[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

인류의 무분별한 화석연료 사용으로 인해 대기 중에 포함된 대표적 온실가스인 이산화탄소의 농도는 근대 산업혁명 이후 빠르게 증가하여 이미 400 ppm을 넘었고 이에 따른 기후변화는, 먼 훗날이 아니라 벌써 우리의 일상에 커다란 영향을 미치고 있다. 급격한 기후변화로 인한 전 지구적인 재난을 방지하기 위해 유엔을 비롯한 세계 많은 국가들이 2050년까지 이산화탄소의 순 배출량을 제로로 만드는 탄소중립 실현계획을 천명하고 있다. 많은 국내외 전문가들은 이 탄소중립을 이루는데 있어 수소가 결정적 역할을 할 것으로 의견을 모으고 있다. 그러나 현재 수소는 천연가스나 석유 등과 같은 화석연료의 개질을 통하여 생산되고 그 과정에서 이산화탄소가 발생하기 때문에 이산화탄소 발생 억제에 대한 기여도는 미미할 수밖에 없다. 따라서 세계 여러 국가 들은 수소 생산 과정에서 이산화탄소 발생이 전혀 없는 그린수소 생산 기술을 경쟁적으로 개발하고 있는 실정이다.

그린수소 생산기술 중 지구상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용하여 지구상에서 가장 풍부한 천연자원인 물을 분해함으로써 수소를 얻는 태양광 수소 기술이 가장 이상적이다. 그러나 아직까지는 그 효율이 충분하지 않아서 기존의 화석연료 개질로 생산되는 수소에 비하여 가격경쟁력이 떨어진다. 그러나 지난 20여년 동안의 끊임없는 연구개발의 결과로 실험실 규모에서는 목표 태양광 전환효율 10%에 근접하거나 더 높은 수소생산효율이 보고되고 있다.

태양광수소 생산시스템의 핵심은 햇빛을 받아 물을 분해시키는 광촉매 전극이고, 이 광전극의 성능이 전체 수소생산 시스템의 효율과 경제성을 결정한다. 보통 연구개발용 광전극은 1 cm2 미만의 소형으로서, 실용화 규모인 1 m2까지 키우기 위해서는 1만 배 정도의 스케일업이 필요하다. 이러한 스케일업 과정에서 통상적으로 수소생산 효율은 급격하게 떨어지게 된다. 따라서 태양광 수소생산을 상업화하기 위해서는 태양광에서 수소로 전환하는 효율이 10% 이상으로 높고, 그 효율이 수년에 걸친 연속 운전에서 안정되게 유지되며, 스케일업된 대형 광전극에서도 높은 효율이 유지 되어야 한다. 또한 생산된 태양광 수소가 가격경쟁력을 갖기 위해서는 생산시스템을 구성하는 재료들이 가격이 낮아야 한다.

2. 연구내용

태양광 수소 생산 기술의 핵심은 햇빛을 흡수하여 그 에너지를 이용하여 물을 분해시키는 광전극이다. 광전극의 성능은 전체 수소생산 시스템의 효율과 경제성을 결정한다. UNIST 연구팀은 광전극 소재로서 효율이 높으면서도 비교적 값이 싸기 때문에 차세대 태양전지로서 각광을 받고 있는 페롭스카이트를 채택하였다. 페롭스카이트 태양전지의 연구개발은 한국의 과학자들이 세계를 선도하고 있고 특히 석상일 교수 등 UNIST교수들이 이 선두 그룹에 속해 있다.

그러나 페롭스카이트 태양전지의 단점은 태양광에 포함되어 있는 자외선과 공기 중의 수분에 대한 안정성이 떨어진다는 점이다. 특히 물분해를 통하여 수소를 만들기 위해서는 광전극을 물속에 넣어야하기 때문에 수분안정성이 떨어지는 페롭스카이트로서는 최악의 조건인 셈이다. 이 두 가지의 안정성 문제를 해결하기 위하여 UNIST 연구팀은 우선 페로브스카이트의 양이온으로 기존의 메칠암모늄 대신에 포름아미디늄을 사용함으로써 자외선에 가장 안정한 페롭스카이트를 제조 하였고, 물과의 접촉면을 니켈 포일로 완전 봉인함으로써 물속에서도 안정성을 유지하도록 하였다.

