(physical vapor

법과 법을 이용하였다 또한 전극의 활성을 향deposition) CVD(chemical vapor deposition) .

상시키기 위해서 전극 전해질 계면에 관한 연구가 수행되었다 그림 은 기판위에/ . < 2-13> Si

제조된 박막 고체산화물 연료전지의 개략도이다.

연료극 전해질 공기극의 개 층은 질화물로 에칭된 기판위에 코팅 되었다/ / 3 Si . LPCVD(low

법을 이용하여 웨이퍼 기판위에 의 층을pressure chemical vapor deposition) 0.22 SiN㎛

제조하였다.

그림 박막 의 단면 개략도< 2-13> SOFC

- 34 -

그림 포토리소그래픽 패터닝과 에칭 공정을 이용한 연료극의 이미지< 2-14> Ni SEM

웨이퍼의 뒤쪽으로 포토리소그래픽 기술을 이용해 패턴을 형성하여(photolithographic)

의 면적으로 을 에칭하여 제거하였다 박막 를 제조하기 위한 구성요0.14 16 SiN . SOFC∼ ㎟

소의 증착공정은 다음과 같다.

로 을 스퍼터링 하였으며 연료극을 증착한 후에 기체의 흐름을 원활하게 하고0.5 Ni , Ni㎛

전기화학반응이 일어나는 삼상계면을 증가시키기 위해 포토리소그래픽 패터닝과 에칭을 이

용하여 지름 의 원을 의 간격으로 기공을 형성하였다 그림 는 전해질3 5 3 . < 2-14>∼ ㎛ ㎛

과공기극을 증착시키기 전 연료극의 이미지이다SEM .

전해질을 제조하기 전에 의 성능을 증가시키기 위하여 전해질 전극 계면에 와SOFC / DC RF

법을 이용하여 각각 금속 과 세라믹 복합체를 형성하였다co-sputter deposition (Ni) (YSZ) .

즉 과 를 함께 증착하여 의 연료극 전해질 계면을 형성하였다 벌크 서멧공정에Ni YSZ 25 / .㎚

서 연료극의 함유량은 이상인데 비하여 박막 연료전지에서는 이하로Ni 30 vol% 10 vol%

의 함유량을 감소시키면서 충분한 전기전도도와 전해질과 유사한 열팽창계수를 얻을 수Ni

있었다.

- 35 -

의 함유량이 많을수록 전도도는 증가하나 반복적인 열사이클 실험시 박리현상이 일어날Ni

수 있다는 사실을 주목해야 한다.

(Y2O3)5.6(ZrO2)94.4 전해질 타겟을 사용하여 공정으로 의 치밀RF-sputter deposition 1-2 ㎛

하고 균일한 전해질 박막을 제조하였다 그 다음 공기극 와 를 함께 증착하여. Ag YSZ 25 ㎚

의 공기극 전해질 계면을 형성한 후 로 의 다공성 공기극을 제조하여 층의 박/ , Ag 0.85 3㎛

막 를 완성하였고 전류집전을 위하여 망을 사용하였다SOFC Ag .

그림 는 법으로 제조된 연료극과 공기극을 각각< 2-15> sputter deposition (a) Ni (b) Ag

나타내었으며 에서 개회로 전압은 이고 의 성능을 나타내었다, 316 0.8V 3.8 / [58].℃ ㎽ ㎠

초미세 기계가공 기술과 박막 증착 기술을 이(MEMS : micro electro mechanical system)

용하여 마이크로 유량 채널 초집적 제어 회로소자 집적된 발열체를 갖는 연료전지 스택과, ,

매니폴드 및 연료공급원을 제조하여 소형 콤팩 전력원을 개발하기 위해서는 기존의 연료전,

지보다 전력밀도가 높고 장기운전이 가능하며 값이 싼 연료전지의 개발이 필요하다 재충, , .

전이 가능한 현재의 이동용 전원은 무겁고 크고 가격이 고가이며 사용기간이 제한되고 있, ,

다.

그림 법으로 제조된 연료극과 공기극< 2-15> Sputter deposition (a) Ni (b) Ag

- 36 -

예를 들어 범위의 배터리는 의 에너지를 가지며 상용화된 군용 장1 200W 50~250 hr/∼ ㎏

치를 시간 작동시킬 수 있다 다른 전력원으로 연료전지가 유망하며 이동용 전원으로2 3 . ,∼

이용 가능한 연료전지로서 크기와 무게의 소형화에 관한 연구는 스택구조 패킹 작동 온도, ,

를 상호 적절히 조합할 경우 성공적으로 이루어질 수 있다 위에서 언급된 바와 같이. LLNL

의 박막 고체산화물 연료전지 스택은 와 공정으로 제조된다PVD CVD .

그림 에 기술을 바탕으로 제조된 박막 고체산화물연료전지 스택의 개략도를< 2-16> MEMS

나타내었고 이 공정의 핵심은 를 제조하기 위한 박막MEA(membrane electrode assembly)

증착 기술 박판의 접합기술 박막과 후막의 조립 기술 마이크로머신을 이용한 기판 매니폴, , ,

드 또는 시스템 조립 기술 등이다[56].

그림 의 개략도< 2-16> MEMS-Thin Film SOFC

하부기관(a) ,

상부기관(b) ,

연료극(c) ,

전해질(d) ,

공기극(e) ,

히터 분리체(f) ,

창(g) ,

발열체(h) ,

접촉패드(i)

- 37 -

집적 회로형 마이크로머시닝 기술은 연료전지 스택내 발열체를 형성하고 전극 접촉부를 패

터닝 하는데 이용된다 의 구성요소는 기판 에 있는 창 을 선택적으로 에칭하므로. MEA (b) (g)

써 자립 멤브레인을 형성 한다.

또한 의 구성요소는 그림 과 같이 다공성 후막 멤브레인 또는 기판 위에 순차MEA < 2-16>

적으로 제조하였다 매니폴드 조립은 구성요소와 창이 형성된 상부 기판 과 하부 기판. (b) (a)

의 결합으로 하부기판에 제조된 매니폴드 채널은 마이크로머시닝 되었다 조립은 접. MEA

촉패드 를 갖는 연료극 상부 기판의 창과 동일하게 배열된 창을 갖는 히터 분리체(i) (c), (f),

접촉패드를 갖는 히터 분리체의 창을 막지 않도록 제조된 발열체 전해질 접촉패드를(h), (d),

갖는 공기극 으로 구성된다 위에 언급된 바와 같이 연료극 전해질 공기극의 재료는 각각(e) . / /

를 이용하였고 발열체는 전극으로부터의 절연과 의 창을 형성하Ni/YSZ/Ag Pt, 2 X 2㎜ ㎜

기 위한 히터분리체는 SiO2를 이용하였다 기판은 주로 를 사용하여 의 창을. Si 2 X 2㎜ ㎜

형성하였고 유리 세라믹 플라스틱 등도 이용된다, , .

를 이용한 스택을 위해 그림 과 같은 에 관MEMS micro SOFC < 2-17> metallic nano-wire

한 연구가 필연적이다 이러한 초소형 전원시스템은 아직 선진국에서도 실용화가 되지 않은.

상태로서 나노 코팅기술 및 기술을 바탕으로 박막형 마이크로 고체산화물 연료전지MEMS

스택을 개발하여 향후 실용화를 목표로 많은 관련연구가 진행되어야 한다.

- 38 -

그림< 2-17> Metal1ic nano-wire(Technischen Universitat Munchen Co.,)

마 저온형 연료전지의 촉매 지지체로써 탄소나노 튜브 기술.

현재 저온형 연료전지의 촉매로 사용되는 는 주로 지지체로 의 미세한 탄Pt/C 50 100∼ ㎚

소 분말 입자상에 정도의 나노 촉매를 화학적으로 환원시켜 제조하고 있으며 카본3 Pt ,㎚

블랙 입자의 크기 및 특성상 나노 촉매 입자의 분산성에는 한계가 있다 전지의 고성능화를.

위해서는 담지된 촉매의 분산성 증대 및 담지된 촉매 이용율의 극대화가 요구되고 있다.

이를 위해 기존의 카본 블랙 담지체 대신에 탄소 나노튜브 탄소섬유 활성탄 등의 촉매 지, ,

지체에 대한 연구가 진행되고 있으며 특히 탄소나노 튜브 및 나노혼, (carbon nanotube)

은 높은 전기전도성과 비표면적 가지고 있어 고성능 전극 개발의 촉매 지지체의(nanohorn)

유망한 후보 소재로 대두되고 있다[59-60].

탄소 나노튜브는 매우 우수한 전기적 기계적인 특성을 가지고 있으며 공정의 개발을 통해· ,

쉽게 저렴한 가격으로 대량 합성이 가능하게 되었다.

- 39 -

이들 물질들은 액상반응에 적용되어지는 촉매의 지지체로 잠재력이 있는 것으로 여겨지며,

주로 저온형 연료전지의 연료극 및 공기극에 대한 기존의 촉매 지지체인 카본블랙 입자의

대체 가능성을 평가하기 위한 연구가 진행되고 있다[61-62].

특히 저온형 연료전지의 경우 공기극 산소 환원 반응속도가 느리기 때문에 이들의 개선을

위한 연구와 고분자 연료전지의 경우 연료극의 피독 문제에 대한 해결 가능성 직접메탄올, ,

연료전지의 경우 연료산화 반응 속도의 증대 가능성에 초점을 맞추고 있다.

등 은 저온형 연료전지의 공기극에 대한 촉매 지지체 소재로 탄소나노 튜브를 사용Xin [62]

하였으며 탄소나노 튜브상에 환원법을 이용하여 나노 백금입자를 담지시켰다, .

그림 탄소나노 튜브의 이미지< 2-18> SEM [19]

전처이 공정후(a) 백금이 담지된 나노 튜브(B)

- 40 -

백금입자 담지전 매우 복잡한 나노 튜브의 전처리공정을 거쳤다 먼저 탄소 나노튜브의 표.

면에 불순물을 제거하기 위해 초음파로 분동안 세척하고 질산액에 시간 처리한10 120 , 4℃

후 질산과 황산 혼합액에 시간 동안 표면 산화처리를 수행하였다 이러한 복잡한 전처리4 .

공정은 백금 입자를 탄소 나노 입자 표면에 균일하게 분포시키는데 매우 중요한 역할을 하

며 실제 한국에너지기술연구원에서도 연구 결과 전처리 공정이 불확실한 경우백금 입자가,

불균일하게 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

전처리 공정을 거친 후 에서 백금 환원반응을 수행하여 탄소나노 튜브상에 매우 균140 ℃

일한 백금입자 분포를 얻었으며 그림 의 는 전처리 후 표면이 매우 깨끗하게 된, < 2-18> (a)

직경의 탄소나노 튜브를 나타내고 있으며 그림 의 는 백금 입자 크기2~50 , < 2-18> (b)㎚

의 분포 이고 탄소나노 튜브 평균입자가 로 균일하게 분산된 백금촉매를 나2~4 , 2.6㎚ ㎚

타내고 있다.

