Research 1 얼어붙은 전극의 비밀,
전극 동파의 ‘진짜’ 원인을 찾았다!

겨울철 기온이 크게 떨어지면 수도관이 얼어 터지는 동파 현상. 갑작스러운 누수나 단수로 이어질 수 있어 한파가 찾아올 때마다 생활 속에서 자주 언급되는 겨울철 문제인데요. 미래 청정에너지 기술의 핵심으로 꼽히는 수소연료전지와 수전해 장치 역시 비슷한 문제를 겪고 있었습니다. 혹한기에 전극 내부의 수분이 얼어붙으면서 균열이 생기고, 이로 인해 장치의 성능과 내구성이 떨어지던 것입니다. 그간 학계에서는 전극 동파의 원인이 전극 속 미세한 구멍, 즉 ‘나노 기공’에 갇힌 물이 얼면서 발생하는 압력 때문이라 보고 있었습니다. 그래서 외부 보조장치로 온도를 높여 동결을 막는 방식에 의존해 왔는데요. 여기서 국립공주대학교 표재범 교수 연구팀은 기존 정설을 뒤집는 연구 결과를 제시했습니다. 동파의 원인이 나노 기공이 아니라, 물을 흡수하는 고분자 물질인 이오노머* 결합체 내부의 결빙이라는 사실을 규명해 낸 것이죠.

이오노머(ionomer): 물을 흡수해 수소이온 같은 전하를 전달하고, 동시에 입자를 접착·지지하는 역할을 하는 고분자

• 전극 內 이오노머 함량별 동파 현상 관찰 및 이에 따른 기계적 물성 평가

연구팀은 전극을 190℃에서 약 10분간 열처리하는 간단한 공정을 통해 이오노머의 나노구조를 더욱 조밀하게 만들고, 물이 머무는 공간을 줄여 동파 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 확인했습니다. 이번 연구는 전극 동결 파손의 원인과 해결책을 함께 규명했다는 점에서 의미가 큽니다. 연구팀은 향후 대규모 시스템에도 적용이 가능한 기술로 발전시켜 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 수소에너지 시스템 개발에 기여할 계획입니다.

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• 논문명 Prevention of Frost-Driven Self-Fracture of Ionomer-Bound Carbon Films by Controlling Freezable Water Domain Size
• 등재 저널 Carbon Energy (2025.10.31.)
• 연구 저자
  • 표재범 교수(제1저자&교신저자/국립공주대학교), 김택수 교수(교신저자/KAIST)
  • 김지훈 박사(제1저자/국방과학연구소)
• 연구 요약
  수소연료전지 동파, 간단한 열처리로 해결하다

  • 수소연료전지 전극 동파의 원인이 이오노머 결합체 내부 결빙이라는 사실을 규명했다.
  • 전극을 190℃에서 약 10분간 열처리하는 간단한 공정을 통해 동파 문제를 해결했다.

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Research 2 화염에도 끄떡없는 NEW 플라스틱
난연성과 강도를 동시에 잡다

가볍고 가공이 쉬운 플라스틱은 현대 산업의 감초와 같지만 소방장비나 항공우주, 전자기기처럼 극도의 안전이 요구되는 환경에서는 늘 걸림돌이었습니다. 특히 투명하면서도 열에 강한 ‘폴리설폰(PSU)’ 같은 슈퍼 엔지니어링 플라스틱조차 충격저항성과 난연성이 부족해 화염에 노출되는 현장에서는 한계를 드러내곤 했죠. 고기능성을 유지하면서 친환경적인 난연소재 개발이 절실한 상황, 서강대학교 박제영 교수 연구팀과 인하대학교 오동엽 교수 연구팀이 공동연구를 통해 난연성과 기계적 성능을 동시에 개선한 투명 나노복합소재 개발에 성공했습니다. 폴리설폰이 중합되는 용매와 아라미드 나노섬유(ANF)*를 분산시키는 용매가 같다는 점에 착안해, 두 소재를 하나의 공정으로 융합하는 혁신적인 방법을 찾아낸 것인데요.

