e-케미컬 제조기술 확보로 미래 성장동력 창출


 

최근 미국 도널드 트럼프 정부의 친 화석연료 정책 발표에도 신재생에너지 시장의 성장세는 이어질 것이라는 전망이 우세하다. 세계 최대 온실가스 배출국이라는 오명을 듣고 있는 중국은 2020년까지 재생에너지 분야에 3600억달러를 투자하겠다는 계획을 발표했다. 산업혁명 이후 많은 나라가 300년 이상 화석연료를 사용해 왔다. 현재 인류는 세 가지 가운데 하나를 택해야 하는 기로에 놓여 있다. 기존 에너지 사용의 근간인 화석연료를 앞으로도 계속 사용하는 것, 태양·바람·물 등 자연에서 생산되는 신재생에너지로 에너지 패러다임을 완전히 전환하는 것, 이 두 가지 에너지원을 모두 사용하는 것이다.

 

오래 전부터 가까운 미래에 우리가 필요로 하는 에너지가 모두 신재생에너지로 충당될 것이라고 믿어 왔다. 단순히 석탄·석유 같은 화석연료 고갈이나 최근 국제적 이슈로 떠오른 기후 변화 우려 때문만은 아니다. 신재생에너지가 화석연료보다 편리하고 친환경적이며, 장기적으로는 화석연료의 경제성을 넘어설 것이기 때문이다. 외국에도 나와 유사한 생각을 하고 있는 전문가가 많다. 미국 스탠퍼드대의 저명한 미래학자 토니 세바 교수는 '에너지혁명 2030'이란 저서에서 2030년이 되면 에너지 100%를 태양광 에너지만으로 충당 가능한 시대가 올 것이라고 예측했다. 일선에서 태양광 기술 연구를 하고 있는 나는 13년밖에 남지 않은 가까운 미래에 과연 그것이 가능할까 하는 의구심이 들기도 한다.

 

그러나 세바 교수가 언급한 과거의 몇몇 사례를 보면 가능성은 충분하다. 1900년대 미국 운송 수단이 마차에서 자동차로 완전히 바뀌는 데 걸린 시간은 13년, 2007년 애플의 아이폰 출시 이후 휴대폰 시장 구조가 스마트폰 중심으로 바뀌는 데 5년이면 충분했다. 에너지 패러다임의 변화도 생각보다 짧은 시간에 이뤄질 수 있다는 생각이 든다. 굳이 2030년으로 특정하지 않더라도 적어도 우리 다음 세대에는 화석연료 대신 신재생에너지가 일반화된 에너지 형태가 될 것이라고 예상할 수 있다. 실제 세계 각국의 에너지 로드맵 추세를 보면 이러한 대체 현상이 점점 구체화되고 있다. 독일은 2050년까지 전체 에너지에서 신재생에너지가 차지하는 비율을 80%, 중국은 2050년까지 80%, 덴마크는 2035년까지 100%까지 각각 끌어올리는 로드맵을 제시하고 이에 필요한 구체적 정책들을 내놓고 있다.

 

화석연료가 사라진 미래의 신재생에너지 기반 사회는 깨끗하고 안전한 에너지에 대한 밝은 미래를 약속하는 듯 보인다. 그러나 우리가 고려해야 할 또 다른 중요한 문제가 있다. 신재생에너지의 발전으로 모든 에너지를 충당할 수 있다 하더라도 그동안 석탄·석유를 시원료로 사용해 생산해 오던 플라스틱과 같은 화학제품은 어떻게 생산할 수 있을까. 한 예로 우리는 지금까지 섭씨 1000도 이상의 온도에서 석탄 가스화 반응을 통해 합성가스를 만들고, 이 가스를 이용해 에틸렌·메탄올 등 화학원료를 생산한다. 이를 기반으로 페트, 우레탄 등 플라스틱 화학제품을 만든다. 진정한 신재생에너지 기반 사회가 구현되기 위해서는 지금까지 석탄·석유를 시원료로 해 열화학 반응으로 만들어지는 화합물(화학원료, 화학제품 등)을 대체할 신재생에너지 기반의 화합물 제조 방식이 요구된다. 이런 전기화학 반응으로 생산된 실제 화학제품 생산에 적용 가능한 고부가 가치 화합물을 'e-케미컬'이라고 한다. 이산화탄소, 질소, 산소, 물을 시원료로 만들기 때문에 완전한 탈 화석연료 화학제품이라 할 수 있다.