그림 은 탄소나노 튜브와 에 담지된 백금 촉매 전극의 성능 특성< 2-19> XC-72 [62]

산호환원 반응 특성(a) 단전지 성능 특성(b)

- 41 -

탄소나노 튜브로 제작된 공기극의 반응속도와 단전지의 성능이 우수하게 나타남을 알 수 있

다 현재 탄소나노 튜브 사용시 전지 성능의 증가 원인에 대해서는 잘 알려져 있지 않으나.

탄소나노 튜브의 우수한 전기적 특성 특이한 결정구조 및 백금 입자와 탄소나노 튜브 계면,

에서의 개선된 반응 특성 등과 관계가 있는 것으로 판단되고 있다.

일본 는 나노혼으로 만든 전극을 이용하여 미소 연료전지를 개발하였다 이 나노NEC [63].

혼은 탄소나노 튜브의 변형된 형태로 탄소나노 튜브의 발견자인 이지마 그룹에 의해(Iijima)

이루어졌다 또한 일본 소니사 에서도 풀러렌 기술을 도입하여 수분없이 의 출력. [64] 1.2 V

을 갖는 카드모양의 미소 고분자 연료전지를 개발하였다고 보고하였으나 전지성능 특성의,

비교 등에 대한 연구자료는 공개되지 않고 있는 상황이다 고분자 연료전지는 기본적으로.

수분을 함유해야만 전해질이 작동하게 된다.

국내의 기술현황3.

가 분말 제조. Doped ceria

세리아는 반도체 공정의 요소기술인 에 사용하거CMP(chemical mechanical planarization)

나 Sm2O3, Gd2O3, Y2O3와 같은 희토류 원소들을 하여 고체산화물 연료전지의 전해doping

질 등으로 이용된다 한양대학교 에서는 와 을 전. [65] Cerium( ) nitrate Yttrium( ) nitrateⅢ Ⅲ

구체로 공침법을 이용하여 YDC(Ce0.8Y0.2O1.9 를 제조하였고 그 크기는 이다) 10~20 .㎚

- 42 -

또한 각각의 전구체를 로 열처리하여 으로 분석한 결과 열풍건조보다 동결건조800 TEM℃

처리하였을 때 작은 입자를 얻을 수 있다고 보고하였다 그외 한양대학교에서는 고체 전해.

질용으로 나노 세리아에 관련된 연구도 수행하고 있다[66].

등 에서는 와KAIST [67] Cerium( ) nitrate 6-hydrate Gadolinium( ) acetate hydrateⅢ Ⅲ

를 전구체로 화염분무 반응기에서 일어나는 일차 입자 분리현상을 이용하여

GDC(Ce0.8Ga0.2O1.9 를 제조하였다 그림 에서 입자의 크기는 이하로 충분한) . < 2-20> 30 ㎚

결정성을 나타내며 에서600 9.3 X 10℃ -3 의 이온 전도도를 나타낸다고 보고하였다S/cm .

또한 국내의 전자관련 기업에서는 내의 연마재로 나노 세리아 분말의 제조와CMP slurry

분산에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그림< 2-20> Ce0.8Ga0.2O1.9 입자의 이미지TEM [67]

- 43 -

국내의 경우 최근에 나노 전해질의 분말 제조관련 연구가 시작되었으며 선진국과의 기술,

격차가 크지 않기 때문에 이러한 기술 개발들이 성공리에 이루어질 경우 고체산화물 연료전

지의 전해질로 응용이 가능하고 연료전지의 실용화에 크게 이바지할 것으로 판단된다.

나 나노 분말을 이용한 전해질 박막의 제조.

나노분말을 이용하여 박막을 제조할 때 가장 큰 문제는 나노분말의 응집과 수축률에 의한

균열 발생이다 나노 분말을 이용하여 치밀한 미세구조와 높은 소결밀도를 얻기 위해서는.

분산제와 수소이온농도의 조절을 통한 안정한 분산조건을 결정하는 연구가 선행되어야 한

다.

한양대 에서는 음이온 분산제의 첨가와 를 로 조절하여 안정한 서스펜션[65] 1 wt % pH 11

을 제조하였고 슬립캐스팅하여 에서 시간 소결한 결과 의 균일한 결정립, 1400 2 200℃ ㎚

분포와 이상의 소결밀도를 나타내는 치밀한 전해질을 제조하였다고 보고하였다98 % YDC .

에서 단자법을 이용하여 나노 의 이온전도도를 측정KIER 4 YSZ(NexTech materials, Ltd.)

한 결과를 그림 에 나타내었다 나노분말 성형체의 소결시 성형체의 구조가 치밀할< 2-21> .

수록 치밀화가 빨라지며 결정립 성장이 둔화된다 수계 서스펜션을 이용하여 수회 코. YSZ

팅하였을 때 균열이 관찰되었는데 이는 물의 표면장력이 크기 때문에 나타나는 현상으로 1

회 코팅시 코팅층의 구조를 치밀하도록 조절해야 한다 이 결과 에서는 다공성 연료극. KIER

지지체관 위에 층을 코팅한 후 서스펜션을 디핑 코팅한 결과 그림 에NiO-YSZ YSZ < 2-22>

나타낸바와 같이 치밀한 전해질층을 제조할 수 있었다[68].

- 44 -

그림 의 이온전도도< 2-21> 8YSZ (NexTech materials, Ltd.)

그림 전해질의 이미지< 2-22> SEM

- 45 -

다 탄소나노 튜브를 이용한 전극 제조.

국내에서도 탄소나노 튜브 및 탄소나노 섬유상에 백금입자를 담지시켜 저온형 연료전지의

성능 향상을 도모하려는 연구가 한국에너지기술연구원 서울대 광주과기원 등에서 시도되, ,

고 있으며 전지성능 증가 가능성이 보고 되고 있으며 삼성전자 등 관련 기업에서도 연료, ,

전지 관련 연구가 진행되고 것으로 알려져 있다[69-70].

- 46 -

제 장 연료전지 소재 정보 분석3 :

본 장에서는 연료전지중 나노소재인 분리막을 중심으로 특허분석을 행하였으며 연료전지에,

대한 문헌정보분석을 행하였다 이 분석을 통하여 연구개발 현황 및 기술의 발전추이를 알.

아보고자 한다.

특허정보1.

본 동향조사에서는 연료전지기술 안에서 최근 용도의 다양화전개가 진척되어 있는 과, PEFC

에 주목하고 특허출원 동향과 기술개발 정보의 해석에 의해 현상기술의 과제와 금후SOFC ,

진행되어야 할 기술개발의 방향을 추론해 가는 것에 주력 하고자 하였다.

가 특허정보 분석 대상. DB

특허자료의 정보분석을 위한 로는 의 를 이용하였고 국내의DB IBM(www.delphion.com) DB ,

는 특허정보원 과 한국과학기술정보연구원 의 특허DB (www.kifris.or.kr) (www.kisti.re.kr)

를 이용하였다DB .

검색대상 특허자료 중 연료전지 분야에 대한 출원건수는 년대 이후 국내에서 건 미국80 27 ,

에서 건 일본에서 건인 것으로 나타났다265 , 253 .

- 47 -

연료전지는 기술 자체로는 년 영국의 에 의해 그 작동 원리가1838 William Robert Grove

발견된 이래 상당히 오랫동안 잠자고 있다가 화석연료에 의한 환경오염 문제가 전 지구적인

문제로 대두되기 시작한 년대에 들어와서야 활발한 연구 개발이 이루어지게 되었다1980 .

그러나 년대에는 아직도 연구개발 초기단계로서 년대에 들어와서야 관련 특허출원 건80 90

수가 급증하고 있음을 미국과 일본의 특허검색 결과를 통해 알 수 있었다 특히 미국과 일.

본의 경우 년대 후반의 특허 건수가 전체의 이상을 차지하고 있는 것으로 나90 50 60 %∼

타나 이 분야 기술 개발이 성숙단계에 접어들고 있음을 알 수 있었다.

미국과 일본의 경우 년대 들어와서는 특허출원 건수가 다소 주춤한 상태이나 한국의2000

경우는 상대적으로 년대 후반과 특히 년대에 들어서서 특허 건수가 급증하고 있는90 2000

특색을 보여주었다 한 미 일 사이의 특허 출원 건수의 절대비교 결과로는 미국 일본은. · · ·

총 건수에 있어서 비슷한 결과를 나타내고 있으나 한국은 이들 국가의 정도에 불과한10 %

실정으로 이는 역으로 생각하면 앞으로 국내에서의 관련분야 연구 개발 및 출원 건수가 급

증할 수 있음을 기대케 하는 것으로 해석할 수도 있다.

나 특허정보 분석.

본 고에서는 주로 나노소재가 되는 연료전지 전해질 막 을 중심으로 특허분석을 하였다( ) .

- 48 -

국내에서도 연료전지에 대한 연구개발은 삼성전자 한국에너지기술연구원 한국과학, (KIER),

기술연구원 한국가스개발공사 한국전력공사 등에서 꾸준히 이루(KIST), (KOGAS), (KEPCO)

어져왔으며 지금도 연구개발이 활발히 이루어지고 있다 다만 연구개발 성과에 비하여 특, . ,

허출원은 외국과 비교할 때 그다지 활성화되고 있지 않는 것 같으나 차후 많은 특허출원 및

등록이 기대되고 있다.

미국 일본 등 외국의 경우 연구개발 특허출원 분야로는 장치 공정개발 분야가 특허의 많은, / /

부분을 차지하고 있으며 소재 관련 기술도 점점 늘어나고 있는 추세에 있다 향후 국내 연, .

료전지 기술의 활성화와 더불어 원천기술에 해당되는 연료진지 소재 및 기본 구조 공정관,

련 특허 출원이 늘어날 것으로 예상되며 본 장에서는 국내외 연료 전지 특허 기술을 종합,

분석하여 향후 예측되는 연료전지 시장의 국내 전략을 마련하는데 도움이 되고자 하였다.

한국(1)

가 한국의 연도별 특허 동향( )

한국의 연료전지분야 특허동향을 보면 년대 전반까지는 활발한 특허 출원이 보이지 않다90

가 년대 후반과 특히 년대에 들어 급증하는 현상을 보이고 있는 점이 특징이다 이90 2000 .

