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.







Posted by KIST PR

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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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