 

e-케미컬 기술을 적용하면 기존의 열화학 반응보다 훨씬 높은 에너지 효율성과 반응 단계의 단순화로 공정비용 감축 효과를 볼 수 있다. 정교한 반응 조절로 원하는 물질을 선택적으로 만들 수 있는 장점도 있다. e-케미컬 기술의 대표적인 예로 에틸렌글리콜이 있다. 자동차 부동액으로 많이 사용되는 에틸렌글리콜은 현재 석유나 석탄을 시원료로 하여 총 3단계의 고온·고압 반응을 거쳐 생산되고 있다.  그러나 이를 e-케미컬 기술을 적용해 제조하면 상온에서 이산화탄소와 물을 사용, 총 2단계 반응을 거쳐 생산이 가능하게 된다. 현재 e-케미컬 기술 개발은 세계적으로 매우 초보적인 단계다. 그럼에도 신재생에너지 발전으로 전기 보급과 관련 기술 개발에 대한 관심, 연구개발(R&D) 투자는 비약적으로 증가하고 있다. 국제적 추세를 고려한다면 우리나라도 미래의 새로운 성장 동력 창출과 기후 변화 대응을 선도하기 위해 e-케미컬 기술에 국가적 관심과 투자를 확대해야 할 것이다.

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광결정 기술 융합을 통해 다양한 색상을 갖는 투광형 태양전지 개발
안정성, 심미성 확보를 통한 창호용 태양전지로의 응용 가능성 제시

 

가까운 미래에 도시의 필요 전력을 충당하기 위한 가장 적합한 형태로 건물일체형 시스템(BIPV, Building Integrated Photovoltaic System)*이 각광받고 있다.  매년 건물일체형 태양전지는 20% 이상의 고성장을 하고 있고, 대부분을 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있다. 하지만 대부분 단순한 응용수준에 그치고 있으며, 실리콘 태양전지가 불투명하여 현대 건축물의 창호에는 적용하는데 한계가 있었다. 최근 국내 연구진이 안정성과 심미성을 지닌, 창호용으로 사용 가능한 무기 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다.
*BIPV : 태양광 에너지로 전기를 생산하여 소비자에게 공급하는 것 외에 건물 일체형 태양광 모듈을 건축물 외장재로 사용하는 태양광 발전 시스템이다.

<사진 1> 1차원 광결정 필름이 결합된 CIGS 박막 태양전지 모습.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청청에너지연구센터 민병권 박사와 국민대학교(총장 유지수) 응용화학과 도영락 교수 공동연구팀은 프린팅 기반 저가형 코팅공정의 박막 태양전지 기술과 1차원 광결정** 기술의 융합을 통해 다양한 색상의 창문으로 사용 가능한 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다.
**1차원 광결정 : 서로 다른 굴절율을 갖는 산화물 박막을 적층하여 빛의 반사도 및 반사 파장범위를 조절할 수 있는 필름

태양전지가 창호용으로 응용되기 위해서는 일정 부분 투광성을 가지고 있어야 하고, 다채로운 색상 구현을 통한 심미성 확보가 중요하다. 또한 오랜 시간 유지될 수 있는 내구성 확보가 필수적인데, 지금까지 창호용으로 개발된 유기소재 기반의 태양전지들은 안정성 확보에 어려움이 있어 상용화 단계에 이르지 못했다. 공동연구팀은 이미 안정성이 검증된 CIGS 박막 태양전지를 투명 전도성 기판에 제조하고, 1차원 광결정 필름을 태양전지 안팎으로 양면 결합을 했다. 연구진은 1차원 광결정 필름의 구조제어를 통해 빛의 투과 또는 반사 효율을 세밀하게 조절함으로써 색상의 선명도는 높이고 태양전지의 빛 흡수 손실은 최소화하는 기술을 개발하였다. 따라서 이번 연구는 다채로운 색상 구현에 성공하여 심미성을 높이고, 일정 투광성을 확보하여 창호용 태양전지로 응용 가능한 새로운 태양전지 기술을 제시한 의의를 갖는다. 연구진은 CIGS 박막 제조에 있어서 기존의 진공 증착 방법이 아닌 저가의 용액 코팅법을 이용했다. 기존의 용액공정을 통한 CIGS 박막 태양전지는 기존 진공증착법 보다 낮은 효율을 보이고 있었으나, 본 연구진은 꾸준한 기술 개발을 통해 현재 효율이 15%에 이르는 세계 최고 수준의 고효율 단위 셀 기술을 보유하는데 성공하여 저비용으로 태양전지를 제조 할 수 있는 토대를 마련하였다. KIST 민병권 박사는 “이번에 개발된 박막 태양전지 기술의 가장 큰 장점은 아름다운 색상을 띄면서도 고효율과 고내구성 및 투광성을 확보할 수 있다는 점”이라 말하며, “향후 건물일체형 창호용 태양전지에 적용하여 관련 산업 창출에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