는 재질관련 특허출원 건수와 기술관련 특허출원 건수 공통 현상으로서 차후 기술개발 및

특허출원 건수 증가에 대한 기대를 밝게 해주는 경향으로 풀이된다.

- 49 -

그림 한국의 연도별 특성별 특허출원 동향< 3-l> /

나 한국의 막재질별 특허 동향( )

연료전지 분야의 나노소재에 대한 기능성 분리막은 복합막이나 금속막은 해당되지 않고 고

분자막과 세라믹막만 해당 된다 그 중에서도 고분자막이 대부분의 출원건수를 차지하는데.

이는 세라믹막은 비교적 연구가 최근에 이루어지고 있는 고체산화물 연료전지 의 전(SOFC)

해질 막으로 사용되고 있기 때문이다.

그림 한국의 연도별 막재질별 특허출원 동향< 3-2> /

- 50 -

다 한국의 출원인별 특허 동향( )

국내의 연료전지 분야 출원인별 특허출원건수 역시 대부분이 년대 후반 특히 년대90 , 2000

가 대부분을 차지하는 것으로 나타났으며 삼성전자가 총 건으로 출원인별 순위 위를 차, 5 1

지하고 있고 한국에너지기술연구원 한국과학기술연구원 등 연구소계통의 특허출원이 활발,

하다 또한 특기할 만한 것으로는 등 외국계 회사나 개인의 국내 특허출원. , Dow Chemical

건수도 늘어나고 있다는 사실로서 이는 한국의 경제규모가 커진데 따른 한국 내에서의 관련

분야 기술선점을 위한 포석으로 간주된다.

그림 한국의 연도별 출원인별 특허출원 동향< 3-3> /

- 51 -

라 한국의 기술별 특허 동향( )

기능성 분리막과 관련된 연료전지분야는 연료전지의 장치 공정 운전과 관련된 기술보다는, ,

막재료 그 자체의 재질이나 제조방법과 관련된 특허가 많이 출원되는 것이 바람직하나 실제

검색 결과로는 그렇지 못하여 장치관련과 공정개발 운전기술 부문이 거의 를 차, 70 80%∼

지하고 있다 이는 이나 의 막재료 개발이나 개발된 막재료의 향상 혹은 응용. PEMFC SOFC

이 매우 용이하지 않음을 반증하는 것이기도 하다.

그림 한국의 연도별 기술별 특허출원 동향< 3-4> /

마 한국의 막종류별 특허 동향( )

국내의 연료전지 막종류별 특허건수는 거의 대부분 이상 이 에 사용되는 이온(90 % ) PEMFC

교환막인 것으로 나타났으며 에 사용되는 이온전도막에 대한 특허건수는 미만SOFC 10 %

으로 나타났다.

- 52 -

그림 한국의 연도별 막종류별 특허출원 동향< 3-5> /

이는 에 대한 연구개발은 년대 이후 자동차용으로 활용하기 위해 경량PEMFC 90 portable, ,

소형 한 연료전지 개발과 맞물려 전성기를 구가하고 있는데 비해 형 연료전, compact SOFC

지는 무엇보다도 고온 에서 작동하여야만 하므로 복합발전이나 열병합발전용을 염(1000 )℃

두에 두고 비교적 근래에 연구가 이루어지고 있는 점이 가장 큰 원인이다.

미국(2)

가 미국의 연도별 특허 동향( )

미국 역시 년대에는 재질 관련 기술 관련 등 많은 특허건수를 보이지 않다가 년대 전80 , 90

반과 특히 년대 후반에 들어 급격한 증가세를 나타내었는데 년대의 특허건수가 전체90 90

특허건수의 이상을 차지하고 있다 년대에 대한 특허 검색결과는 아직 특허건수90 % . 2000

가 많지 않은 것으로 나타났으나 아직 년대의 초반이므로 앞으로 수년간 신기술 공정, 2000 ( )

을 중심으로 많은 특허가 이루어질 것으로 예측된다.

- 53 -

그림 미국의 연도별 특성별 특허 동향< 3-6> /

나 미국의 막재질별 특허 동향( )

고분자 이온교환막을 사용하는 연료전지 와 관련된 특허건수가 전체 막재질별 특허(PEMFC)

건수의 를 차지하는 것으로 나타났으며 나머지 는 세라믹 막을 사용하는 연료전지95 % 5 %

와 관련되어 있다 이는 앞에서 설명한대로 는 연구 개발이 근래에 시작 된 점(SOFC) . SOFC

과 고온용으로서 규모가 큰 대용량 발전용으로 용도가 맞추어져 있는 점 때문으로 풀이된

다.

그림 미국의 연도별 막재질별 특허 동향< 3-7> /

- 54 -

다 미국의 출원인별 특허 동향( )

가 건으로 미국 전체 특허건수의 이상을 차지하는 동Ballard Power Systems Inc. 29 10 %

시에 특허순위 위를 차지하고 있고 이 건으로 위1 , E. I. Du Pont 17 2 , International Fuel

이 건으로 위를 차지하고 있다 이들 역시 년대 후반에 가장 많은 특허건Cells Corp. 8 3 . 90

수를 기록하고 있다.

그림 미국의 연도별 출원인별 특허 동향< 3-8> /

라 미국의 기술별 특허 동향( )

미국 역시 막재료 제조방법과 관련된 특허보다는 연료전지의 장치 공정 운전 기술과 관련, ,

된 특허가 훨씬 더 많은데 막재료 제조방법과 관련된 특허가 미만 건 인데 비하여, 5 % (12 )

장치관련 특허는 건 공정개발 분야는 건 운전기술 분야는40 %(109 ), 42 %(114 ), 13%(34

건 에 달하는 것으로 검색되었다) .

- 55 -

그림 미국의 연도별 기술별 특허 동향< 3-9> /

마 미국의 막종류별 특허 동향( )

미국 역시 용 이온교환막과 관련된 특허건수가 용 이온전도막과 관련된 특허PEMFC SOFC

건수보다 월등히 많은 것으로 나타났는데 이는 앞의 재질별 특허건수 동향과 일치한다, .

그림 미국의 연도별 막종류별 특허 동향< 3-10> /

- 56 -

검색 결과 년대 후반의 용 이온교환막의 특허건수가 막종류별 전체 특허건수의90 PEMFC

이상을 차지하고 있는 것으로 나타났다60 % .

일본(3)

가 일본의 연도별 특허 동향( )

일본의 연도별 특허동향 역시 년대 전반과 후반에 집중되어 있으며 이러한 경향은 미국90

의 경우와 비슷하다 그러나 미국의 경우에 비하여 일본은 년대 전 후반을 통하여서도. 80 ·

꾸준히 특허출원이 이루어져 왔으며 특히 년대에 들어와서도 상당한 특허출원이 이루2000

어지고 있음이 관찰되는데 이는 미국의 경우와 구분되는 점으로 볼 수 있다 재질관련과 기.

술관련의 특허건수 동향은 각 구분시기마다 상당히 유사한 경향을 나타내고 있는 점도 특이

하다.

그림 일본의 연도별 특성별 특허출원 동향< 3-11> /

- 57 -

나 일본의 막재질별 특허 동향( )

일본의 경우도 미국의 경우와 유사하게 고분자 재질과 관련된 연료전지 특허출원이 전체 특

허출원의 이상을 차지하는 것으로 나타났으며 세라믹 재질의 연료전지 특허출원은97 %

전체의 에도 미치지 못하는 것으로 나타났다 이는 앞의 한국 미국의 경우와 유사한3 % . ,

이유 때문으로 풀이된다.

그림 일본의 연도별 막재질별 특허출원 동향< 3-12> /

다 일본의 출원인별 특허 동향( )

가 이분야 출원인별 특허 순위 위 건 로서 점유율 를Mitsubishi Heavy Ind. Ltd. 1 (18 ) 7 %

나타내고 있고 가 위 건 가 위 건 를, Honda Motor Co. Ltd. 2 (15 ), Fuji Electric Co. Ltd. 3 (12 )

차지하고 있다 이들은 출원 연대별로도 년대 전반 이후 비교적 고른 분포를 보이고 있어. 90

이들 회사 연구진들의 꾸준한 연구결과를 나타내고 있는 것으로 풀이된다.

- 58 -

그림 일본의 연도별 출원인별 특허출원 동향< 3-13> /

라 일본의 기술별 특허 동향( )

일본 역시 미국의 경우와 마찬가지로 막재료 제조방법과 관련된 특허출원 건 점유율(19 , 7

보다는 장치관련 공정개발 운전기술과 관련된 특허출원건수 건 점유율 가 대%) , , (240 , 93 %)

부분을 차지한다.

그러나 내부적으로 볼 때 미국의 경우 장치관련 특허건수 가 공정개발 특허건수(40 %) (42

보다 적은 것에 비하여 일본의 장치관련 특허출원 은 공정개발 특허출원 보%) (47 %) (35 %)

다 이상 더 출원된 점이 미국의 경우와 구별되는 점이다10 % .

마 일본의 막종류별 특허 동향( )

일본의 막종류별 특허출원건수 역시 미국 한국의 경우와 유사한 결과를 나타내고 있다 일, .

본의 경우도 역시 한국 미국의 경우와 동일한 이유로 이온교환막 연료전지의 특허출원건수,

가 이온전도막 연료전지의 특허출원건수보다 월등히 많은 것으로 나타난다.

- 59 -

그림 일본의 연도별 기술별 특허출원 동향< 3-14> /

그림 일본의 연도별 막종류별 특허출원 동향< 3-15> /

다 일본특허 로 본 의 특징. (Patolis) SOFC

의 요소기술에 대한 출원 상황(1) SOFC

에 관한 일본국내 특허의 요소기술별 출원 상황 을 그림 에 나타내었다SOFC [71] < 3-16> .

- 60 -

그림 의 요소기술별 출원 상황 검색< 3-16> SOFC ( DB : PATOLIS)

출원된 특허의 내용은 셀 에 관한 것이 약 에 관한 것이 약 이며 셀(cell) 49%, stack 31% ,

과 의 관계만으로 약 를 차지하고 있다 의 실용화를 꾀하기 위해서는(cell) stack 80% . SOFC ,

시스템 이나 운전제어 등 특허출원으로 그다지 주력되지 않고 있는 기술에 대해서(system) ,

도 개발을 진척시켜 갈 필요가 있다고 생각된다.

