기존의 백금 촉매 대체가능한 로듐 합금 촉매 개발,

연료전지 상용화 기대
전자레인지(극초단파)의 원리 응용 친환경·초간편 양산 촉매 기술
 

<그림> 로듐 합금 나노 입자 표면에서의 전기화학적 반응 모식도

알칼리 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의한 전기 에너지 발생 과정에서 물만 배출하여 차세대 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 알칼리 연료전지는 1960년대부터 우주발사체 전원 등에 이용되어 왔으며, 에너지 발생을 위한 나노 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 및 팔라듐 기반의 합금 나노 입자를 사용하는 것이 일반적이었다. 최근 국내 연구진이 고가의 백금 대신 로듐(Rh, rhodium) 합금을 간편히 제조하여 연료전지 성능을 향상시키는데 성공했다고 밝혔다.  

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 유성종 박사팀은 서울대학교 기초과학연구원 나노입자연구단 성영은 교수와의 공동연구를 통해, 최근 전 세계적으로 차세대 연료전지로 각광을 받고 있는 고체 알칼리막 연료전지에 사용가능한 고성능 비백금계 로듐기반 나노 촉매를 개발했다고 밝혔다. 일반적으로 알칼리 연료전지에는 에너지 발생의 핵심 역할을 하게 되는 나노 촉매로 전기화학적 활성이 우수한 백금 및 팔라듐 기반의 합금 나노 입자를 사용해왔으나, 높은 의존도 문제와 더불어 소재 자체의 안정성에 대한 한계가 제기되어 왔다. 연료전지용 소재는 장시간 산화 환경에 노출되기 때문에 소재의 안정성 및 내구성에 대한 엄격한 수준의 소재 기술이 요구되므로 촉매 전체의 내구성을 감소시키는 백금 및 팔라듐 합금은 치명적인 단점이 있었다.  이에 연구진은 소재 안정성이 뛰어나지만 성능이 낮은 것으로 알려진 로듐에 대해 연료전지용 촉매 연구를 진행한 결과, 로듐과 주석 합금 나노 입자가 연료전지의 전기화학적 산소 환원 반응에 있어서 우수한 특성을 갖는다는 것을 밝혀냈다. 현재까지 연료전지 촉매 분야에서 로듐은 백금의 보조 촉매 수준으로 사용되어 왔으나, 나노미터(nm) 수준에서의 재료의 표면 제어 기술을 사용하게 되면 고안정성 및 고활성 연료전지용 촉매 소재로 활용 가능하다는 것이 증명되었다. 연구진은 로듐과 주석의 합금 구조가 표면의 구조 변화로 활성점이 증대되면서 이용률이 상승하여 로듐 입자 대비 10배 이상 성능이 향상되고, 기존 백금 촉매 대비 4배의 성능이 향상됨을 밝혀냈다. 특히 개발된 촉매는 기존 합성법이 적게는 12시간, 많게는 48시간 소요되던 것과 달리, 일반 가정에서 사용하는 전자레인지와 동일한 원리(극초단파, micro wave)를 이용하여 10분 내에 간편히 제조할 수 있는 기술로 개발되었다. 기존 연료전지용 소재 합성법과 달리 화학 첨가물 투입 및 추가 공정 과정이 배제되기 때문에, 신속한 소재 제조 기술 및 공정 단순화 기술 결합이 가능하였다. 그러므로 시간당 촉매 제조 생산량이 높아 향후 소재 생산 공정에 있어서도 상업적 장벽을 크게 완화시킬 것으로 전망된다. KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 연료전지용 촉매 성능 향상 뿐 아니라 기존 연료전지용 촉매에 대한 한정적 선택 환경을 극복하고 새로운 소재의 촉매 설계가 가능해졌다는 점이 핵심”이라 말하며, “향후 차세대 에너지 변환 소재의 설계 및 제조 공정 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 밝혔다.

 

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 신재생에너지핵심기술사업 한국연구재단, 산업통상자원부 지원으로 수행되었으며, 촉매 분야의 국제 학술저널인 미국화학회 촉매지(ACS Catalysis, IF : 10.614)에 9월 1일 온라인 게재되었다.

 

 * (논문명) Rhodium–Tin Binary Nanoparticle—A Strategy to Develop an Alternative Electrocatalyst for Oxygen Reduction
     - (제1저자) 한국과학기술연구원 안민제 박사(post-doc)
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 서울대학교 성영은 교수

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 - 친환경 무기 물질기반으로 고전도율 지닌 정공수송체 개발
 - 오랜 시간에도 성능이 유지되는 고성능 친환경 태양전지 구현

 

   태양광 발전은 태양으로부터 나온 광(光)에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 방식으로 고성능 저비용 태양전지의 개발이 중요하다. 특히 태양광 발전은 이산화탄소가 발생하지 않아 친환경 발전의 대표주자로 세계 에너지 시장에서도 가파르게 성장하고 있다. 하지만 현재 많이 연구되고 있는 태양전지는 가격이나 내구도 측면의 문제로 인해 상용화가 지연되고 있는 실정이다. 국내 연구진이 이러한 문제를 해결할 수 있는 원천물질을 발견했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀은 기존의 태양전지 구동에 필요한 핵심부분 중 하나인 정공수송층*으로 널리 이용되던 유기 물질(spiro-OMeTAD**)을 지구상에 풍부한 무기 물질인 황철석 나노입자로 대체하였고 이를 사용하여 친환경적인 고성능·고안정성  페로브스카이트*** 태양전지를 개발하였다고 밝혔다.