이번 UNIST 연구 성과가 기존의 연구와 차별되는 점은 고효율, 고내구성의 태양광 수소 발생 설비를 실험실 규모가 아니라 현장에 적용할 수 있는 큰 규모에서 구현 했다는 점이다. 연구팀은 이 광전극을 스케일업하기 위한 방법으로 모듈 기반 설계를 활용했다. 즉 소형 광전극을 기본 모듈로 삼아 이를 가로 및 세로로 반복해서 연결함으로써, 대면적의 광전극으로 이루어진 태양광 수소 발생 패널을 제조할 수 있었다. 이렇게 스케일업 된 패널은 상용화를 위한 조건인 태양광수소 전환효율 10% 이상을 달성 하였고, 이 효율은 대면적 광전극에서는 세계 최고의 기록이다.

이번 성과는 태양광수소 상업생산을 향한 중요한 이정표를 만들었다고 평가되고 있다. 한편 이재성 교수 연구팀은 과학기술부의 기후변화대응 및 브레인링크 사업의 지원으로 연료전지차에 수소를 공급하기 위한 “태양광 수소충전소”에 이 기술을 적용하기 위해, 대규모 실증 연구과제를 수행 중이다.

3. 기대효과

지구상에 무궁무진하게 존재하는 태양 빛과 물로부터 수소를 제조하는 기술이 성공할 경우 비용이 적게 들고 환경오염 물질이 전혀 발생하지 않는 '꿈의 기술'을 확보하게 된다. 수소는 미래 에너지 문제를 궁극적으로 해결할 수 있는 청정에너지이나, 그동안은 천연가스, 석유, 석탄과 같은 화석연료에 열을 가해 수소를 추출하여 얻음으로써 이산화탄소 배출 등 환경 문제를 일으켜 왔다.

따라서 햇빛과 물을 이용하는 광촉매 기술이 수소를 대량생산할 수 있는 궁극적 미래 기술로서 인식됨으로서 한국을 비롯한 세계 각국에서는 이 기술 개발을 위하여 국가 주도의 대형 과제에 대한 투자 등 치열한 경쟁을 하고 있다. 태양에너지를 수소로 전환하는 효율을 실용화에 필요한 10% 이상달성 하는 것과 함께 효과적인 scale-up기술이 확보된다면 2050년까지 탄소중립을 실현하는데 크게 기여할 수 있는 경쟁력 있는 그린 수소 생산 방법을 확보할 수 있으며, 세계 에너지 시장에서 선도적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 태양광 수소 (Solar hydrogen)

지구상에 무궁무진한 햇빛을 이용하여 물을 분해하여 수소를 얻는 궁극적인 미래 에너지 기술이다. 태양 빛을 흡수하는 반도체 광촉매 물질을 물과 접촉하여 수소를 얻는다.

2. 광(촉매)전극 (Photoelectrode)

빛을 받아 높은 에너지를 가진 광전자와 전공을 발생시켜 물을 분해하여 수소와 산소를 만들 수 있는 반도체 물질을 광촉매라 하며, 광촉매를 전극으로 만들어 물분해 시스템을 구성하면 외부 전기 없이 그린 수소를 생산할 수 있다.

3. 태양광 전환효율 (Solar-to-Hydrogen Conversion Efficiency)

정해진 면적에 도달하는 태양에너지 중 수소생산에 쓰인 비율. 생산된 수소의 양을 입사하는 태양에너지의 양으로 나누어서 계산함.

4. 페로브스카이트 태양 전지(perovskite solar cell)

태양 전지의 한 종류로, 페롭스카이트 구조를 가진 물질을 광흡수층으로 사용하는 태양 전지이다. 납이나 주석을 중심 금속으로 하는 유-무기 할로젠화물이 주로 사용된다. 높은 효율과 함께 값이 저렴하여 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 많은 관심을 받고 있다.

5. 스케일업 (Scale Up)

실험실에서 성공한 프로세스를 상업 규모의 장치에서도 경제적으로 성립하도록 그 규모를 확대하는 것.

6. 모듈기반 스케일업 (Module-based scale-up)

전력를 생산하는 솔라셀과 마찬가지로 태양광 수소를 생산할 수 있는 가장 작은 광전극을 일정한 크기로 연결한 것을 모듈 (module)이라하고 이 모듈을 직렬 혹은 병렬로 연결하여 현장에 설치 가능한 크기까지 키운 것을 어레이 (array) 혹은 패널 (panel)이라 한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 이번 연구의 개념도(모듈화를 통한 대면적화)

그림2. 옥외에 설치된 태양광 수소 발생장치

그림3. 작동 중인 태양광 수소 발생 장치