아라미드 나노섬유(ANF): 고강도 고내열성의 케블라 섬유를 수십 나노미터 크기로 화학적으로 박리시킨 고분자 나노섬유

• 아라미드 나노섬유 기반 마스터배치 복합소재 제조 및 성능 요약

이렇게 개발된 소재는 0.04wt% 수준의 아라미드 나노섬유만 포함해도 기존 폴리설폰보다 인성이 약 2.4배 향상됐으며, 투명성 유지율도 87% 이상에 달한 것으로 확인되었습니다. 또한 실제 화재 조건을 모사한 실험에서는 불이 붙지 않았으며, 1,300℃의 화염에 노출되어도 화염을 제거하면 3초 이내에 바로 불이 꺼졌습니다. 연구팀은 아라미드 나노섬유의 난연 효과를 다른 플라스틱으로 확장하기 위한 후속연구를 이어갈 계획인데요. 향후 고안전성이 요구되는 산업 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대됩니다.

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• 논문명 High-performance transparent polysulfone nanocomposites enhanced with masterbatch-based aramid nanofibers for improved toughness and flame retardancy
• 등재 저널 Advanced Composites and Hybrid Materials (2025.7.16.)
• 연구 저자
  • 박제영 교수(교신저자/서강대학교), 오동엽 교수(교신저자/인하대학교)
  • 박슬아 연구원 (제1저자/한국화학연구원)
  • 전현열 박사 (제1저자/한국화학연구원)
• 연구 요약
  불에도 강한 투명 플라스틱을 개발하다

  • 폴리설폰(PSU)에 아라미드 나노섬유(ANF)를 소량 첨가해 화재에 강한 고성능·친환경 난연 플라스틱을 개발했다.
  • 단 0.04wt% ANF를 포함한 복합소재는 인성 2.4배 향상, 투명성이 87% 이상 유지됨을 확인했다.

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Research 3 배터리 속 작은 소화기
열폭주의 공포를 잠재우다

리튬이온배터리를 전원으로 하는 전기차는 친환경 시대를 대표하는 이동 수단으로서 자동차 시장에서 빠르게 보급되어 왔습니다. 하지만 매년 배터리 화재 소식이 전해지면서 이용자들의 우려도 커지고 있는데요. 특히 외부 충격이나 과열로 인해 발생하는 ‘열폭주 현상’은 전기차의 안전성을 위협하는 가장 큰 요인으로 꼽히죠. 실제로 리튬이온배터리의 전해액으로 사용되는 카보네이트계 유기용매는 불이 붙기 쉽다는 특징을 지녀 열폭주의 주요 원인으로 지목되어 왔습니다. 이러한 상황 속, 충남대학교 송승완 교수 연구팀과 한국전기연구원 도칠훈 박사, 한국기초과학지원연구원 이영주 박사 연구팀이 공동연구를 통해 리튬이온배터리 열폭주로 인한 전기차 화재를 원천 차단하는 혁신적인 기술을 개발했습니다. 소화기 성분을 접목해 기존 발화점이 낮은 전해액을 불소치환형으로 설계하고, 자가소화되는 난연성 전해액을 개발해 낸 것인데요.

• 난연성 카보네이트계 전해액 적용과 음/양극 계면안정화를 통한
  리튬이온배터리 열폭주 억제 효과

연구팀이 설계한 전해액은 단순히 불에 타지 않는 것을 넘어, 배터리의 성능 안정성과 수명까지 개선하는 것으로 확인되었습니다. 그동안 전기차 배터리 업계가 주행거리 증대와 저가화라는 에너지 밀도 경쟁에 집중해 왔다면, 이제는 ‘안전성 확보’가 시장의 새로운 표준이 되어야 할 시점입니다. 본 연구는 배터리 소재 기술의 진보를 통해 전기차 안전이라는 시대적 요구를 해결할 열쇠가 되어줄 것으로 기대됩니다.

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• 논문명 Preventing thermal runaway of high-nickel Li-ion battery through nonflammable carbonates-based electrolyte formulation
• 등재 저널 Materials Science & Engineering R – Reports (2025.3.27.)
• 연구 저자
  • 송승완 교수(교신저자/충남대학교)
  • 도칠훈(공동교신저자/한국전기연구원), 이영주(공동교신저자/한국기초과학지원연구원)
  • 트란티하이옌(제1저자/충남대학교)
  • 안기훈(공동저자/충남대학교), 임건태(공동저자/충남대학교), 김도경(공동저자/한국기초과학지원연구원)
• 연구 요약
  배터리 열폭주를 막는 기술을 제시하다

  • 불 끄는 소화기 성분을 배터리에 접목해 리튬이온배터리 열폭주로 인한 전기차 화재를 원천 차단하는 기술이 개발됐다.
  • 개발한 전해액은 단순히 불에 타지 않는 것을 넘어, 배터리의 성능 안정성과 수명까지 개선하는 것으로 확인되었다.

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