 

 

※용어설명
*정공수송층 : 태양광에 의해 광흡수층의 엑시톤(exiton)이 전하와 정공으로 분리되어 생성된 정공

                 전극 쪽으로 원활하게 이동되어 전류를 생성해 주는 층을 말한다.
**spiro-OMeTAD : 구매가 가능한 대표적인 유기 홀 전도성 물질(hole conducting material)이다.
***페로브스카이트 : 1839년도 러시아의 광물학자 Perovski가 발견한 물질 구조의 이름이며, 다양한

                         전기적 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 결정 구조를 가진 물질이다.

                         그 중 유기물과 무기물이 혼재된 페로브스카이트 물질은 우수한 광전자 성질을 띄어

                         차세대 태양전지의 광 흡수층으로 다양한 연구가 이루어지고 있다.
 
   현재 상용화된 태양전지는 실리콘을 사용한 태양전지이나 고민재 박사팀이 개발한 태양전지는 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지로 최근 몇 년 사이에 전세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있어 기존 태양전지의 유력한 경쟁 후보로 부상하고 있다. 특히 최근 공식적으로 발표된 연구결과에 따르면 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 연구가 시작된지 4년만에 광전변환 효율 22.1%를 달성한 것으로 보고되었다. 그러나 태양전지 제작에 사용되는 정공수송체의 가격과 수분에 취약한 단점으로 인해 상용화에 많은 어려움이 있었다.

   이번 연구 결과는 바로 이러한 부분을 보완하는 획기적인 연구로 기대를 모으고 있다. 태양전지는 빛에너지를 흡수하여 광전자층의 전하와 정공을 분리시키는데 이 때 발생한 정공을 전극쪽으로 원활하게 이동시키기 위한 정공수송층이라는 부분이 있다. 광전자층으로 사용되는 페로브스카이트 물질 자체는 상대적으로 저렴하나 보편적으로 제작되는 페로브스카이트 태양 전지의 정공수송체에 사용되는 유기물질(spiro-OMeTAD)은 합성과 정제가 어려워서 백금이나 금 같은 귀금속의 10배 이상 가격이 비싼 상황이다. 가격이 비싼 정공 수송체를 상대적으로 가격이 저렴한 무기 물질을 대체하는 연구도 진행 되었으나 광흡수 층인 페로브스카이트 물질과 무기 정공수송체간의 계면에서 화학 반응이 일어나 전지가 손상되어 장시간 작동이 불가능하였다. 또한 유무기 복합 페로브스카이트는 물에 취약하여 대기 중에 존재하는 수분에도 쉽게 손상되므로 성능이 지속적으로 유지되지 않는 문제가 있었다. 최근 이를 극복하기 위해 표면 처리나 다양한 물질들을 삽입하여 수분에 대한 안정성을 확보하려는 시도가 있었으나 그 성능과 안정성 면에서 굉장히 제한적인 상황이었다. 반면 본 연구팀이 제시한 신규 무기 물질은 지구상에 풍부하기 때문에 저렴하며, 표면성질을 개질하여 페로브스카이트 물질과 화학적 반응이 일어나지 않아 화학적 안정성 및 소수성(수분으로부터의 안정성)을 확보하였다. 바로 이 신규 무기 물질이 고전도성, 소수성을 띄는 황철석 나노입자이다. KIST 고민재 박사 연구팀은 기존의 전도성 유기 물질(spiro-OMeTAD)을 대체하기 위해 황철석에 주목하여 개발한 나노입자를 정공수송층으로 사용하였다. 황철석은 지구상에 풍부하여 채굴 중 많이 발견되며 노란 광택 때문에 금으로 착각되기도 한다. 서양에서는 소위 ‘바보들의 금‘이라 불린다. 연구팀이 개발한 표면을 개질한 신규 무기물질은 주로 방수제의 원료로 사용되는 옥타데실아민(Octadecylamine)이란 물질로 감싸 비극성 용매에 녹이는 용액공정으로 저온에서 손쉽게 정공수송층 제작이 가능하다. 또한 이렇게 합성된 물질은 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것이 실험을 통해 확인하였고, 이를 도입하여 제작된 페로브스카이트 태양전지는 14.2%의 높은 전력 변환효율을 기록하였다. 또한 연구팀은 1000시간 후에도 화학 반응 및 수분으로부터 안전하게 태양전지가 구동됨을 실험을 통해 입증하였다.

   연구책임자인 고민재 박사는 “이번에 개발된 신규 무기 소재는 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지의 안전성 향상에 지대한 기여를 하였고, 차세대 태양전지의 상업화를 앞당겼으며, 광 흡수층이나 메모리 소재, 다양한 기기의 전극 등 중요 부품으로 활용되어 자리 잡을 것으로 기대된다” 라고 밝혔다.