의 셀 구조로서는 평판형상의 단 셀 을 포갠 평판형과 다공질 원통 지지관SOFC (cell) (cell)

위에 전극 전해질 인터 코넥터 를 형성한 원통형이 대표적인 것이지만· · (inter)· (connector) ,

기본구조는 년대부터 년대에 걸쳐서 구미 기업에 의해 개발되었다 년대부터1960 1970 . 1980

는 미국 일본을 중심으로 새로운 형태의 개발이 진척되어 년대에 들어서, SOFC ,1990 SOFC

에 관한 특허의 출원 수는 급증했다.

의 저온동작화 기술(2) SOFC

현재의 는 가까운 고온으로 운전을 행하기 때문에 히트쇼크 에SOFC 1000 (heat shock)℃

의한 부재료의 파손이나 고열에 의한 구성부 재료의 열화에 대한 문제가 지적되어 있다 고.

온에서의 내구성이 높은 재료를 사용하지 않으면 안되기 때문에 재료 가격 이 높아지(cost)

는 결점도 있다.

- 61 -

따라서 작동온도의 저하는 구성부 재료의 장수명화 및 저가격 화에 연결되고, SOFC , (cost) ,

실용화를 위한 중요한 열쇠가 된다 동작 온도의 저온화에 관한 특허는SOFC . SOFC 1990

년 이후 출원수가 크게 늘어나고 있다.

동작 온도의 저온화를 달성하기 위해서는 구성부 재료의 저온에 대한 전기 전도도를SOFC

향상시키는 것이 큰 기술과제가 된다 이 과제에 영향을 미치는 요소기술로서는 전해질재. ,

료 재료 전해질재료가 중요하다, inter, connector, separator , .

요소기술에 관한 특허출원 동향을 아래에 설명하였다.

가 전해질재료( )

의 저온동작화를 위해 종래에 주로 쓰이던 이트리아 안정화 지르코니아 보다SOFC (zirconia)

도 높은 이온 전기 전도율을 나타내는 세리아계 산화물 스칸디아 안정화 지르코니아(ion) ,

란탄갈륨계산화물 등에 관한 연구 개발이 진척되어 있다(zirconia), .

그림 전해질의 고이온 전기 전도화에 따른 특허출원의 변천을 보인 것이다< 3-17> .

동작 온도는 에서 이용할 수 있는 전해질재료 및 제조기술이 기대되고 있다500 700 .∼ ℃

나 인터 코넥터 세퍼레이터 재료( ) (inter) (connector) (separator)

인터 코넥터 재료로서는 크게 나누어 란탄크로마이트를 주성분이라고 한(inter) (connector)

산화물계의 재료와 계 계의 합금계의 재료가 검토되어 있다 란탄크로마이트계Ni-Cr , Fe-Cr .

의 재료는 세라믹스 이며 부근의 고온에 있어서의 내구성이 뛰어나고 있(ceramics) 1000 ℃

다.

- 62 -

그림 전해질의 고이온 전기 전도화에 관한 기술변천 검색< 3-17> (ion) ( DB : PATOLIS)

한편 동작 온도가 부근까지 저하하면 지금까지 사용할 수 없었던 새로운 합금계 재, 700 ,℃

료가 인터 코넥터 에 사용되게 될 가능성이 있어 의 제조 가격(inter) (connector) , SOFC

을 대폭 절감할 수 있을 가능성이 있다(cost) .

니켈 크롬 계 합금 철 크롬 계 합금이 그 후보재료로서 검토되고 있다(Ni)- (Cr) , (Fe)- (Cr) .

다 집전체재료( )

의 경우 집전체용 재료로서는 인터 코넥터 에 쓸 수 있는 산화물계SOFC , , (inter) (connector)

및 합금계 재료가 병용되어 있는 케이스 가 대부분이다(case) .

- 63 -

평판형 에서는 인터 코넥터 재료인 란탄크로마이트를 채용하는 케SOFC (inter) (connector)

이스 가 많지만 탄력성이 있는 전기 전도성 펠트 재료를 이용하고 고온열처리에(case) , (felt) ,

발생하는 재료의 열팽창율 차이에 의한 뒤틀림을 완화하는 기술도 제안되어 있다.

의 기술 개발 과제(3) SOFC

의 특허출원으로부터 향후 개발과제는 운전 온도의 저온화 새로운 고이온 전SOFC , (ion)ⓛ

기 전도성 전해질재료의 개발 전해질 박막화 기술의 개발 연료전지 시스템 의 저, (system)②

가격화 습식법에 의한 제조 방법의 개발 및 재료제조 프로세스의 개량 기동 정지시의 온, ③

도변화에게 대한 내열충격성 연료전지 개발 재료의 열팽창율 매칭 및 구조 등이(matching)

다.

특히 원통형에 있어서는 습식법에 의한 저렴한 셀 의 제작이 평판형에서는 열 사이클(cell) ,

에 견딜 수 있는 셀 구조와 재료의 개발 및 씰 기술의 개발이 증요하다고(cycle) (cell) (Seal)

생각된다.

라 핵심기술의 현황분석.

연료전지 분야에서 기능성 분리막과 관련된 핵심기술은 고체고분자전해질 연료전지

의 핵심부분인 이온교환막 양이온 교환막 과 고체산화물 연료전지 의 핵심(PEMFC) ( ) (SOFC)

부분인 이온전도막의 개발 및 제조방법이다.

- 64 -

이와 관련하여 해외기술개발 동향을 보면 고체고분자 전해질 연료전지의 경우 미국 일본,

등 해외 기술선진국들의 이온 교환막 그 자체의 연구개발 및 제조공정 특허건수는 그다지

많지 않으나 년대보다는 년대 후반 및 년대에 들어와서 오히려 연구 개발이1980 1990 2000

활발해지는 경향을 보이고 있다 이는 년대 후반을 정점으로 년대에는 오히려 특. 1990 2000

허건수가 감소하고 있는 것으로 보이는 연료전지 장치 공정 개발 분야와는 좀 다른 패턴을/

보여주고 있는 것 같다.

의 경우는 에 비하여 여러 가지 난점으로 그 동안 기술개발이 활발하지 못했SOFC PEMFC

으나 근래 들어 점점 기술개발이 활성화되고 있는 중이다 한편 국내에서도 와. PEMFC

의 이온 전도막 개발및 제조공정과 관련하여 한국에너지기술연구원 을 중심으로SOFC (KIER)

활발한 연구개발이 수행되고 있다.

문헌정보2.

가 문헌정보 분석 대상. DB

문헌자료의 정보분석을 위한 로 한국과학기술정보연구원 에서 제공하고DB (www.kisti.re.kr)

있는 를 선택하였다 는 공학분야의 국제적인 출판사인Compendex . C0MP Engineering

의 지를 컴퓨터 가독형으로 만들어Information Inc. The Engineering Index Monthly(Ei)

데이터베이스화한 것이다.

- 65 -

표 문헌정보 대상< 3-1> DB

명DB 수록내용 검색건수

COMP 세계 여 개국에서 수집된 공학전반 및 응용과학분야의40 DB 704

나 문헌정보 분석.

문헌 정보의 검색은 고체산화물 전해질 연료전지 로 하였다 그림and and or SOFC? . <

는 에서 검색된 관련 문헌의 연도별 수록건수와 누적 건수를 나타내었다3-18> COMP .

검색 대상 기간은 년부터 하였으나 거의 수년에 건 정도로 검색되었으며 년 이1976 1 , 1987

후부터 수건의 문헌이 검색되어 년까지 건이 검색되었다 년 이전까지는 미미2002 704 . 1990

한 증가세가 나타나고 있으며 년 이후에 비로써 환경 및 에너지에 대한 관심이 고조, 1990

되면서 급격하게 증가하기 시작하였다.

그림 연도별 문헌 건수< 3-18>

- 66 -

년 피크를 보이다가 년에 잠시 주춤하였으며 년부터 년 현재까지 꾸준1997 1998 , 1999 2002

한 연구개발이 이루어지고 있음을 알 수 있다.

고체산화물 연료전지의 문헌은 년에 건이었지만 년 이후에는 한 해 건을 넘1987 4 1997 100

어서면서 본격적인 에너지 개발에 대한 관심을 보이고 있는 것으로 나타났다.

그림 는 고체산화물 전해질 연료전지의 문헌정보에 대한 국가별 연구추이이다 대부< 3-19> .

분의 환경 및 에너지 기술에 대한 연구에서처럼 일본과 미국이 대부분을 차지하고 있으며,

독일 영국 등이 그 뒤를 잇고 있다 최근에는 일본 및 미국에서 주춤하고 있는데 이는 연, .

료전지의 비용이 아직 기존의 연료에 비해 배정도 많이 소요되기 때문에 상업화로의3 5∼

기간을 년 정도 내다보고 있으며 특허출원의 경향과도 일치하고 있다 반면 독일이나5 10 , .∼

영국 등은 분야에 집중 연구개발투자를 하고 있으며 중국과 한국에서도 비약적인 발전을,

이루고 있다.

그림 문헌정보 국가별분석< 3-19>

- 67 -

그림 은 문헌정보로서 고체산화물 전해질 연료전지의 국가비율을 나타내었다 미국< 3-20> .

과 일본이 로 주도하고 있으며 주요국인미국 일본 독일 영국이 를 차지하고 있71% , , , , 84%

어 본 기술은 선진국 주도형 기술분야임을 알 수 있다 최근 년 년에 들어서 독. 2001 2002

일과 영국 중국 한국 등이 이 분야에 집중적으로 연구개발을 추진하고 있는 것으로 나타, ,

났다.

그림 문헌정보 국가비율< 3-20>

표 문헌분석 분류처리 코드< 3-2>

구분 분야 수록내용

A Application 물리적효과 방법 장치 등의 실제

B Bibligoraphy 문헌의 도서목록

C Commercial 가격개발 등에 대한 예측

G General Review or State of the Art

N News 새로운 효과 장치기술,

P Practical 직접적인 실제사용

T Theoretical 이론적 수학적 방법으로 처리,

X Experimental 실험방법 관찰 등의 결과에 관한 사항,

- 68 -

그림 문헌분석 분류처리구분< 3-21>

그림 는 고체산화물 연료전지의 문헌분석에 대한 분류처리구분도 이다 년 이< 3-21> . 1990

후에는 분야인 실험 방법 및 관찰 등의 결과에 대한 사항이 주류를 이루었으며 이론적이X ,

고 수학적인 계산에 관한 문헌인 분야가 다음을 차지하고 있다 년 들어 수학적이TX . 2002

고 이론적인 문헌이 증가하고 있는 추세를 나타내고 있는데 이는 실험결과가 큰 진전이 없

거나 가상 실험에 대한 이론적인 체계를 갖추기 위한 것으로 나타나고 있다 그러나 아직.

기술이 상용화하기에는 경제적 문제점들을 내포하고 있어 후자에 비중을 더 두고 있다 차.