<사진 2> 1차원 광결정 필름을 이용한 다양한 색상의 CIGS 박막 태양전지 모습

이번 연구는 산업통상자원부(장관 주형환)와 한국에너지기술평가원(원장 황진택)이 시행하는 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행 되었으며, 나노 및 에너지소재분야 최상위급 과학학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces, IF : 7.145)에 5월 3일(수) 게재되었다.

 

※ (논문명) : Multiple-Color-Generating Cu(In,Ga)(S,Se)2 Thin-Film Solar Cells via Dichroic Film Incorporation for Power-Generating Window Applications, 9, 14817-14826 (2017)
    -  (제1저자) 한국과학기술연구원 정재승 석사과정, 국민대학교 유강열 박사과정
    -  (교신저자) 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 민병권 박사
    -  (교신저자) 국민대학교 응용화학과 도영락 교수

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화석연료 NO! 자연으로부터 고부가가치 제품 생산기반 준비

민병권 센터장 “고위험 고수익 연구...국가대표 연구팀 구성해 도전할 것”



페트병, 기저귀, 페인트, 전자제품, 건축재, 비료 등 우리는 많은 제품을 화석연료로부터 얻는다. 가령 우리가 자주 쓰는 페트병은 석탄가스화→에틸렌 옥사이드(ethylene oxide)→에틸렌글리콜(ethylene glycol)이라는 과정을 거치는데, 이를 위해 화석연료를 통한 열 화학반응이 중요하다.

 

비료를 대량생산하는 것도 마찬가지다. 농업혁명을 가져온 질소비료 합성의 핵심인 암모니아를 대량 제조하는 방법(하버-보슈법)도 500℃의 온도와 300bar에 해당하는 압력을 만들기 위해 화석연료를 사용한다. 하버-보슈법이 만들어진지 100년이 지났지만 지금도 이 방법을 계속 쓰고 있다.

 

화석연료는 인류에게 가장 큰 선물이지만 동전의 양면처럼 쓸수록 지구를 병들게 만든다. 화석연료 기반 에너지소비에서 배출되는 온실가스가 환경오염의 주범으로 꼽히고 있기 때문이다. 또 언제 고갈될지 모르기 때문에 대체에너지가 시급하다. 많은 선진국이 화석연료 사용을 줄이기 위해 미래 에너지개발에 박차를 가는 이유이기도 하다.

 

굴뚝의 이산화탄소+물+전기반응으로 ‘페트병’ 만든다

 

화석연료가 축소화, 혹은 고갈되면 인류의 일상 생활제품은 어떻게 만들어야할까. 자연으로부터 무한대로 얻을 수 있는 태양에너지·공기·물을 통해 화학제품의 원료를 얻고, 전기화학반응으로 화학연료 제품을 만들 계획을 밝힌 과학자가 있다. 민병권 KIST 청정에너지연구센터 센터장이다. 그는 이 기술에 'e-케미컬'이라는 이름을 붙였다. e는 전자(일렉트론, electron)의 약자다.

 

화석연료 대신 공기와 물, 태양에너지 등을 통해 전기화학적 방법으로 고부가가치 화학원료 및 화학제품을 만드는 기술은 얼핏 연금술을 연상케 하지만 허무맹랑하지 않다.


e-케미컬 연구가 이뤄질 연구실 및 연구성과들.

극소량이지만 질소비료 합성의 핵심인 질소화합물도 충분히 자연에서 얻을 수 있기 때문이다. 번개가 칠 때 그 에너지에 의해 질소분자가 깨지면서 질소화합물이 생성되는 것이 한 예다. 이런 자연현상을 태양광에서 얻은 에너지를 이용한 전기화학반응을 통해 인위적으로 구현함으로써 화석연료 없이 화학제품원료를 만들어낼 수 있다는 것이 기본 아이디어다. 그는 “공기나 물 등 자연의 원료는 가장 안정하다. 이런 것을 불안정하게 깨주는 것이 핵심”이라고 설명했다.

 

완제품 생산은 아니지만 페트병을 만드는 중간 단계인 에틸렌글리콜을 만드는 것은 전기화학반응을 통해 가능한 것으로 이미 알려진 기술이다. 민 센터장에 따르면 질소 분자를 깨서 암모니아를 만드는 것처럼, 페트병도 굴뚝에서 나오는 이산화탄소를 가져다가 물과 전기의 반응으로 만들 수 있을 것으로 기대된다.

