원자힘현미경 활용, 연료전지 성분 분포 평가법
원자힘현미경 활용, 연료전지 성분 분포 평가법
  • 함예솔
  • 승인 2020.05.31 23:15
  • 조회수 831
  • 댓글 0
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고분자전해질 연료전지 구조 모식도. 원자힘현미경을 이용한 연료전지의 구성성분 분포 평가 모식도 및 구성성분 분포 평가결과. 출처: 성균관대학교.
고분자전해질 연료전지 구조 모식도. 원자힘현미경을 이용한 연료전지의 구성성분 분포 평가 모식도 및 구성성분 분포 평가결과. 출처: 성균관대학교.

원자힘현미경(AFM)을 이용한 연료전지 구성성분 분포 평가법이 개발됐습니다. 분포 평가법을 활용한 연료전지 성능의 향상이 기대되는데요. 성균관대학교 신소재공학부 김윤석 교수 연구팀(제1저자 설대희, 공동 제1저자 정순호)은 현대자동차 MEA설계팀, 한국기초과학지원연구원 장재혁 박사팀과 함께 원자힘현미경(Atomic Force Microscope, AFM)과 머신러닝 알고리즘을 활용해 연료전지 전극의 구성성분 분포를 평가할 수 있는 방법론을 개발했습니다. 해당 연구는 <ACS Applied Materials&Interfaces>에 게재됐습니다. 

  • 원자힘현미경

탐침이라는 아주 작은 바늘과 평가 대상 간의 작용하는 힘을 이용하여 평가 대상의 표면 형상을 측정하고 이를 활용하여 전류 등 물질의 성질을 측정하는 현미경입니다.

고분자전해질 연료전지에 대한 관심 ↑

 

최근 환경오염 문제로 신재생에너지에 이목이 집중됩니다. 연료를 주입하면 전기를 생산할 수 있는 고분자전해질 연료전지에 대한 연구도 활발합니다. 고분자전해질 연료전지의 주요구성 요소인 전극은 이온(ion) 전도성이 있는 고분자와 화학반응을 도와주는 촉매 및 여러가지 첨가물로 구성되며 구성성분의 분포 및 구성은 연료전지의 성능과 밀접한 관련이 있습니다.

 

촉매 및 첨가물은 작을 경우 수~수십 나노미터(10-9 m) 크기이며, 이러한 분포 평가를 위해 일반적으로 전자현미경을 활용하고 있습니다. 그러나 평가 중 구성성분이 손상될 수 있고 진공 환경에서 아주 작은 영역에 대해서만 평가가 가능해, 실제 적용에는 기술적인 한계가 존재했습니다. 

고분자전해질 연료전지에서의 두께에 따른 촉매 위치와 전류-전압 곡선 모식도. 출처: 성균관대학교
고분자전해질 연료전지에서의 두께에 따른 촉매 위치와 전류-전압 곡선 모식도. 출처: 성균관대학교

이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 각 구성성분의 전류 특성이 다를 수 있다는 점에 착안했습니다. 원자힘현미경을 이용해 전류를 측정하고 이렇게 측정된 전류 값을 기초적인 머신러닝 알고리즘에 적용하여 각 구성성분의 분포를 평가할 수 있었습니다.

김윤석 교수. 출처: 성균관대학교
김윤석 교수. 출처: 성균관대학교

 

 

 

이번 연구를 이끈 김윤석 교수는 "본 연구를 통해 어떤 분포 형태가 연료전지 성능 향상에 효과적인지 평가할 수 있어 연료전지 성능 향상에 도움이 될 것"이라며 "향후 자동차 등 친환경 연료전지 적용에 도움을 줄 것으로 기대된다"고 말했습니다.

 

 

 

 

 

정순호 연구원. 출처: 성균관대학교
정순호 연구원. 출처: 성균관대학교

 

 

 

 

정순호 연구원은 "기초적인 머신러닝 알고리즘의 적용으로 각 구성성분의 분포를 용이하게 평가할 수 있었다"며 "향후 더 체계적인 머신러닝 알고리즘을 적용한다면, 조금 더 정확하고 효과적인 분포 평가가 가능하다"고 전했습니다.

 

 

 

 


##참고자료##

 


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