후에는 또 응용기술 분야에도 비율이 증가할 것으로 판단된다.

그림 은 고체산화물 전해질 연료전지에 관한 문헌이 게재된 잡지의 연도별 추이분< 3-22>

석이다 가장 많은 문헌이 개재된 잡지는 이었으며 다음으로. Solid State Ionics , Journal

이었다 또한 와 소재분야of the Electrochemical Society . Journal of the Power Sources

전문 잡지인 에도 최근 많이 실리고 있다Journal of the Materials Science .

- 69 -

다음으로는 일본의 소재 전문지인 에 실렸다 일본Journal of the Japan Ceramic Society .

과 미국의 경우 최근에 이에 대한 연구가 미진하였는데 이에 대한 자국의 문헌게재도 감소

한 것으로 알 수 있다 문헌은 년 이후에 증가 추세이나 미국과 일본은 감소하는 반면. 1998 ,

독일과 영국 중국 한국 등에서는 증가 추세에 있다, , .

그림 연도별 문헌종류 추이 분석< 3-22>

그림 연도별 문헌형태 추이분석< 3-23>

- 70 -

그림 은 연도별 문헌 형태 추이에 대한 것이다 대부분 이었으며 컨< 3-23> . Journal Article ,

퍼런스가 그 다음을 차지하였다 년 전후에 컨퍼런스의 양이 증가하다가 년부터. 1990 1998

년 사이에 급격히 감소하였다 이 기간동안 미국 및 일본에서의 컨퍼런스가 대부분 감2001 .

소한 것으로 판단된다.

그림 는 고체산화물 연료전지를 연구하는 연구기관의 연도별 국별 연구기관을 나타< 3-24>

낸 것이다 가장 많은 문헌을 낸 곳은 뉴질랜드의 대학과 덴마크의. waikato Hamilton Rio

이며 년대 이후에 집중적인 연구개발 활동을 하고 있다 슬로베니아의National Lab , 1990 .

대학과 영국의 왕립런던 대학이 뒤를 잇고 있으며 꾸준한 연구 활동을 하고 있Ljubljana ,

다 일본의 대학과 대학에서 활발한 연구가 계속 되고 있는 실정이나 최근 일본의. Oita Mie

문헌이 감소 된 것을 알 수 있다.

그림 는 고체산화물 연료전지를 연구하며 에 게재한 연구기관과 기관이 속해< 3-25> COMP

있는 국가의 비율을 나타낸 것이다.

그림 연도별 국별 연구기관 분석 상위 개 기관< 3-24> ( 10 )

- 71 -

그림 연구기관 및 국가비율 상위 개 기관< 3-25> ( 10 )

뉴질랜드의 대학이 건으로 덴마크의 이 건waikato Hamilton 14 16%, Rio National Lab 14

으로 이며 대학이 건으로 영국의 왕립런던 대학이 건으로 를16% , Ljubljana 11 13%, 9 11%

차지하고 있다 일본의 대학이 건으로 대학이 건으로 이었다 슬로베. Oita 8 9%, Mie 7 8% .

니아의 가 건으로 일본의 대학이 건으로Jozef stefan Institute Ljubljana 7 8%, Nagoya 6

독일의 가 건으로 네덜란드의 기술대학이 건7%, Forschungszentrum Juelich 6 7%, Delf 6

으로 를 차지하고 있다7% .

국내의 경우는 연구를 하고 있는 곳은 많으나 한해에 한 개의 기관에서 건 정도밖에 문1-2

헌이 게재되지 않았고 타 저널에도 게재되어 위안에 들지 못한 것으로 나타났다, 20 .

그림 은 고체산화물 연료전지 문헌의 상위 위에 대한 연도별 저자 추이를 나타낸< 3-26> 10

것이다 년 이후에 집중적으로 연구한 저자들이 대부분 이었으며 년 이후에 급격. 1994 , 1999

하게 증가하고 있다 이들 대부분은 독일을 비롯한 유럽계이다 일본의 의 경우. . Yamamoto

년까지는 왕성한 연구 활동을 하였지만 년부터는 이에 대한문헌이 없어 현재의1998 1999

연구가 중단된 것이 아닌가 생각된다.

- 72 -

그림 연도별 저자 추이< 3-26>

그림 은 문헌이 게재된 저자의 건수 및 비율을 나타낸 것이다 이< 3-27> . Sammes N.M. 13

건으로 이 건으로 이 건으로 이 건14%, Stoever D. 11 11%, Hrovat M. 11 11%, Holc J. 11

으로 가 건으로 이 건으로 가11%, Yamamoto O. 9 9%, Steele B.C.H. 9 9%, Hrovat Marko

건으로 가 건으로 가 건으로 가 건으로9 9%, Holc Janez 9 9%, Hilpert K 9 9%, Bernik S. 8

순이었다8% .

하지만 이들 대부분 건에서 건 사이로 큰 차이를 나타내고 있지는 않다 국내에서는 대8 13 .

부분 건 이내로 위 범위 밖이지만 현재의 연구개발 투자 환경을 좀 더 개선한다면 수5 20

년 내에 상위 클라스에 들어갈 수 있다고 판단된다.

- 73 -

그림 문헌 게재된 저자의 건수 및 비율 상위 명< 3-27> ( 10 )

그림 은 연도별 저자수의 추이를 나타낸 것이다 이 분야에 대한 연구개발이 포물선< 3-28> .

으로 증가하고 있음을 나타내고 있으며 년 약 여명에서 년 현재 약 여, 1999 300 2002 350

명의 연구자가 이 분야에 대하여 꾸준히 연구개발 하고 있는 것으로 나타났다 특히. 1999

년 이후 약 건 내외의 문헌이 게재된다고 가정하면 연구팀은 여명의 연구원이100 350 100

여건의 문헌을 게재하고 있으며 연구팀은 보통 명 정도의 팀을 구성하고 있는 것으로 나3.5

타났다.

그림 연도별 저자수 추이< 3-28>

- 74 -

제 장 해외 기술개발 및 시장 동향 분석4 :

해외 기술개발 동향1.

연료전지는 화석연료로부터 전기를 생산하지만 연료를 태우거나 공해물질을 배출하지 않는

다 그러나 아직 연료전지의 상업화는 성공적으로 이루어지지 않고 있다 이에 대한 부분적. , .

인 이유는 연료전지가 싣고 다니기에 쉽지 않고 위험한 수소를 연료로 사용하거나 아니면,

매우 고온에서 작동하기 때문이다.

그러나 싸이언스 저널 최신호에 연료로서 에탄과 같은 탄화수소를 사용하면서도 운전온도,

는 기존의 시스템 중 가장 낮은 것보다 나 낮은 새로운 전지 시스템이 보고되었다100 .℃

연료전지는 배터리와 유사하게 작동한다 연료전지 내부에는 세라믹 박막이 있어 음전극.

과 양전극 이 서로 분리되어있다 음극은 산소 분자에 전자를 공급하고 그(cathode) (anode) .

결과 생성된 산소 음이온은 박막을 통과하여 양극으로 향한다 양극에서 산소 이온은 탄화.

수소를 물과 이산화탄소로 분해하여 이 과정에서 전기가 발생한다 탄화수소를 연료로 사용.

하려는 여러 연료전지 시스템에 있어 이 양극에서 일어나는 과정은 순조로운 과정이 아니

다.

왜냐하면 양극은 자주 탄소 원자를 결합시켜 검댕 을 형성해 결과적으로 전지의 작동(soot)

을 정지시킨다.

- 75 -

전지를 약 이하에서 작동시키면 검댕이 쌓이는 것을 방지할 수 있다 그러나 이때800 .℃

본질적인문제가 있는데 지르코늄 에 기초한 전형적인 박막은 이온수송이 이루어, (zirconium)

지기 위해 가까운 온도를 필요로 한다1,000 .℃

일본 나고야에 위치한 국립산업연구원의 다카시 히비노 연구팀은 이문제의 해결을 위해 더

낮은 온도에서도 이온의 통과가 가능한 세륨 이산화탄소 박막을 지닌 연료전지를 디자인하-

였다 박막의 한 쪽은 양극인 니켈로 처리되어 있고 다른 쪽은 음극으로서 사마리움.

스트론튬 코발트 산소의 세라믹 복합재이다 하나의 챔버 에 이 웨(samarium), , , . (chamber)

이퍼 하나가 놓이고 챔버 내에 탄화수소와 공기의 혼합물이 주입된다 박막의 조성과 전지.

의 구성으로 인해 이 전지는 에서도 작동한다 이는 기존 전지의 작동가능 온도가500 .℃

이므로 이 보다 약 낮은 것이다 보다 낮은 온도에서 작동하는 연료전지가600 100 .℃ ℃

개발됨으로써 엔지니어들은 연료전지의 부품을 값비싼 내열성 합금 대신 강철로 제작하여

세라믹 전지의 가격을 대폭 낮출 수 있을 것이다.

그러나 퍼시픽웨스트 국립연구소의 연료전지연구팀에서는 이 새로운 디자인이 산업적으로,

이용되려면 수년의 기간이 더 소요될 것이라고 예측하고 있다.

고체산화물전해질 연료전지 는 고온인 로 작동하기 때문에 콘바인드(SOFC) 1,000 Level℃

사이클의 형성에서 에 도달하는 고 발전효율을 달성했던 점등을 볼 때 엄청난70%(HHV)

매력을 가지고 있다.

현재 사 제품의 수백 급 원통형 시스템의 실제연구가 유럽과 미국에서 권장되어WH W SOFC

진행되고 있다 는 와 나란히 석화가스로부터 적절하게 발전해서 자국에도 전. SOFC MCFC ,

원개발 등 전력회사에 따라 독자개발이 진행되고 있지만 최근 다른 지역에서 Micron Gas

의 발전을 하고 있어 비교적 소용량의 초고효율 발전의 기대가 높아가고 있으며 금tubing , ,

후 새로운 발전이 가속될 것으로 생각된다.

- 76 -

일본의 미쯔비시 중공업은 이와타니 가스화복합발전 과 를 조합시킨 고효율발전(IGCC) SOFC

시스템의 실용화를 향한 연구개발을 해 오고 있다 년부터 전원개발과 공동으로 원통형. 89

모쥴 또 년부터는 중부전력과 공동으로 일체적층형 의 개발을 진행하고 있SOFC , 90 SOFC

으며 수십 급 모쥴의 구조 급 발전의 시스템 기술 급 모쥴에의 스캐일을 업그, , 100 ,㎾ ㎾ ㎿

레이드하는 기술을 확립하고 전력사업용 복합발전 플랜트의 실제품에 대한 상용화의, SOFC

추진을 희망하고 있다 이제 이 시스템이 실현된다면 와의 조합에 있어서는 의 효. IGCC 55%

율을 또 천연 가스를 제공하는 가스 터빈과의 조합에서는 발전효율을 얻어질 것으로65%

기대되고 있다.

