Special 차세대 연료전지 및 전해전지 개발 동향(1)

잉크젯 프린팅 공정을 활용한 프로톤 세라믹 전기화학 셀 개발: 

디스플레이 제조기술에서 차세대 그린수소 에너지 시스템으로

심준형_고려대학교 기계공학과 교수

1.   서 론

전 세계적으로 탄소중립과 에너지 안보가 국가 경쟁력의 핵심 요소로 부상하면서 수소 기반 에너지 시스템에 대한 관심이 빠르게 증가하고 있다. 특히 프로톤 세라믹 전기화학 셀(Protonic Ceramic Electrochemical Cell, PCEC)은 연료전지와 수전해를 하나의 플랫폼에서 구현할 수 있는 차세대 에너지 변환 기술로 주목받고 있다. 그러나 고성능 PCEC의 상용화를 위해서는 수 마이크로미터 수준의 균일한 세라믹 박막을 저비용으로 대면적 제조할 수 있는 새로운 공정기술이 요구된다.

  최근 디스플레이 산업에서 성숙한 제조기술로 자리 잡은 잉크젯 프린팅(Inkjet Printing)은 이러한 요구를 충족할 수 있는 유력한 제조 플랫폼으로 주목받고 있다. 잉크젯 프린팅은 비진공 공정 기반의 디지털 제조기술로서 재료 사용 효율이 높고 대면적 제작이 가능하며, 복잡한 형상의 세라믹 구조를 정밀하게 구현할 수 있다는 장점을 가진다. 특히 OLED 및 QLED 디스플레이 제조에서 축적된 공정 기술은 최근 세라믹 연료전지 및 수전해 셀 제조 분야로 빠르게 확장되고 있다.

  본 기고에서는 잉크젯 프린팅 기술의 발전 과정과 세라믹 전기화학 셀 제조에 적용되는 핵심 기술을 소개하고, 고려대학교 연구팀이 개발한 잉크젯 프린팅 기반 프로톤 세라믹 연료전지 및 수전해 셀 제조기술과 최근 연구 성과를 중심으로 향후 산업화 가능성을 살펴보고자 한다.

2.  탄소중립 시대와 프로톤 세라믹 전기화학 셀

최근 인공지능(AI), 데이터센터, 전기차 및 재생에너지 확대와 함께 전 세계 전력 수요는 유례없는 속도로 증가하고 있다. 국제에너지기구(IEA)는 기존 중앙집중형 발전 시스템만으로는 이러한 전력 수요를 안정적으로 감당하기 어려울 것으로 전망하고 있으며, 분산형 발전과 고효율 에너지 변환 기술의 중요성이 더욱 커지고 있다. 또한 현재 전 세계 수소 생산량의 대부분은 천연가스 개질이나 석탄 가스화 공정에 의존하고 있어, 탄소배출 없는 그린수소 생산기술 확보가 시급한 과제로 부상하고 있다. 현재 약 1억 2천만 톤 규모의 수소 시장이 2030년에는 약 2억 톤 규모로 확대될 것으로 전망되며, 기존 화석연료 기반 수소를 수전해 기반 그린수소로 전환해야 함을 강조하고 있다.

그림 1. 전 세계 수소 생산원과 주요 산업별 활용 현황 (출처: International Energy Agency (2019)).

  이러한 흐름 속에서 프로톤 세라믹 전기화학 셀(PCEC)은 발전과 수소 생산을 모두 수행할 수 있는 차세대 에너지 플랫폼으로 많은 관심을 받고 있다. PCEC는 프로톤 전도성 세라믹 전해질을 이용하여 약 400~600℃의 중저온에서 구동되며, 기존 고체산화물 연료전지(SOFC)보다 낮은 운전온도로 인해 열화가 감소하고 시스템 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다. 또한 전기분해 모드에서는 수소 희석 없이 고순도의 수소를 생산할 수 있어 높은 에너지 효율을 구현할 수 있다. 최근에는 연료전지(Fuel Cell)와 수전해(Electrolysis)를 하나의 셀에서 모두 수행할 수 있는 가역형 운전 기술도 활발히 연구되고 있다.

  그러나 이러한 우수한 전기화학적 특성을 실제 산업으로 연결하기 위해서는 고품질의 세라믹 박막을 경제적으로 제조할 수 있는 생산기술이 반드시 뒷받침되어야 한다. 특히 전해질 두께를 수 마이크로미터 수준까지 얇게 형성하면서도 균일한 치밀막을 대면적으로 제조하는 기술은 PCEC 상용화의 핵심 요소로 평가된다.

그림 2. 디스플레이 제조를 위한 Kateeva사의 8.5세대(8.5G) 잉크젯 프린팅 장비 (출처: Kateeva사 인터넷 자료 (2026))

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 8월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 e-북, PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>