최근 국내외 환경규제 강화와 에너지 효율 향상 요구로 인해 수송 분야의 전기혁명이 자동차 산업을 선두로 급속히 진행되고 있다. 그러나 배터리를 자동차 동력원으로 사용하는 경우, 오랜 충전시간 대비 짧은 운행시간의 제한으로 인해 사용 시간 극대화 기술이 새로운 쟁점으로 부각되고 있으며, 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 연료전지 단독 또는 연료전지/배터리 하이브리드 형태의 동력원에 대한 연구가 진행되고 있다. 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)의 장점은 전류 밀도가 높고, 운전 온도가 낮으며, 연료 공급이 편리하고, 수명이 길다는 점이다. 따라서 자동차용 및 건물용으로 적용할 수 있는 가장 확실한 에너지원으로 평가받고 있다.

PEMFC는 고분자 전해질막(PEM)과 Pt/C 촉매 전극 및 기체 확산층(GDL)을 일체화시킨 MEA와 분리판으로 구성되어 있다. 이 부품들을 제조하기 위해 사용하는 재료들은 고가이고 높은 기술력이 요구되기 때문에 많은 연구자들이 가격을 낮추면서 성능이 우수한 소재를 개발하기 위한 연구에 집중하고 있다^1-5). 수소 양이온(H+) 전도성을 갖는 고분자 전해질막은 높은 이온전도도, 낮은 기체투과도 및 기계적/열적 강도를 가져야 하며, 필름 형태로 가공이 쉽고 수전해 시스템 운전조건에서 견딜 수 있는 내구성을 가져야 한다. 상용화된 제품인 DuPont사(USA)의 Nafion은 0.1 S/cm의 이온 전도성을 가지고 약 250 MPa의 기계적 강도를 갖는다. 그렇지만 이 제품의 경우 높은 가격(500-600$/m²)으로 인해 전체 스택의 제조비용이 크게 증가하는 요인이 된다⁶⁾. 따라서 Nafion을 대체할 수 있는 탄화수소계 고분자 전해질막 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 현재로서는 이것을 대체할 수 있을 정도의 성능을 발휘하는 소재가 개발되지 못하였다. 촉매 전극층은 수소의 산화 반응을 위한 음극 촉매층이 고분자 전해질막의 한쪽 면에 형성되어 있고, 다른쪽 면에는 산소의 환원 반응을 위한 양극 촉매층이 부착되어 있다. 촉매로는 주로 백금 나노입자가 탄소재료 담체에 단독으로 담지되어 있거나 또는 조촉매가 소량 혼합된 형태로 사용되기도 한다. 촉매의 형상은 나노 크기의 입자(particle), 로드(rod) 또는 다공성(porous) 형태를 이루고 있으며, 다양한 합성법에 의해 제조가 가능하다^7,8). 그럼에도 불구하고 백금 촉매의 양을 최소화하기 위한 연구는 지속적으로 진행될 필요가 있다. 분리판 재료에는 금속, 흑연, 탄소 복합재 등이 있으며, 그중 금속 분리판은 부식 문제가 있으며, 흑연 분리판은 밀링기계 가공으로 제작하게 되어 대량 생산에 적합하지가 않다. 따라서 부식 문제가 없으면서 대량 생산이 가능한 탄소 복합재 분리판에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 분리판은 가격 측면에서 연료전지 스택의 20% 정도를 차지하고, 중량 측면에서 70% 정도를 차지하는 큰 부품이다^9-11).

분리판은 연료 가스(수소 또는 산소)가 전극 촉매 표면에서 효율적으로 산화 또는 환원 반응하여 전기를 생산할 수 있도록 GDL을 통해 전극에 수소와 산소를 공급해주는 역할과 각각의 단위 셀에서 생산한 전기를 외부 회로에 전달해 주는 전류 집전체 역할 그리고 캐소드 측에서 생성된 물을 외부로 배출하는 역할을 수행한다. 또한 분리판은 MEA의 지지체 역할과 냉각 유로를 통한 발생 열의 방출 및 회수 역할도 담당 한다^3,12-14).

