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태양전지-촉매 융·복합기술 이용 고효율 인공광합성 디바이스 개발 나뭇잎이 에너지를 얻는 자연의 섭리처럼 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 직접 고부가 화합물(화학원료)을 대량 생산할 수 있는 세계 최고수준의 인공광합성시스템 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 청정에너지연구센터 민병권, 김홍곤, 황윤정 박사 연구팀과 고려대학교 그린스쿨대학원 태양전지 연구팀(김동환, 강윤묵 교수)이 태양전지기술과 촉매기술의 융·복합을 통해 태양광에너지만으로 작동하는 자가 구동 일체형 인공광합성 디바이스 기술을 개발했다고 밝혔다.
민병권 박사
인공광합성으로 지속가능 화합물 생산방법 제시 자연의 광합성을 모방하여 화석연료나 바이오매스 등과 같은 태양에너지가 저장되어 있는 매개체를 거치지않고, 태양에너지를 직접적으로 고부가 화합물로 바꾸어 주는 인공광합성기술은 오랫동안 ‘꿈의 기술’로 과학자들의 관심을 끌어 왔다. 특히 기후변화 대응형 화학원료 제조방법이 필요한 현시점에서 인공광합성기술은 매우 중요한 기술로 여겨지고 있으나, 아직 세계적으로 초보적인 기술수준에 머무르고 있다. 태양광-화학원료를 대량생산할 수 있는 구체적인 방법에 대해 아직까지 제시된 적이 없는 미지의 세계로 여겨지고 있었다. 연구진은 태양전지-촉매 융·복합 기술개발을 통해 태양광-화학원료를 효과적으로 생산할 수 있는 디바이스 구조를 제안한 바 있었으며, 이번 연구를 통해 선행연구 결과를 확장·발전시켜 태양광-화학원료를 대량생산할 수 있는 시스템을 개발하고, 이를 통해 꿈의 인공광합성 기술의 현실화가능성을 제시했다.
[그림] 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조 및 설치되어 태양빛 흡수를 원활하게 하고,
대량으로 화학원료 생산이 가능한 일체형 자가 구동 인공광합성 디바이스 시스템.
연구에 머물던 분야, 실증에 성공인공광합성기술을 완성하기 위해서는 다양한 요소 기술들의 융·복합이 필요하다. 특히 태양광을 흡수하여 전자를 생산하는 광전극 기술, 물 분해를 위한 촉매 기술, 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시켜 주기위한 촉매기술은 핵심요소 기술이라고 할 수 있다. 지금까지 전 세계적으로 각 개별요소 기술에 대한 연구가 주로 진행되어 왔지만, 연구팀은 각 요소기술 개발뿐만 아니라 이들 기술의 통합을 통해 실질적으로 태양빛만으로 작동되는 일체형 인공광합성 디바이스 모듈을 제작했고, 또 그 성능을 시연했다. 가장 일반화되어 있는 태양전지 기술인 실리콘 태양전지 기술을 스테인리스 스틸 기판에 적용하여 광전극을 제조했으며, 이때 사용된 스테인리스 스틸 기판 반대 면에 나노구조화 기술을 도입하여 물 분해특성이 획기적으로 증대된 산화전극을 개발했다. 또한, 나노구조화된 은 촉매전극을 개발하여 이산화탄소로부터 일산화탄소를 선택적으로 생산할 수 있도록 했다. 스테인리스 스틸 및 은 나노촉매 전극은 향후 인공광합성 디바이스를 상용화시키는데 충분한 저가 촉매소재라고 할 수 있다.
동일 면적서 3배 이상의 전력생산 가능
이 기술의 또 다른 장점은 태양빛 이외의 추가적 에너지 투입 없이 자가 구동하는 시스템이라는 점이며, 태양전지 모듈과 같이 패널형으로 제조하여 효과적으로 태양빛을 이용할 수 있다는 것이다. 연구진은 이번 연구에서 단일 디바이스 8개를 모듈화하여 대량생산이 가능한 시스템을 제시했다. 또한, 이러한 인공광합성 디바이스 효율을 향후 10%까지 발전시킨다면, 현재 우리나라 영월군 40MW 태양전지 플랜트 면적(0.25 km2)과 같은 수준으로 설치, 하루 4시간씩 가동시킬 경우 연간 1만4000 톤의 일산화탄소를 생산할 수 있다. 이는 동일한 면적에서 전력을 생산하는 것 보다 3배 이상의 높은 수준이다. 민병권 박사는 “이번 연구는 인공광합성시스템을 태양전지와 같은 패널형구조로 구현함으로써 태양광-화학원료의 대량생산 가능성을 보여주는 연구결과”라며, “향후 인공광합성의 상용화를 위해 한 단계 진일보한 연구결과라는 점에서 큰 의의가 있다”고 설명했다. 이번 연구는 KIST 기관고유 미래원천사업과 미래창조과학부와 한국연구재단이 시행하는 특화전문대학원 학연협력지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
<Energy News>
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