이번 연구에서는 충격파 유동을 이용해 프로톤 전도성 세라믹 내부의 산소 결함(oxygen vacancy)변화와 결정격자 왜곡 현상을 체계적으로 규명하고, 이를 통해 비평형 결함공학(non-equilibrium defect engineering)의 가능성을 제시했다. 연구 성과는 국제학술지 Ceramics International(세라믹스 인터내셔널) (JCR 상위 7.4%, Q1)에 게재됐으며, 논문 제목은 Shockwave-driven oxygen defect evolution and lattice distortion in BCZYYb proton-conducting ceramics(충격파 기반 BCZYYb 프로톤 전도성 세라믹의 산소 결함 진화 및 격자 왜곡)이다.

  프로톤 전도성 세라믹은 차세대 수소연료전지(Protonic Ceramic Fuel Cell, PCFC)의 핵심 전해질 소재다. 소재 내부의 산소 결함은 수소 이온이 이동하는 통로를 형성하는 중요한 역할을 한다. 기존에는 새로운 원소를 첨가하는 도핑(doping)이나 고온 열처리를 통해 산소 결함을 제어했지만, 복잡한 공정 조건과 조성 변화로 인해 한계가 있었다.

  연구팀은 반복적인 충격파 유동을 활용해 소재 내부에 순간적인 비평형 환경을 조성하고, 이 과정에서 발생하는 구조 변화를 X선 회절(XRD), X선 광전자분광법(XPS), 비표면적(BET) 및 입도 분석(PSA) 등을 통해 체계적으로 규명했다. 그 결과, 충격파의 반복 횟수에 따라 산소 결함과 Ce3+ 농도가 증가하다 일정 수준 이후 안정화되는 현상을 확인했다. 이는 충격파에 의해 결함 생성과 구조 안정화가 동시에 일어나는 비평형 현상임을 보여준다.

  또한 충격파 처리를 통해 분말의 비표면적이 증가하고 입자 분산성이 향상되는 효과도 확인했다. 이는 수소연료전지 전해질 소재 제조 시 균일한 미세구조 구현과 공정 안정성 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구는 기존의 열처리 중심 소재 제어 방식에서 벗어나 충격파라는 동적 기계적 자극만으로 기능성 세라믹의 결함 구조를 제어할 수 있음을 입증했다는 점에서 의미가 있다. 연구팀은 향후 해당 기술을 촉매, 배터리, 반도체 등 다양한 분야로 확대 적용할 계획이다.

  김준석 교수는 “이번 연구는 충격파를 단순한 물리적 충격이 아니라 기능성 소재의 결함 구조를 제어하는 공정기술로 활용할 수 있음을 보여준 결과”라며 “수소연료전지를 포함한 다양한 에너지 소재의 성능 향상과 차세대 소재 설계 기술 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

  김익현 교수는 “기존에는 열처리나 조성 변경이 결함 제어의 주요 방법이었지만, 이번 연구를 통해 충격파 유동만으로도 비평형 구조 형성과 특성 조절이 가능함을 확인했다”며 “앞으로 충격파 기반 소재 공정을 다양한 기능성 소재 분야로 확장해 새로운 소재 설계 플랫폼으로 발전시켜 나가겠다”고 밝혔다.

  이번 연구에는 계명대학교 신소재공학과 김준석 교수가 제1저자로 참여했으며, 이재익 연구원, 시바프라카시 파라마시밤(Sivaprakash Paramasivam) 박사, 도달현 교수가 공동연구자로 참여했다. 기계공학과 김익현 교수는 연구책임자로 연구를 총괄했다. 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업과 계명대학교 비사연구비의 지원을 받아 수행됐다.