[과학산책]e-케미컬 제조기술 확보로 미래 성장동력 창출

 

민병권 박사

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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프린팅 기반 화합물 반도체로 태양 에너지를 청정에너지 ‘수소’로 저장
저비용, 고효율 반도체 전극 제작기술로 태양광 수소 생산 상용화 앞당겨

 

태양광 물 분해 기술*은 햇빛과 물로부터 수소를 얻는 대표적인 청정연료 생산방법이다. 앞으로 수소는 화석연료를 대체할 연료로 각광받으며 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상되나, 현재의 수소 제조법은 지구 기후변화를 야기하는 이산화탄소를 대량 방출한다는 한계점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해, 태양광 사용으로 물로부터 직접 수소를 제조하는 기술이 제안되어 왔지만, 아직까지 태양광으로부터의 생산 효율이 낮고, 소재 개발 단계에 머물러 있는 등 실용화에 크게 어려움을 겪고 있었다.
* 태양광 물분해 : 인공광합성의 예, 햇빛을 흡수하여 물로부터 수소와 산소를 생산하는 촉매 반응

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 황윤정, 민병권 박사팀은 태양광-수소 제조 디바이스(광전기 화학전지)의 태양광-수소 생산 성능을 크게 향상시키는 반도체 광전극의 저가 제조법을 개발했다. KIST 연구진은 지금까지 태양전지에 주로 사용되어온 황셀레늄화구리인듐갈륨*(CuInxGa1-xSySe2-y, CIGS) 반도체 화합물을 광촉매로 직접 활용하여 태양광 에너지를 수소에너지로 저장하는 인공광합성 장치에 적용하였다. 고비용의 진공장비를 이용하는 CIGS 제작법은 대량생산 및 대면적화에 어려움이 있어, 경제성 확보를 위해 저가의 프린팅 공정 기반의 기술 개발이 필요했다. 하지만 반도체 화합물의 용액 프린팅 공정방법은 아직까지 고품질의 CIGS 박막을 만드는데 한계가 있어 기술 향상이 필요한 부분이었다.
* 황셀레늄화구리인듐갈륨 화합물(CIGS) : 구리, 인듐, 갈륨, 황, 셀레늄의 원소가 일정비율로 결합된 화합물로 반도체 특성을 나타냄. 물을 환원시켜 수소를 생산하는 광촉매전극으로 관심을 받고 있음
연구진은 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하고, 황화아연(ZnS) 방식층을 CIGS 박막 위에 도포함으로써, CIGS 광촉매전극의 태양광-수소 전환 광전류 밀도*를 7mA/cm2에서 24mA/cm2으로 3배 이상 대폭 향상시켰다. 본 연구팀이 개발한 CIGS 광전극은 기존에 알려진 ∼10mA/cm2 수준의 최고 성능보다 월등히 높은 값이며, 고가 진공공정으로 제작한 CIGS 화합물 반도체가 나타내는 성능과도 견줄 만한 수준이라고 할 수 있다.
* 광전류 밀도 : 빛을 통한 전기 화학반응, 수소가 얼마나 빠르게 생성되는지의 정도

[그림] CIGS화합물 광전극과 황화아연층을 적용한 광전극의 광전류밀도를 비교한 결과 (좌측) 와 투명유리 기판위에 CIGS 광전극을 준비하고 황화아연층을 도입한 광전극의 모식도 (좌측 내부). 가역수소전극 대비 –0.3 V에서 –24mA/cm2의 광전류를 보임을 확인. 전극 표면에서 실제 생성된 수소 가스의 사진 (우측)

 

연구진은 효율의 향상을 위해 CIGS 표면 상태(Surface State)를 억제하고, 전자-정공쌍의 수명*을 크게 향상 시키는 기술 개발을 통해 가능하게 되었다. 또한, 파장별 광효율 측정을 통해, CIGS 광전극 내의 광전자의 움직임이 광전극 활성을 향상시키는데 매우 중요한 역할을 한다는 과학적 현상을 실험적으로 밝히기도 하였다. 한편, 연구진은 개발된 기술로 태양광을 전/후면 양방향으로 사용가능하게 제작하여 CIGS 광촉매 광전극의 다양한 응용 가능성을 제시하였다.
*전자-정공쌍의 수명 : 반도체가 빛 에너지를 흡수하면 전자와 정공이 쌍을 이뤄 생성되고, 물 분해에 사용된다. 이 전자-정공쌍이 재결합하는데 걸리는 시간을 전자-정공쌍의 수명이라고 한다.

KIST 황윤정 박사는 “이번에 개발된 저가 용액 프린팅 공정이 가능한 고효율 CIGS 화합물 광촉매 광전극 기술은 앞으로 태양빛과 물로부터 청정수소를 생산하는 시스템 개발에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 미래원천 연구사업 및 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS, (IF : 13.038))에 12월 7일(Vol.138, Issue 48) 게재되었다.

* (논문명) Enhanced Photocurrents with ZnS Passivated Cu(In,Ga)(Se,S)2 Photocathodes Synthesized

              Using a Nonvacuum Process for Solar Water Splitting
      - (제1저자) 한국과학기술연구원 채상윤 연구원
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 선임연구원, 민병권 센터장

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[YTN 사이언스] 사이언스투데이

"식물추출물을 바이오연료로 효율적 생산"

 

지난 2016년 11월 3일(목) YTN사이언스의 사이언스투데이 뉴스에  KIST 엄영순 박사님 연구성과가 소개되었습니다.  나무에서 추출한 당과 유지작물에서 나온 부산물(글리세롤)에 새로운 야생균주를 반응시켜 효율적으로 바이오연료를 생산하는 기술 개발관련된 내용인데요 청정에너지연구센터 엄영순 박사팀 연구성과 아래 링크에서 확인해 보세요

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[YTN 사이언스] 식물추출물을 바이오연료로 효율적으로 생산하는 기술 개발

 

나무에서 추출한 당과 유지작물에서 나온 부산물(글리세롤)에 새로운 야생균주를 반응시켜 효율적으로 바이오연료를 생산하는 기술이 개발되었습니다.  청정에너지연구센터 엄영순 박사팀의 연구성과가 방송보도 되었습니다. 관련 방송은 아래에서 확인해주세요

 

[YTN 사이언스 방송보기]

 

 

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