 

그는 "화석연료로 고온 환경을 만들지 않아도 이러한 반응으로 페트병 전 단계인 에틸렌글리콜을 추가 단계 없이 만들 수 있어 개발 스텝을 줄일 수 있는 장점이 있다며 "실온에서도 반응이 가능하기 때문에 에너지 소비가 적다는 장점이 있다"고 설명했다.

 

민 센터장이 e-케미컬을 강조하는 이유는 지난 연구와도 관계가 있다. 그는 그동안 연구를 통해 태양빛과 물, 이산화탄소를 통해 자연의 광합성을 모방한 인공광합성 디바이스 기술을 개발하여 이산화탄소로부터 고부가가치 화학원료를 생산하거나, 선택적으로 이산화탄소를 일산화탄소로 전환해 고효율 촉매를 만드는 기술을 개발하는 등 e-케미컬의 가능성을 엿봤다.


민 센터장은 "알데하이드까지는 아니지만 이산화탄소를 가지고 알데하이드와 유사한 C1을 만드는 촉매 연구 등은 오랫동안 해왔다. 지금까지 자연으로부터 얻은 재료로 완제품을 만든다는 개념이 없었을 뿐"이라며 "우리는 자연을 원료로 에너지를 만들고 이를 통해 최종 화학제품의 핵심원료를 만드는 것을 목표로 연구를 구상 중"이라고 설명했다.


e-케미컬 연구를 함께 할 연료전지팀 연구실 모습.

민병권 센터장은 화학원료를 대량 생산하는 인공광합성 시스템을 개발하는 등 e-케미컬 연구의 가능성을 오랜 연구를 통해 엿봤다. 사진은 일체형 자가구동 인공광합성 디바이스 시스템.

 

‘6년 프로젝트‘ 가동 “국가대표 연구팀과 함께 연구 추진”

 

민 센터장은 'e-케미컬' 아이디어를 10여년 전부터 구상하고 실현하기 위한 기반을 쌓았다. KIST가 내부 연구자들을 대상으로 융합연구 아이디어를 선정해 포상하는 오디션 이벤트 'KIST 파이오니어쉽'에서도 해당 아이디어를 제시해 내부 연구자들의 공감대를 형성했다.

 

또 실용적인 촉매 개발과 반응기 시스템 구현과 더불어 촉매 현상 및 반응 메커니즘을 연구하는 기초과학분야도 함께 추진하는 만큼 해당 연구주제를 잘 이해하고 있는 내외부 연구자들과의 활발한 커뮤니케이션을 하기 위해 '인공광합성연구회'도 조직해 운영 중이다. 올 봄에 KIST에서 열린 첫 심포지엄에는 관계자 100여명이 참가하는 등 성황을 이뤘다. 


 

본격적인 연구프로젝트로 구현하기 위한 기반도 대략 마련된 상황이다. 내년 연구과제 추진이 확정되면 이를 기반으로 6년 프로젝트 연구를 시작할 계획이다.

 

그는 해당기술을 통해 노트북과 같은 전자제품 케이스와 건축물 재료로 많이 사용하는 플라스틱물질과 비료를 만드는 새로운 공정 등 다양한 연구가 가능할 것으로 기대했다.

 

그는 "지금까지 우리는 화석연료를 통해 살아왔지만 언제 없어질지 모른다. 결국 자연으로부터 오는 에너지와 원료를 활용해야 한다는 것"이라며 "별도 저장하지 않고도 태양에너지를 그대로 받아 쓸 수 있도록 하는 것이 우리의 생각이다. 해당기술이 개발되면 우리나라의 제2화학 산업 등 새로운 성장동력을 가질 수 있을 것"이라고 말했다.

 

이어 민 센터장은 "신재생에너지 정책은 우리나라뿐 아니라 전 세계적으로 제시하고 있는 방향이다. 변화에 발맞춰 화학제품원료를 만드는 새로운 방법은 꼭 필요할 것"이라며 "하이리스크 하이리턴 연구인만큼 다양한 백그라운드의 연구자가 모여 있는 KIST가 꼭 해야 하는 일이라고 생각한다. 촉매개발 뿐 아니라 반응기연구도 중요한 만큼 KIST의 연료전지팀과 원내외 전문가들과 함께 국가대표 연구팀을 만들어 연구를 추진할 것"이라고 강조했다.







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