분리판 재료는 전기전도도가 높고, 부식 저항성이 탁월해야 하며, 단위중량당 우수한 출력 밀도를 가져야 한다. 또한 열전도도, 기계적 강도 및 가스 투과도 등도 뛰어나야 한다. 이와 같은 특성들을 충족시키는 재료로서 도전성 탄소 소재를 폴리머에 도입한 복합재료가 많이 연구되고 있다. 본 연구에서는 에폭시/탄소 복합재료의 기계적 강도를 개선하기 위해서 페놀 노블락 타입/diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) 타입 에폭시 수지 혼합물에 에폭시 실란 표면처리 탄소섬유를 도입하였고, 전기전도도를 향상시키기 위해서 흑연 분말과 흑연 섬유를 도입하여 그 영향들을 연구하였다.

Fig. 1은 승온속도를 변화시키면서 구한 페놀 노볼락 타입 에폭시 수지(8.0 g)/DGEBA 타입 에폭시 수지(2.0 g)/경화제(12.4 g)/TPP (0.1 g) 계의 DSC 열량분석 결과이다. 5℃/min의 승온속도에서 구한 DSC 곡선으로부터 57-75℃ 범위에서 흡열피크가 나타나고, 그 이후로 발열 곡선이 서서히 증가하며, 183.12℃에서 피크가 나타나고, 그 이후로는 발열량이 점점 줄어드는 것을 볼 수 있다. 처음의 흡열 피크는 DGEBA 타입 에폭시 및 페놀 노블락 타입 에폭시가 녹으면서 열을 흡수하기 때문에 발생하며, 발열곡선은 에폭시 기와 경화제의 화학 반응에 기인하는 것으로 판단된다. 이것으로부터 본 에폭시 계의 경화 반응 온도 및 시간은 120℃에서 3시간 경화 반응 후 연속적으로 180℃에서 3시간 동안 후경화를 시키는 것이 적절하다는 것을 알 수 있었다. 탄소 재료는 에폭시 수지의 경화 반응 메커니즘에는 거의 영향을 미치지 않기 때문에 이 조건에 따라 에폭시/탄소 복합재료를 경화시켜서 분리판을 가열 압축 성형하였다.

Fig. 1. 
DSC curves for phenol novolac-type epoxy (8.0 g)/DGEBA-type epoxy (2.0 g)/curing agent (12.4 g)/catalyst (0.1 g) system at various curves

승온속도에 따른 DSC 곡선들을 살펴보면 승온속도가 증가함에 따라 흡열피크 및 발열 피크에서의 온도가 증가하는 쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다. 이것은 승온속도가 증가할수록 더 짧은 시간 동안에 주위 온도가 더 빨리 증가하기 때문에 에폭시 수지의 녹음 현상 또는 경화 반응이 더 빨리 진행되기 때문이다. 각각의 승온속도 조건에서 구한 발열피크 온도를 구하여 Table 1에 나타내었고, Kissinger equation에 대입하기 위해서 –ln(q/Tp²) 항과 1/Tp 항을 구하여 Table 1에 같이 나타내었다. 경화 반응 활성화 에너지 및 pre-exponential factor와 이 두 항의 직선의 관계식을 구하기 위해서 Fig. 2에서와 같이 least square fitting법을 사용하여 식(2)와 같은 직선의 관계식을 구하였다.

Fig. 2. 
Kissinger plot of 1/TP vs. –ln(q/TP2) for phenol novolac-type epoxy (8.0 g)/DGEBA-type epoxy (2.0 g)/curing agent (12.4 g)/catalyst (0.1 g) system

이 직선의 기울기로부터 경화 반응 활성화 에너지, Ea를 구할 수 있고, y-절편으로부터 pre-exponential factor, A를 구할 수 있으며, 이 값들은 각각 81.64 kJ/mol과 9.22×106 min^-1이었다.