또한 유럽에서도 실증 플랜트의 개발이 큰 연료전지에 대한실용화의 공적을 보이고SOFC

있다 개의 프로젝트가 정상에 올라와 있고 그 중에 개는 유럽에서 다른 하나는 미국에. 3 , 2

서 계획 및 진행되고 있다 더우기 이 개는 가스 터빈과 콘바인드 사이클을 지향하고 있. 2

다 또 누구도 공식적으로 말하지 않았지만 번째 프로젝트는 남독일에서 준비되고 있을 것. 4

으로 전해지고 있다.

유럽에서 제 의 프로젝트는 대표적인 독일 전력사업자 중 하나인 에 의한 것1 "RWE Energie"

으로 년 월에 공표된 출력 의 플랜트이다 는99 7 300 SOFC/GT . RWE㎾

와 공동으로 국제 콘소시엄을 조직하고 있고 동사 스폭스맨 콘소Siemens-Westinghouse ,

시엄은 년 가을에 발족하였고 플랜트 계획은 년에 시작되었다 는 이99 , SOFC 2000 . RWE

기술이 시장에서 주고받을 수 있는 충분한 레벨에 도달하기까지는 년 이 필요하지만5 10∼

이 후 시장점유율은 에 달할 것으로 내다보고 있다10% .

- 77 -

천연가스를 연료로 한 출력 이 의250 Unit University of Carifornia National Fuel Cell㎾

에서 진행되고 있다 대학연구자와Research Center, Irvine . Edison Technology Solutions

는 년 월에 시스템의 건설이 시작되었다 발전효율 를 상정 상업기반으로 비용2000 1 . 60% ,

목표는 에 두고 있다 연료전지에서 배열은 터빈에 의해 도입되고 터빈출$1,000 1,500/ . ,∼ ㎾

력은 공기압축용 마이크로 콘프레셔 및 발전기의 구동에 의해 소비된다.

유럽에서는 과 가 년 월에 새로운 타입의 플랜트의 개Shell Hydrogen Siemens 99 7 SOFC

발과 시장개척을 목적으로 한 프로젝트 계획을 발표했다 이 플랜트는 이 개발한. Shell CO2

의 격리기술 을 마련하였고 공기중에(carbon dioxide sequestration technology) Green

를 모두배출하지 않는 점에 특징을 가지고 있다 격리된Gas . CO2는 공기가 되어 석유 및 가

스 저장층에 도입된다.

이와 같이 고체산화물 연료전지에 대한 기술은 세계 여러 나라에서 계속 진행되어 가고 있

다 그러나 아직은 실용화에는 많은 문제점이 내포되어 있으며 문제점을 해결하는데 수년이.

걸릴 수도 있다 그리고 해결되어야만 하는 과제이기 때문에 더욱 절실한 마음으로 연구에.

몰두하고 있다.

- 78 -

그림 발전용 연료전지 세계시장 규모< 4-1>

국내시장의 경우 한국전력의 분석 자료에 따르면 발전용의 경우 자가발전 설비 노후 화력, ,

대체 및 기력 발전 설비를 대체하는 경우 자가발전설비 및 기력설비는 각각 와 노후 화, 1%

력 설비의 를 연료전지 설비로 대체가 가능하다면 년까지 약 정도로 추10% 2010 1,500 ㎿

정하고 있다[73].

고체산화물 연료전지 발전시스템에 있어서 가장 큰 장애 요인은 가격이다.

사 는 현재 제조단가가 당 에서 소재 및 제조공정Siemens-Westinghouse [74] 100,000$㎾

개선을 통하여 기존 가스터빈과 같은 발전 시스템과 경쟁할 수 있는 수준인 당 로1500$㎾

제조원가를 시도중이며 최종 목표가격을 목표로 연구가 진행되고 있으며 그림, 400 $/ (<㎾

유럽에서는 시간 이상의 수명을 목표로 연구되어지고 있다4-2>), 1,000 $/ , 40,000 .㎾

일본에서도 연료전지에 대한 목표가격을 제시하였는데 현시점에서의 정치형 연료전지에 의

한 발전 가격 은 종래의 화력발전 가격 에 비교해서 비교적 값이 비싼 것이 되고(cost) (cost)

있어 연료전지가 본격적으로 시장에 투입되기 위해서는 종래의 발전 시스템 에 벗, (system)

어날 수 있는 전지가격 설정이 필요하다.

- 79 -

그림 고체산화물 연료전지 시스템 가격예측 전망< 4-2>

표 년의 연료전지 목표가격< 4-1> 2006

연료전지형식

가격

현재가격 본체가격( ) 출처목표가격년 본체가격2006 ( )

출처

PAFC 만엔40~80 /㎾ 1) 만엔30 /㎾ 2)

MCFC 만엔180~300 /㎾ 3) 100* 만엔/㎾ 3)

정치형SOFC( ) 수천 수만~ $/㎾ 4) 1000~1500 $/㎾ 5)

가정용PEFC( ) 수백 만엔/㎾ 6) 만엔30~50 /㎾ 6)

자동차용PEFC( ) 수백 만엔/㎾ 6) 만엔0.5 /㎾ 6)

제 회 종합 에너지 조사회 새에너지 부회 새에너지의 잠재성과 경제성1) 2 · , ' '2000.1.27.2)주 일본전기공업회 연료전지의 도입 촉진과 실용화 개발에 관한 보고서2) ( ) ,‘ ' 1999.제 회 세미나3) 28 MCFC , 1998.2.자료간의 차이가 커서 범위를 특별히 지정할 수 없음4)

5) Hydrogen & Fuel Cell Letter. August 1999. Vol. XIV. No8. p1, p8-9연료전지실용화 전략연구회 제 회 연구회 보고서6) 9 , 2001.1.22

주)* 의 제작 가격MCFC stack

- 80 -

그림 고체산화물 연료전지의 당 비용추이< 4-3> ㎾

더욱 자동차 연료전지의 적용에 관해서는 현행 기술과의 대체를 위해서는 대해1 5,000㎾

엔이라고 하는 가격수준이 요구되고 있어 연료전지제조 기술의 대폭적인 혁신이 필요하다, .

특히 연료전지 시장은 및 를 선도로 하여 년 에서, Portable RPG 2000 10 billion USD 2010

년경 전 세계적으로 약 조원 의 규모에 달할 것으로 예측하고 있으며USD 100 billion(120 )

고효율 고청정의 고체산화물 연료전지의 경우 저가의 제조공정 확립과 높은 발전효[75], , ,

율 시스템 특히 연료인 수소를 대량 생산할 수 있는 값싼 기술이 개발되면 그 시장규모는,

기하 급수적으로 증가될 것으로 예상되어 진다 그림(< 4-4>).

현재의 기술 개발 속도로 보아 년 이내에는 급 고체산화물 연료전지 발전시스템이2005 ㎿

실용화될 것으로 판단되며 미국은 자체 기술을 확보하고 있기 때문에 기술적인 우위를 강,

점으로 내세워 일본 독일 등으로부터 투자유치를 본격화하고 있다, .

- 81 -

표 고체산화물 연료전지의 응용영역< 4-2>

구분 응용영역

대형(250 ~ )㎾ ㎿ Large Scale Power generation system

중형(25 250 )㎾ ㎿자동차용

발전용On-Site

소형 수십( W 25 )㎾RPG, "Portable"

레저용 이동방송 장비용군사통신용 자판기용 전원( , , , , )

초소형 수십(< W) Cellular Phone, Lap-top PC

그림 사가 예측한 분야별 연료전지 세계시장< 4-4> Business Communication Company

규모

- 82 -

표 연료전지 시장규모< 4-3>

연료전지형식 시장규모 년(1999 ) 시장규모예측 년(2005 )

일본 북미 구미 일본 북미 구미

PAFC 10.4

23.0 -23.0(PAFC~SOFC)

24.745.5(PAFC~SOFC)

MCFC

-

90.7

SOFC 40.0

PEFC 30.0 194.9 27.3

출처 주 일본전기공업회 년도 연료전지 생산량 통계 조사보고 연료전( ) : ( ) 1999 , 2000.10.지개발 정보 센터(center). FC NEWS LETTER. 13(2).2000.DEC

또한 미국 사는 전력회사 가스회사 에너지관련 회사 등을 중심으Siemens Westinghouse , ,

로 년간 수백 이상의 고체산화물 연료전지 발전시스템의 생산을 목표로 세계 최대의 고㎿

체산화물 연료전지 제조 전문회사의 설립을 추진 중에 있으며 이를 포함하면 전 세계적으, ,

로 고체산화물 연료전지발전시스템 제조를 위한 전문회사는 현재 수 십 개에 달하며 고체,

산화물 연료전지의 생산량은 더욱 늘어날 전망이다.

일본에서의 연료전지 시장규모는 주로 이며 역시 향후에도 주요시장으로 성장이 기PAFC ,

대되는 것도 이다 그 다음에 에 대한 기대를 걸고 있다PEFC . SOFC .

선진국들은 고체산화물 연료전지 발전 기술을 전략적으로 보호하고 있기 때문에 이를 고려

하여 국내에서는 고체산화물 연료전지의 시장진입에 따른 대책을 빠른 시일 내에 세워야 할

것으로 판단된다 국내에서는 기존의 특정연구개발 등으로부터 축적되어온 기반기술 및 연.

구인력 투자설비는 선진외국에 비하여 규모는 작으나 국내에서도 이미 기반기술을 갖추고,

있는 상태이므로 이 성과를 보다 적극적으로 연계 활용할 경우 외국과 경쟁할 수 있는 기·

술의 상용화가 가능하리라고 전망된다.

- 83 -

특히 고체산화물 연료전지의 경우 급 규모만 되어도 상용으로 사용이 가능하며 기술 개,㎾

발 단계별로 얻어진 제품을 상용화하면서 대형 시스템을 향한 연구개발이 진행될 수 있는

기술이기 때문에 우리의 기술개발 투자규모로 보아 가장 적합한 고부가가치의 대상기술로

판단된다.

따라서 국가의 전략적인 지원하에 앞으로 년간 집중적인 연구 개발이 이루어진다면 선진10

국과 경쟁 가능한 핵심 기반기술의 확보가 가능하며 앞으로 본격적인 도입이 예상되는, 21

세기 선진국형 발전시스템으로의 전환을 위한 발판을 마련할 수 있고 연료전지 가스터빈, -

발전과 같은 초고효율 대형 복합발전의 기반을 확보할 수 있다.