   본 연구는 KIST 기관고유사업과 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응기술개발사업과 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 11.8) 8월 9일자에 표지논문으로 게재되었다.

 

 

 

 * (논문명) Pyrite-Based Bi-functional Layer for Long-term Stability and High Performance of

              Organo-Lead Halide Perovskite Solar Cells
      - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 구본기 연구원, 한국과학기술연구원 정희석 연구원
      - (교신저자)      한국과학기술연구원 고민재 박사

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- 기존 매립, 고온 소각법과 달리 물을 이용한 친환경・경제적 화학적 방식 적용
- 상용화 파일롯플랜트 시연 및 기술이전 설명회 개최

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 고문주 박사팀은 탄소섬유복합소재*(CFRP)에서 물을 이용하여 고가의 탄소섬유를 회수하는 기술 개발에 성공했다. 이에 KIST 전북분원에서는 8월 25일(목) 14:00에 탄소섬유 관련기업들을 대상으로 기술이전 설명회를 개최한다. 


  * 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics)

    흑연 섬유로 만든 기재(基材)에 에폭시 수지나 불소 수지 등을 함침한 것을 적층하고, 약간 가압한 것을 가열 고화

    하여 만든다. 알루미늄보다 가볍고, 쇠보다 강한 것이 얻어진다. 우주 개발(특히 인공 위성)을 비롯하여 넓은 용도에

    사용되고 있다.

   CFRP는 강철보다 1/4가볍고 10배나 강한 탄소섬유를 이용한 복합재료로 항공・우주, 자동차, 선박, 스포츠 용품 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 있으며, 2015년 세계 시장은 21조, 2020년 42조로 급성장이 예상되는 첨단 소재로서 국가과학기술전략회의가 10일 발표한 9대 국가전략 프로젝트  경량소재 분야에 포함된 미래 유망사업이다.

   이러한 CFRP는 고가의 소재이나 사용 후 폐기 및 재활용 기술은 현재까지 미비했다. 기존에는 매립이나 고온소각방식을 많이 사용하고 있으나  썩지 않는 환경적 문제로 유럽에서 매립방식은 법으로 금지되어 있으며, 고온소각방식 역시 회수되는 물질의 물성 저하 및 열처리로 인한 독성물질 배출로 환경오염의 문제점을 지니고있다.

 

   이번에 KIST가 개발한 재활용 기술은 물을 반응 용매로 하여 저렴한 첨가제를 사용한 화학적 방법으로 100℃, 10기압의 저에너지가 소요되는 혁신적 기술이다. 이 기술로 재활용할 경우 95% 이상의 탄소섬유 회수율을 보이며 회수된 탄소섬유의 물성도 우수한 강점을 가진 친환경적・경제적 기술이다. KIST는 관련 기술의 국내 탄소섬유 산업현장에서의 빠른 적용을 위하여  연간 1톤을 처리할 수 있는 규모의 파일롯 플랜트를 제작·운영하여 뛰어난 양산성 및 경제성을 보이는 것을 확인했다. 기존 고온소각법 대비 초기투자비가 1/10 수준이며, 20년간 장비의 유지보수비가 1/40 수준으로 경제성이 아주 뛰어나다. 또한 5톤 반응기 기준 연간 250톤의 CFRP를 재활용 할 수 있어 뛰어난 양산성을 확보하고 있다. 또한, 물과 저렴한 첨가제만을 사용하며, 적은 에너지를 사용하기 때문에 1,500원 내외의 비용으로 CFRP 1kg을 재활용 할 수 있는, 세계에서 가장 저렴한 재활용 방법을 실현하고 있다. 기존의 고온소각법이 CFRP를 구성하는 에폭시 수지를 태워 탄소섬유만을 재활용 하는 반쪽짜리 방법인데 반해, 고문주 박사팀이 개발한 기술은  CFRP를 구성하고 있는 탄소섬유 뿐 아니라, 분해시킨 에폭시 수지까지도 재활용 할 수 있는 완성된 재활용 방법을 구현한다는 데 의미가 있다. 이 기술은 기본적으로 에폭시 수지를 분해 할 수 있는 기술로 향후 CFRP의 재활용 뿐 아니라 에폭시 수지를 사용하는 도료, 전자부품의 기판 등 다양한 산업분야에 응용이 가능할 것으로 전망된다.

 고문주 박사는 “고가의 탄소섬유가 잘 활용되지 않고 버려지고 있는데 문제의식을 느껴 연구를 시작하였으며, 뛰어난 경제성 및 친환경성을 가진 재활용 방법으로, 즉시 산업화가 가능하므로 국내 탄소 산업계에 이전되어 활용되기를 바란다. 향후 이를 바탕으로 중국, 미국, 유럽 등 복합소재시장이 규모가 큰 해외시장에도 진출할 계획이라고” 밝혔다.

이번 기술설명회에서는 1톤 규모의 파일롯 플랜트 처리공정 시연 및 기술 설명, 기술이전 계약 절차 등을 소개할 예정이며, 동 기술의 사업화를 원하는 기업들에게 기술을 이전할 계획이다.

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