Fig. 3과 4는 에폭시/탄소 복합재료의 인장강도에 미치는 에폭시 실란 표면처리 탄소섬유의 영향을 나타내었다. Fig. 3에서 E₂₅-GP₇₅-CF₀ 계의 인장강도는 24.8 MPa이고, 미처리 CF 함량이 증가함에 따라 인장강도가 크게 증가하였다. 미처리 CF가 3 wt% 첨가된 E₂₅-GP₇₂-CF₃ 계는 136% 증가된 값을 나타내었다. 표면처리 CF 함량이 증가하는 경우에도 Fig. 4에서 보는 바와 같이 인장강도가 크게 증가하였다. 표면처리 CF 함량이 3 wt%인 계의 값은 37.2 MPa로 에폭시/GP 계에 비해 150% 증가된 값을 나타내었다. 이 결과로부터 에폭시 실란 표면처리 탄소섬유가 에폭시/탄소 복합재료의 인장강도에 매우 좋은 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.

Fig. 3. 
Effect of unmodified CF content on the tensile strength of E25-GPb-CFc composite, where b+c=75

Fig. 4. 
Effect of epoxy silane-modified CF content on the tensile strength of E25-GPb-CFc composite, where b+c=75

에폭시/탄소 복합재료의 굴곡강도에 미치는 에폭시 실란처리 CF 함량의 영향(Fig. 5)에 대해서도 평가하였으며, 인장강도에서와 마찬가지로 에폭시 실란 처리 CF 함량이 증가함에 따라 굴곡강도가 크게 증가하였다. E₂₅-GP₇₅-CF₀-GF₀ 계의 굴곡강도는 52.7 MPa이고, 표면처리 CF가 3 wt% 첨가된 계는 146% 증가된 값을 나타내었다. 이 결과들로부터 에폭시 실란 표면처리 CF가 에폭시 복합재료 내에서 강한 결합력을 발휘하면서 기계적 특성을 강화시킨다는 것을 알 수 있다.

Fig. 5. 
Effect of epoxy silane-modified CF content on the flexural strength of E25-GPb-CFc composite, where b+c=75

에폭시와 CF 사이의 강한 결합력을 확인하기 위해서 인장 시편 파단면에 노출된 CF 표면을 FE-SEM으로 관찰하여 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6(a)는 표면처리하지 않은 CF의 표면 사진으로, 에폭시 실란으로 표면처리하지 않은 경우에도 CF 표면의 많은 부분이 에폭시로 코팅되어 있는 것을 볼 수 있다. 그렇지만 일부분은 에폭시로 코팅되어 있지 않고, 특히 CF 표면에 그라파이트 입자가 전혀 부착되어 있지 않은 것을 볼 수 있다. 이에 반해 Fig. 6(b)에서와 같이 에폭시 실란으로 표면처리 된 CF 표면은 에폭시 수지로 완전히 코팅되어 있으며, 또한 그라파이트 입자들과도 강하게 부착되어 있는 것을 볼 수 있다. 이는 CF 표면에 존재하는 에폭시 기와 에폭시 매트릭스 사이의 경화제 사이에 화학결합이 일어나기 때문에 파단 과정에서 CF가 에폭시 매트릭스로부터 끌려 나올 때 에폭시가 코팅된 상태로 빠져나오기 때문이다. 또한, CF 표면에 부착된 그라파이트가 깨지면서 작은 그라파이트 입자 형태가 CF 표면에 존재하게 되는 것이다. CF와 에폭시 매트릭스 사이의 강한 파괴에너지는 debonding energy, post debond friction energy 그리고 pull-out energy 메커니즘으로 설명할 수 있다^17-19).

Fig. 6. 
SEM photos for the pulled-out CF surface from the fractured surface in E25-GP70-CF5 : (a) unmodified CF and (b) epoxy silane-modified CF