- 84 -

제 장 발전 방향 및 전망5 :

발전방향1.

고체 산화물 연료전지는 세대 연료전지로 불리어지고 있으며 세기 연료전지라고도 일3 , 21

컬어질 정도로 우수한 특성을 지니고 있다 고체산화물 연료전지는 연료전지 가운데 효율이.

가장 높고 환경 특성이 우수하며 저온형 연료전지에서 발생되는 여러 가지 운전상의 문제,

점을 최소화시킬 수 있는 발전시스템이다.

현재 고체산화물 연료전지 발전시스템은 주로 분산전원용 대형 발전소용으로 기술이 개발,

되어 왔으나 최근에는 가정용 소형 열병합 발전시스템 자동차 보조동력원 등 이동전원용으,

로도 많은 연구 개발이 진행되고 있다 발전용의 경우 가스터빈 증기터빈 발전과 연계한. ,

복합발전 시스템을 목표로 하고 있다 이 시스템의 경우 전기적 효율이약 에 가까울. 70 %

것으로 예측되고 있으며 이것은 기존의 화력발전소에 비해 매우 높은 값이다 현재의 기술, .

개발 추이로 보아 중형 대형 발전시스템분야의 고체산화물 연료전지 기술이 먼저 시장에,

진입을 할 것으로 예상되며 이어서 주택용 등 중소형 발전시스템 분야의 이용을 곧 이어,

실용화될 것으로 예상된다.

에너지 효율 및 환경 특성이 우수함에도 불구하고 연료전지가 시장에 진입하기 위해서는 여

러 가지 장벽이 존재하고 있다.

- 85 -

하나는 분산발전이라는 새로운 개념의 도입이다 지금까지 모든 전기는 중앙집중식 발전 시.

스템에 의해 각 가정 공장 건물 등에 공급되어져 왔다, , .

분산 발전의 개념은 각 단위 수요처가 필요한 전기는 스스로 만들어 사용하는 것이다 이것.

은 기존의 발전 개념을 벗어난 개념으로 새로운 패러다임의 설정이 필요하다 이러한 새로.

운 방식이 시장에 도입되기 위해서는 인간의 생활 방식에 대한 변화를 요구받고 있다 최근.

미국의 캘리포니아 전력사태에서 보았듯이 전기의 공급을 중앙 시스템에만 의존할 수 없는

상황까지 이르게 된 것이다 그래서 사람들은 이제는 전기를 포함한 에너지를 스스로 안정.

되게 공급받기 위해 자가발전을 도입하려는 경향을 나타내고 있다 이러한 새로운 방식의.

도입이 본격적으로 이루어져야만 분산발전인 연료전지의 본격적인 시장진입이 가능해진다.

또 하나의 문제는 시스템 설치 가격이 기존의 발전 시스템에 비해 배로 매우 높다는2 3∼

것이다 이러한 문제를 해결하기 위해서는 시스템의 간소화 및 혁신적인 소재의 개발로 부.

품 가격을 낮추어야 한다 연료전지 분야에서 나노 소재 기술의 도입 목적은 바로 여기에.

있다 예를 들어 나노 전해질 및 전극의 개발을 통해 연료전지의 성능을 두 배로 증가시킬.

경우 연료전지 발전 시스템의 주변기기는 반으로 줄일 수 있고 시스템 전체의 가격도 절반,

으로 감소시킬 수 있다 이것은 단순한 계산이지만 나노기술을 통한 소재 성능의 혁신적인.

개선은 연료전지의 시장 진입을 휠씬 앞당길 수 있는 있을 것으로 판단된다.

나노기술을 통한 연료전지 구성 요소의 성능 개선의 징후는 여러 가지 연구결과에서 나타나

고 있다 나노 전해질이 보여주는 높은 이온전도성과 낮은 소결온도는 연료전지 성능의 획.

기적인 개선과 제조가격을 낮출 수 있다는 것을 의미한다.

- 86 -

또한 나노 전극 촉매 및 지지체의 개발은 전극 반응 면적을 극대화시킬 수 있음을 나타낸

다.

그러나 여전히 연료전지 관련 나노 소재기술은 걸음마 수준이며 앞으로 더 많은 연구가 이,

루어져야 할 것으로 판단된다 특정 분야에서 고체 산화물 연료전지용 나노 분말이 상용으.

로 시판되고 있기도 하지만 아직까지는 시장진입 초기 단계로 실제 적용을 위해서는 많은

검증이 필요하며 이러한 절차를 거쳐 연료전지 시스템 제작에 적용될 것으로 전망된다, .

현재 일부 기업에서 부분적으로 연료전지 나노 소재의 성능 평가가 이루어져 도입을 검토하

고 있는 단계이나 나노 분말 제조 가격의 저감 및 나노 분말의 나노 박막 코팅 기술 등이,

새로운 과제로 대두되고 있다 특히 연료전지용 나노 소재 기술은 가스 센서 전기화학센서. ,

등 다른 기술 분야에서도 적용 가능하기 때문에 시장 전망은 밝은 편이며 이러한 기술과,

관련하여 나노 소재의 코팅 기술에 관한 문제도 매우 중요한 과제이다.

저온형 연료전지의 경우 아직까지 전극 촉매 지지체로 탄소나노 튜브의 도입에 관한 연구가

활기를 뛸 것으로 예상된다 현재는 연구의초기 단계에 해당되며 탄소나노 튜브 지지체에. ,

대한 전극 담지 공정기술의 확립 탄소나노 섬유의 가능성 등에 대한 연구가 필요한 것으로,

사려된다.

또한 탄소나노 튜브를 담지체로 사용한 전극의 경우 전극 성능 향상이 보고되고 있기는 하

나 기존의 상용 전극 촉매에 비해 확실한 우위성을 나타내기 위한 실험적 결과들이 더 많이

요구되고 있다.

- 87 -

이지마 박사의 연구에서 보았듯이 그들이 탄소나노 튜브 대신에 나노혼 구조를 사용한 이유

와 수소저장 능력 연구에서도 나타난 오류를 범하지 않기 위해 연료전지 전극으로 활용하기

워한 적절한 탄소나노 튜브 구조의 선택 및 이론적 실험적인 연구가 더욱 필요한 것으로 사

려된다.

기술 및 특허분석에 따른 향후 전망2.

특허 분석에 따른 향후 전망을 살펴보면 저온형 연료전지 분야의 새로운 이온교환막 양이, (

온 교환막 의 개발은 앞으로도 계속될 것으로 보이나 분야의 이온 전도막 개발이 고) SOFC

분자 연료전지 분야의 이온교환막 양이온 교환막 개발 분야보다 훨씬 더 활기를 띌 것으로( )

국내외적으로 전망된다 이는 그 동안 분야의 이온 전도막 개발은 고분자 연료전지. SOFC

분야의 이온교환막 양이온 교환막 개발 분야보다 여러 가지 기술개발상의 난점 때문에 상( )

대적으로 뒤떨어져 있었으나 앞으로는 많은 진전이 예상되고 있기 때문이다 국내에서도 한.

국에너지기술연구원 등을 중심으로 앞으로 많은 기술 개발과 특허 출원이 예상되고 있다.

기술분석에 따른 향후 전망을 살펴보면 고체산화물 전해질 연료전지의 문헌분석에서, 1990

년 이후에는 분야인 실험 방법 및 관찰 등의 결과에 대한 사항이 주류를 이루었으며 이론X ,

적이고 수학적인 계산에 관한 문헌인 분야가 다음을 차지하고 있다 년 들어 수학TX . 2002

적이고 이론적인 문헌이 증가하고 있는 추세를 나타내고 있는데 이는 실험결과가 제품화로

의 큰 진전이 없거나 가상 실험에 대한 이론적인 체계를 갖추기 위한 것으로 나타나고 있

다.

- 88 -

기술적인 문제보다는 상용화하기에 경제적 문제점이 더 큰 비중을 차지하고 있으며 차후에,

응용기술을 이용한 차세대 제품으로의 개발이 큰 비중을 차지할 것으로 기대 된다.

기술개발의 향후 과제3. SOFC

기술선진국의 연료전지개발은 환경 에너지 에 대한 국가시책을 배경으로, (energy) PAFC,

의 순으로 실용화 개발이 행하여져 왔다MCFC, SOFC .

최근 가 가정용 코제너레이션 자동차 용도로서 큰 주목을 모으고 급속PEFC (cogeneration),

히 개발이 진척되어 있다 또한 에 대해서는 마이크로 가스 터빈. , SOFC (micro) (gas turbine)

과 복합 발전 등 대형 시스템 개발을 진행하는 한편 자동차용 보조 전원등의 소형(system) ,

전원으로서의 기술개발에도 관심이 고조되고 있다.

기술선진국의 연료전지개발에 대한 지향성을 비교하면 일본에서는 연료전지 시스템

전체의 완성도를 높이는 것을 목표로 한 종합적인 기술개발이 행하여져 있는 것(system)

에 대해 구미에서는 연료전지의 기본요소기술의 혁신을 목표로 한 기술개발이 많다.

일본은 에 관해서 셀 의 기본구조에 대한 과제가 많고 에서는 고체SOFC , (cell), stack , PEFC

고분자막등 기본재료 면에서 신규기술의 개발이 늦고 있다.

또 에 대해서 보면 해외와 연구개발의 활성화 측면에서 일본의 에 대한 관심DMFC , DMFC

은 아직 미미한 편이다.

- 89 -

금후 연료전지의 실용화 상용화 단계에 있어서는 전지가격 의 저렴화에 비해 시스템, (cost)

비용 의 저렴화가 중요과제이며 또한 연료전지의 용도확대 때문에 시스템(system cost) , ,

을 경량소형화 해가는 것이 필수적인 과제다(system) .

이것들의 과제를 해결해 가기 위해서는 저가격 신규재료의 개발 콤팩트한 시스템, , stack

개발 고밀도 수소저장 기술 개발 연료개질을 필요로 하지 않는 연료계와 발전(system) , ,

시스템 연료전지의 실용화에 대한 개발 등이 열쇠가 된다(system) .

이러한 관점에서 연료전지보급을 위한 구체적인 연구개발 항목은 아래와 같은 것을 들 수,

있다.

