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“그것도 참 재미있는데….”
기자가 평소 궁금했던 연구 내용을 하나씩 물어볼 때마다 차석원 서울대 기계항공공학부 교수(40)는 이 말로 대답을 시작했다. 그에게 모든 연구는 ‘재미’로 다가온다. 지금 그가 푹 빠져 있는 주제는 바로 연료전지. 에너지 효율을 최대화한 차세대 에너지원을 개발하고 있다.


스마트폰 3배 오래 쓴다

차 교수가 이끄는 재생에너지 변환 연구실은 용도에 맞춘 연료전지 개발이 주력분야다. 연료전지는 크게 휴대용, 발전용, 자동차용으로 나뉜다. 차 교수는 2005년에 노트북, 휴대전화 같은 휴대용 기기에 쓸 수 있는 획기적인 소형 연료전지를 개발했다. 이런 휴대용 기기에는 현재 리튬이차전지를 사용하지만 저장 용량이 작다. 용량을 키우면 전지도 커진다. 그러나 크고 무거운 전지는 휴대용 기기에 적합하지 않다. 그야말로 ‘리튬이차전지의 딜레마’다. 그러나 재생에너지 변환 연구실이 개발한 소형 연료전지를 쓰면 이 문제는 간단히 해결된다. 차 교수는 연료전지에 에너지원인 수소를 바로 공급하지 않고 메탄올을 양극에 채워 수소를 공급하는 방법을 택했다. 메탄올 100mL로 15시간을 쓸 수 있다. 리튬이차전지를 썼을 때보다 사용시간이 3배 이상 늘어난 것이다.
“스마트폰도 리튬이차전지를 쓰고 있습니다. 그러나 그 용량으로는 많은 애플리케이션을 실행하고 멀티태스킹해야 하는 높은 사양을 뒷받침하기가 어렵죠. 심지어 한 번 충전해 하루를 넘기지 못하는 경우도 종종 발생합니다.”
소형 연료전지가 실력을 발휘할 시간은 지금부터다. 스마트폰이 점차 보급되면 소형 연료전지의 시장도 커질 것이다. 차 교수는 이 소형 연료전지를 스마트폰과 태블릿 PC에 주로 이용할 계획이다.
아직 연료전지를 주 에너지원으로 쓰기엔 용량이 제한적이라는 한계가 있다. 이 문제를 해결하기 위한 방법은 연료전지의 두께, 특히 전해질 층의 두께를 줄여 용량을 키우는 것이다. 전해질을 통해 이온이 이동하는 거리를 줄이면 전도율이 높아져 전기를 더 잘 전달한다.
연료전지를 연구하는 많은 과학자 중 이 이론을 모르는 사람은 없다. 그러나 얇은 연료전지를 만드는 것은 기술적으로 어렵다. 꿈의 에너지라고 믿었던 연료전지 연구도 난관에 봉착했다. 그러나 남이 풀지 못하는 문제를 풀어낼 때 더 짜릿하듯이, 차 교수는 오히려 이를 해결할 방법을 찾는 데 흥미롭게 접근했다.
“반도체를 만드는 데 쓰는 ‘박막 증착기술’을 쓰면 얇은 연료전지를 만들 수 있지 않을까 생각했습니다. 연료전지의 구성요소를 최대한 얇은 판으로 만들어 한 장씩 위로 얹는 방법이죠.”
그 결과 재생에너지 변환 연구실은 삼성종합기술원과 공동으로 두께가 2μm(마이크로미터, 100만 분의 1m) 이하인 얇은 연료전지를 만들었다. 전지의 이름은 ‘박막형 고체산화물 연료전지’다. 연구 성과는 2011년 4월 미국 과학학술지 ‘엘렉트로케미스트리 커뮤니케이션’에 실렸다.


전공을 뛰어넘어 다양한 공부해야

연료전지는 다른 전지보다 효율이 좋을 뿐 아니라 오염물질이 전혀 나오지 않는다. 수소를 연료로 사용해 전기를 발생시키고 남는 부산물은 단지 물 뿐이다. 기존 화력발전 대신 연료전지를 발전기로 개발한다면 더 이상 지구온난화는 걱정하지 않아도 된다. 차 교수는 발전용 연료전지를 연구 중이다.
“우리 연구실에 들어오면 발전 설비까지 공부해야 합니다. 연료전지를 연구한다고 해서 연료전지만 공부하면 안 됩니다. 연료전지를 어디에 쓸 수 있는지, 다른 분야에서 갖고 올 기술은 없는지 고민해야 합니다.”
다양한 분야에 관심을 갖는 것은 차 교수가 학생들에게 가장 강조하는 바다. 여행지에 가서
재생에너지 변환 연구실의 실험실 모습.
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골목 구석구석 돌아보고 많은 경험을 해야 기억에 남는 것처럼 연구도 전공을 뛰어 넘어 공부하라는 것. 이런 차 교수의 연구 철학은 하이브리드 자동차 연구에서 빛을 발했다. 연료전지는 하이브리드 자동차에도 쓰인다. 하이브리드 자동차는 전지로 움직이는 전기모터와 가솔린 엔진의 두 가지 동력을 사용한다. 저속으로 달릴 때는 모터를 이용하고 고속으로 달릴 때는 엔진을 이용한다. 일반 자동차가 휘발유 1L로 약 10km를 간다면 하이브리드 자동차는 50km를 갈 수 있다. 이때 두 개의 동력을 이용하는 만큼, 언제 어떤 에너지를 얻을 것인지를 정하는 것이 중요하다.
“가는 길을 미리 알면 되지 않을까요? 내비게이터에 갈 길을 지정해 동력제어장치를 미리 프로그래밍하면 연료를 효과적으로 절감할 수 있습니다. 요즘은 차량 한 대에 내비게이터가 하나씩 마련돼 있잖아요. 추가 장비를 사지 않아도 됩니다.”


하이브리드 자동차 변신시킬 차세대 전지 개발

재생에너지 변환 연구실은 2009년 현대자동차와 함께 차량용 내비게이션에 쓰이는 GPS 정보를 이용해 언제 모터를 쓸지, 엔진을 쓸지 구분하는 제어장치를 개발했다. 목적지로 향하는 길의 교통 정보를 얻어 자동차의 배터리 충전상태를 최적으로 관리하는 것이다. 재생에너지 변환 연구실에서는 연료전지 외에 하이브리드 자동차를 연구하는 실험실을 따로 만들 정도로 이 분야에 몰두하고 있다.
차 교수는 “다른 분야를 계속 공부하면 연구에 필요한 아이디어를 얻을 수 있다”고 말했다. 연료전지의 용량 문제를 해결하지 못했을 때 반도체 연구에서 답을 얻었고 하이브리드 자동차의 동력제어장치를 개발할 때 GPS 기술을 이용한 것처럼 말이다.
최근 차 교수에게 흥미로운 주제가 생겼다. 새로운 저장수단인 ‘수퍼 커패시터’다. 수퍼 커패시터는 전지와 구조가 비슷하지만 전해질 대신 탄소나노튜브를 이용한다.
“수퍼 커패시터는 리튬이차전지보다 에너지를 방전시키는 속도가 10배나 빠릅니다. 충전도 몇 분 안에 급속히 이뤄집니다. 그러나 아직 용량이 리튬이차전지의 5%밖에 되지 않아요. 앞으로 수퍼 커패시터의 용량을 늘려볼 생각입니다. 성공한다면 하이브리드 자동차는 또 한번 진화할 수 있겠죠?”

첨부파일:
1. 연료전지가 이끄는 흥미로운 여정 차석원교수님.pdf
2. 에너지 변환 공학.pdf