CF가 도입되지 않은 계에 대한 FE-SEM 관찰 결과를 Fig. 7(a)에 나타내었다. 판상의 흑연 입자들이 균일하게 분산되어 있으며 거시적으로 볼 때에는 흑연 입자들이 서로 연결되어 있는 것처럼 보이지만, Fig. 7(a)에서와 같이 미시적으로 살펴보면 흑연입자들 사이에 상당히 큰 공간들이 존재하는 것을 볼 수 있으며, 이 공간들로 인해서 분리판의 기계적 강도 및 전기전도도가 크게 감소하게 된다. 따라서 도전성 섬유를 도입함으로서 멀리 떨어져 있는 흑연 입자들 사이에 도전 통로를 연결해줄 필요가 있다. 그러나 이전 연구를 통해서 흑연 분말 함량을 줄이고 탄소 섬유 함량을 증가시킬 경우 오히려 전기전도도가 감소하는 것이 보고되었으며¹⁹⁾, 따라서 본 논문에서는 분리판의 기계적 강도를 증가시키기 위해서 CF를 도입하였고, 전기전도도를 증가시키기 위해서 전기전도도가 높은 흑연 섬유를 같이 도입하였다. Fig. 7(b)는 에폭시 매트릭스로부터 끌려나온 CF와 GF의 표면을 나타내는 SEM 사진이다. CF와 GF가 그라파이트 분말들 사이를 관통해서 존재하는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 그라파이트 입자들 사이를 연결시켜 주는 GF들은 멀리 떨어져 있는 그라파이트 입자 사이에 전자 이동 통로로 작용할 수 있기 때문에 에폭시/탄소 복합재료 분리판의 전기전도도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 7. 
SEM photos for (a) fractured surface of E25-GP75 and (b) epoxy silane-modified CF and GF surface from the fractured surface in E25-GP65-CF2-GF8

에폭시/탄소 복합재료 분리판의 전기전도도에 미치는 GF 함량의 영향을 Fig. 8에 나타내었으며, GF 함량이 증가하면 전기전도도가 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. GF 함량이 가장 높은 E₂₅-GP₆₅-CF₁-GF₉ 계의 전기전도도는 102.8 S/cm로서 GF가 첨가되지 않은 E₂₅-GP₇₅-CF₀-GF₀ 계의 전기전도도, 25.2 S/cm보다 4.08배 향상된 값이다. E₂₅-GP₆₅-CF₁-GF₉ 계의 인장강도와 굴곡강도는 각각 39.7 MPa과 78.2 MPa이고, 이 값들은 CF와 GF가 전혀 첨가되지 않은 E₂₅-GP₇₅-CF₀-GF₀ 계의 값에 비해 각각 1.60배와 1.48배 향상된 값을 나타내었다. 이 값들은 미국 에너지성(DOE)의 전기전도도 목표값인 100 S/cm 이상과 굴곡강도 목표값인 25 MPa 이상을 충족하는 값이다²⁰⁾.

Fig. 8. 
Effect of GF content on the electrical conductivity of E₂₅-GP_b-CF₁-GF_d composite, where b+d=73

PEMFC용 분리판 제작을 위해 페놀 노블락 타입 에폭시/DGEBA 타입 에폭시/탄소 복합재료 계가 사용되었다. 페놀 노볼락 타입 에폭시 수지(8 g)/DGEBA 타입 에폭시 수지(2 g)/경화제(12.4 g)/촉매(0.1 g)계의 경화 반응 활성화 에너지는 81.64 kJ/mol이고, pre-exponential factor 값은 9.22×106 min^-1이었다. 에폭시/GP/CF 계에서 에폭시 실란 표면처리 CF의 함량이 증가함에 따라 인장강도 및 굴곡강도가 크게 증가하였고, CF가 3 wt% 첨가된 E₂₅-GP₇₂-CF₃ 계의 이 값들이 각각 150% 및 146% 정도 증가하였다. 이것은 CF 표면의 에폭시기와 에폭시 매트릭스의 경화제 사이에 강한 화학결합으로 인해 파괴 에너지가 크게 증가하기 때문이다. 그렇지만 CF 자체만으로는 전기전도도에 악영향을 미치기 때문에 그라파이트 섬유를 도입할 필요가 있으며, 에폭시/GP/CF/GF 계에서 GF 함량이 증가함에 따라 전기전도도가 증가하는 것을 확인하였다. GF가 가장 많이 첨가된 E₂₅-GP₆₅-CF₁-GF₉ 계의 전기전도도는 102.8 S/cm이며, 이 값은 GF가 첨가되지 않은 E₂₅-GP₇₅-CF₀-GF₀ 계의 전기전도도, 25.26 S/cm에 비해 4.08배 향상된 값이다. 이상의 결과로부터 E₂₅-GP₆₅-CF1-GF9 계가 미국 에너지성(DOE)의 전기전도도 및 굴곡강도를 충족한다는 것을 알 수 있었다.