소형화에 적합한 평판형 셀 및 시스템 의 개발(1) SOFC (cell) stack (system)

을 위한 신규 고체고분자막의 개발(2) PEFC

고밀도 수소저장 기술의 개발(3)

연료개질을 채용하지 않는 휴대용전원 등에 유망한 의 기술개발(4) DMFC

을 포함하여 연료를 직접 개질로 하는 연료전지기술의 개량(5) MCFC

특허출원으로부터 자동차 가정용 코제너레이션 의 용도로 사용할 수 있는, (cogeneration)

의 기술개발에 대하여 국제 경쟁력을 소유하는 구미의 벤처 기업이PEFC. SOFC (venture)

다수 연료전지개발에 종사하고 있는 만큼 한국에서도 실용화의 열쇠가 되는 기술의 기초,

연구에 대하여 충분한 연구가 필요하다고 판단된다.

- 90 -

참 고 문 헌

1. N. Q. Minh and Takehiko, Science and Technology of Ceramic Fuel Cell, Elsevier

Science(1995)

송락현 신동열 세라미스트2. , , , 3(5), 17-28(2000)

3. B. C. H. Steele, Solid State Ionics, 129, 95-110(2000)

4. K. Ahmed, J. Gamman. K. Foger, Solid State Ionics, 8512, in press (2002)

5. T. Schober, F. Krug. W. Schilling, Solid State Ionics, 97, 369-373(1997)

6. C. Ch. Kostogloudies, N. Vasilakos, Ch. Ftikos. J. European Ceramic Society, 17,

1513-1521(1997)

7. N. M. Sammes, R. J. Boersma and G. A. Tompsett, Solid State Ionics, 135.

487-491(2000)

8. G. A. Tompsett, C. Finnerty, K. Kendall, T. Alston and N. M. Sammes, Journal of

Power Sources, 86, 376-382(2000)

9. W. Winkler and H. Lorenz. Journal of Power Sources, 106, 338-343 (2002)

10. W. Winkler and H. Lorenz. Journal of Power Sources, 105(2), 222-227, (2002)

11. F. L, Zheng. Y. Sui, D. P. Xu. J. Liu, and W. H. Su, Proceedings of the 5th

International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells, 97-18, 1213-1222(1997)

12. G. Dell'Agli and G. mascolo, J. European Ceramic Soc., 20, 135-1458(2000)

13. Y. Jiang, S. V. Bhide and A. V. Virkar, Journal of Solid State Chemistry, 157(1),

149-159(2001)

- 91 -

14. Ch, Laberty-Robert, F. Ansart, C. Deloget, M. Gaudon, and A. Rousset,

Materials Research Bulletin, 36, 2083-2101(2001)

15. A. B. Khollam, A. S. Deshpande, A. J. Patil, H. S. Potdar, S. B. Deshpande, S.

K. Date, Materials Chemistry and Physice, 71, 235-241(2001)

16. J. C. Ray, R. K. Pati, P. Pramanik, J. European Ceramic Soc., 20,

1289-1295(2000)

17. E. Djurado and E. Meunier, J. Solid State Chemistry, 141, 191-198(1998)

18. T. Okubo and H. Nagamoto, J. Mater. sci., 30, 749-757(1995)

19. X. J. Chen, K. A. Khor, S. H. Chan, and L. G. Yu, Materials Science and

Engineering, in press(2002)

20. H. L. Tuller, 131, 143-157(2000)

21. X. Guo, Computational Materials Science, 20, 168-176(2001)

22. M. J. Verkerk, A. J. A. Winnubst, A. J. Burggraaf, J. Mater. Sci., 17,

3113-3122(1982)

23. M. Aoki, Y. M. Chinang, I. Kosacki, L.J.R. Jee, H. Tuller, Y. Kiu, J. Am. Ceram.

Soc., 79, 1169(1996)

24. E. Ruiz-Trejo, J. D. Sirman, Yu. M. Baikov and J. A. Kilner, Solid State Ionics,

113-115, 565-569(1998)

25. J. Mizusaki, H. Tagawa, K. Tsuneyoshi, A. Sawata, M. Katou, and K. Hirano,

Denki Kagaku, 58, 520-527(1990).

26. T. Iwata, J. Electrochem. Soc., [1435], 1521-1525(1996).

27. Y. C. Hsiao and J. R. Selman, Solid State Ionics, 98, 33-38(1997).

28. D. L. Maricle, T. E. Swarr and Swarr and S. Karavolis, Solid State Ionics, 52,

173-182(1992)

- 92 -

29. G. M. Christie and F. P. F van Berkel, Solid State Ionics, 83, 17-27(1996)

30. J. Van herle, T. Horita, T. Kawada, N. Sakai, H. Yokokawa and M. Dokiya, Solid

State Ionics, 86-88, 1255-1258(1996)

31. S. Wang, H. Inaba, H. Tagawa, T. Hashimoto, J. Electrochem, Soc., 144

4076-4080(1997)

32. S. Wang, T. Kobayashi, M. Dokiya, T. Hashimoto, J. Electrochem, Soc., 147,

3606-3609(2000)

33. K. Yamajl, t. Horita, M. Ishikawa N. Sakai, and H. Yokokawa, Solid State Ionics,

121, 217-224(1999).

34. K. Yamaji, T. Horita, M. Ishikawa, N. Sakai, and H. Yokokawa, Solid State

Ionics, 121, 217-224(1999).

35. T. Tsai and S. A. Barenett, J. Electrochem. Soc., 142, 3084-3087 (1995).

36. Y. Aihara, s. Ito. S. Kawasaki, Proceedings of the 4th International Symposium

on Solid Oxide Fuel Cells, 95-1, 180-186(1995).

37. H. Sasaki, M. Suzuki, T. Sogi, A. Kajimura, and E. Yagasaki, Proceedings of the

4th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells, 95-1, 187-194 (1995).

38. T. Ishihara, K. Sato, and Y. Takita, J. Am. Ceram. Soc., 79(4). 913-919(1996).

39. C. Wang, W. L. Worrell, S. Park. J. M. Vohs, and R. J. Gorte, J. Electrochem.

Soc., 148(8), 864-868(2001)

40. S. L. Swartz, M. M. Seabaugh, and W. J. Dawson, Electrochemical Society

Proceedings, 99-19, 135-143(1999)

41. http://lxmi.mi.infn.ig/~landnet/ENCI_BRUX/Kuranov_slides_3.pdf

42. http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/97/97fc/fc5-4.PDF

- 93 -

43. http://www.ntu.edu.sg/sme/amrc/5.pdf

44. H. Uchide. M. Yoshida, and M. Watanabe, J. Electrochem, Soc.,146(1) 1-7(1999)

45. M. Frőba and A. Reller Prog. Solid St. Chem., 27, 1-27(1999)

46. A. Reller, communicated at MRS Fall Meeting, Boston(1996)

47. A. Reller and S. Casagrande, Thermochim. Acta 174, 9(1991)

48. S. I. Arisaka, H. Uchida, and M. Watanabe, SOFC V, 99-19, 415-423(1999)

49. M. J. L. STERGARD. C. CLAUSEN, C. B∅ AGGER and M. MOGENSEN, Electrochimica

Acta, 40(12), 1971-1981(1995).

50. C. Clausen, C. Bagger, J. B. Bilde-S rensen, and A. Horsewell,∅ Solid State

Ionics, 70-71, 59-64(1994).

51. T. Kenjo and M. Nishiya, Solid State Ionics, 57, 295-302(1992).

52. E. SIEBERT, A. HAMMOUCHE, and M. KLEITZ, Electrochimica Acta, 40(11),

1741-1753(1995).

53. M. J. J. rgensen, S. Primdahl, C. Bagger and M. Mogensen,∅ Solid State Ionics,

139, 1-11(2001).

54. J. H. Choi, J. H. Jang, S. M. Oh, Electrochimica Acta, 46, 867-874(2000).

55. D. Herbstritt, C. Warga, A. Weber, I. T. Ellen, Proceedings of the 7th

International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells, 2001-16, 349-357(2001)

56. http://www.chemistry.gatech.edu/mdi/bio/yl.html

57. A. F. Jankowski, R. T. Graff, J. P. Hayes, and J. D. Morse, Proceedings of the

6th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells, 99-19, 932-937(1999)

58. A. F. Jankowski, J. D. Morse, WO 00/45457

- 94 -

59. S. Iijima. Nature, 354, 56-8, 1991.

60. T.W. Ebbesen, P.M. Ajayan. Nature, 358, 220-222(1992)

61. C. A. Bessel, K. Laubernds, N. M. Rodriguez, R. T. K. Baker, J. Phys. Chem. B.

105, 1115-8(2001)

62. W. Ki, C. Kiang, J. Qiu, W. Zhou, H. Han, Z. Wei, G. Sun, Q. Xin, Carbon, 40,

787-803(2002)

63. http://www.neceurope.com/feature.asp

64. http://www.fuelcelltoday.com

김은정 이상훈 최성철66. , , , J. Korean Ceramic Society. 38(9), 853-859(2001)

이태원 백운규 최성철 이상훈 임형섭 김철진65. , , , , , , J. Korean Cermic Society, 37(7),

721-725(2000)

류경옥 서대종 박승빈 송근숙 송락현 화학공학의 이론과 응용67. , , , , , 8(2), (2002)

김종희 유승호 손희정 송근숙 송락현 신동열 추계 전기화학회 학술발표회 초록68. , , , , , ,

집.(2002)

박인수 박경원 최종호 김영민 정두환 성영은 연료전지 심포지움 논문집69. , , , , , , , 9[1],

한국일 김하석197-200(2002): , , ibid, 201-206(2002)

전문석 홍성화 백동현 송락현 신동열 정진도 정두환70. , , , , , , , ibid, 287-292(2002)

일본 특허청 기술조사과 연료전지에 관한 기술동향조사71. ‘ ’ 2001. 5. 31

미국 사72. , Allied Business Intelligence , 2001

전력연구원 보고서73. , 2000

미국 자료74. Siemens Westinghouse Co. , 2001

75. “Fuel cells : on the verge", Business Communication Company. Inc., 1998

- 95 -

나노기술 연구보고서 안내

심층정보분석보고서■

보고서번호 보고서명

BA012 고체산화물 연료전지 나노소재

BA013 탄소 나노 튜브

BA015 나노 금속 분말 제조 및 응용

BA016 나노 분말 소재

BA023 나노 복합 재료

BA024 나노 세공체와 나노촉매

BA028 기술MEMS

BA042 탐침형 정보 저장 장치

BA044 나노 광결정 기술

BA047 재생헤드GMR

기술동향보고서■

보고서번호 보고서명

BB018 나노 기반 기술

BB019 나노 바이오 기술

BB020 나노 공정 측정 장비 기술· ·

BB021 나노 소재 기술

BB022 나노 고분자 복합재료 기술·

BB023 나노 소자 기술

BB024 나노 정보 저장장치 기술

한국과학기술정보연구원 나노기술정보분석실

TEL: (02) 3299-6011~9

- 96 -