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《신기술 1》 태양광 수소, 상용화 성큼 다가서나
2023-07-17

태양광 수소, 상용화 성큼 다가서나
잉크젯 프린팅 기술을 활용한 대형 광전극 제조 기술 개발
탈탄소화 탄소중립에 주역이 된 수소는 현재 화석연료의 개질1)을 통해 생산되고 있다. 그 과정에서 이산화탄소가 발생하기 때문에 이산화탄소 발생 억제에 대한 기여도는 미미하다. 따라서 세계 국가들은 수소 생산 과정에서 이산화탄소 발생이 전혀 없는 ‘그린수소 생산 기술’을 경쟁적으로 개발하고 있는 실정이다. 태양광 수소 기술을 통해 수소를 생산하기 위해선 광전극이 핵심 요소로 작용한다. 이에 국내외 연구진의 협업으로 전자동 잉크젯 프린팅 기술을 활용한 대형 광전극 제조 기술을 개발했다. 이로써 태양에너지로 물을 분해해 수소를 상업적 생산을 할 수 있게 됐다.

정리 편집부 
자료 DIGIST
전자동 잉크젯프린팅을 이용한 대규모 광전극 모듈

태양광 수소 기술은 그린수소 생산기술 중 지구상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용해 물을 분해함으로써 수소를 얻는 가장 이상적인 기술이다. 하지만 그 효율이 충분하지 않아서 기존의 화석연료 개질로 생산되는 수소에 비해 가격경쟁력이 떨어진다는 단점이 있다. UNIST 에너지화학공학과 이재성, 장지욱 공동 연구팀은 아일랜드 틴달 국립연구소와 협력해 프린터에 널리 사용되는 전자동 잉크젯 프린팅 기술을 활용한 대형 광전극 제조 기술을 개발했다. 대표적 인쇄기술 중 하나인 잉크젯 프린팅 기술은 일반적인 인쇄용도 외에 소재 개발을 위한 고속·대량 스크리닝이나 대규모 박막태양전지 제조에 활용되고 있다. 하지만 대형 광전극 제조를 위한 스케일업에 활용한 것은 최초이다. 태양광 수소 기술을 통해 수소를 생산하기 위해선 광전극이 핵심 요소로 작용한다.

수소 생산 시스템을 좌우하는 광전극의 성능 
광전극의 성능은 전체 수소생산 시스템의 효율과 경제성을 결정한다. 보통 연구개발용 광전극은 1㎠미만의 소형으로서, 실용화 규모인 1㎡까지 키우기 위해서는 1만 배 정도의 스케일업이 필요하다. 이러한 스케일업 과정에서 통상적으로 수소생산 효율은 급격하게 떨어지게 된다. 또한 실험실에서 사용하는 수동식 제조법으로는 실용화와 함께 광범위한 보급을 위해 필요한 대량 제조가 불가능하다. 따라서 태양광 수소생산을 상업화하기 위해서는 대형 광전극을 높은 효율을 유지하면서 대량 제조할 수 있는 자동화 스케일업 기술이 절대적으로 필요하다.

연구팀은 이 광전극을 스케일업하기 위한 방법으로 잉크젯 프린팅 기술을 활용했다. 이 기술은 용액공정으로써 진공이 요구되는 다른 기술에 비해 경제적이다. 또한 다양한 기능을 가진 복합 다중막으로 구성된 광전극을 정교하고 일관성 있게 프린팅 가능하다. 이는 큰 면적에서도 높은 성능을 유지할 수 있고 전자동 시스템으로 생산성이 뛰어나다는 장점이 있다. 연구팀은 이 기술을 이용해 산화철 광촉매 전극을 대규모의 모듈형태로 제조하며 그 효용성을 증명했다. 특히 이번 성과는 태양광수소 상업생산을 향한 중요한 이정표를 만들었다고 평가되고 있다.
전자동 잉크젯프린팅을 이용한 대규모 광전극 모듈을 제조하여 실외에서 직접 태양에너지를 이용한 물분해를 통한 그린수소를 생산 실험

그린수소 생산 기술의 이상적인 태양광 수소 기술 
그린수소 생산기술 중 지구상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용하여 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 20여 년 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  cm²미만의 소형으로서, 실용화 규모인 1㎡까지 키우기 위해서는 1만 배 정도의 스케일업이 필요하다. 이러한 스케일업 과정에서 통상적으로 수소생산 효율은 급격하게 떨어지게 된다. 또한 실험실에서 사용하는 수동식 제조법으로는 실용화와 함께 광범위한 보급을 위해 필요한 대량제조가 불가능하다. 따라서 태양광 수소생산을 상업화하기 위해서는 대형 광전극을 높은 효율을 유지하면서 대량 제조할 수 있는 자동화 스케일업 기술이 절대적으로 필요하다.

태양광 수소충전소 실증과제 수행 중
대표적인 인쇄기술 중 하나인 잉크젯프린팅 기술은 일반적인 인쇄용도 이외에도 소재개발을 위한 고속대량 스크리닝이나 대규모 박막태양전지 제조에 활용된 적은 있으나 대형 광전극 제조를 위한 스케일업에 활용한 것은 본 연구팀이 최초이다. 이 기술은 용액공정으로서 진공이 요구되는 다른 기술에 비해 경제적이며, 다양한 기능을 가진 복합 다중막으로 구성된 광전극을 정교하고 일관성 있게 프린팅하면서 대면적에서도 높은 성능을 그대로 유지할 수 있으며, 전자동 시스템으로서 연속적인 운전이 가능하여 생산성이 뛰어나다. 연구팀은 이 기술을 이용하여 산화철 광촉매 전극을 대규모의 모듈형태로 제조하여 그 효용성을 증명하였다. 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.

 ‘꿈의 기술’ 확보 
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 인식되면서 한국을 비롯한 세계 각국에서는 이 기술 개발을 위하여 국가 주도의 대형 과제에 대한 투자 등 치열한 경쟁을 하고 있다. 현시점에서는 태양에너지를 수소로 전환하는 효율을 실용화에 필요한 10 % 이상까지 올리기 위한 연구개발이 진행되고 있다. 높은 전환효율과 함께 효과적인 scale-up기술이 확보된다면 탄소중립을 2050년까지 실현하는데 크게 기여할 수 있는 경쟁력 있는 그린 수소 생산 방법을 확보할 수 있으며, 세계 에너지 시장에서 선도적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 미국의 Cell Press에서 발행하는 에너지 분야 최고의 학술지인 Joule의 2023년 5월호의 표지논문으로 선정됐으며 5월 17일 게재됐다. 이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 이재성, 장지욱 교수 및 아일랜드 틴달 국립연구소의 D. Cherian 박사와의 협력으로 수행됐으며 연구비 지원은 과학기술정보통신부가 추진하는 기후변화대응사업과 BrainLink 사업을 통해 이뤄졌다.2)
표지논문으로 선정. 전자동 잉크젯프린팅을 이용한 대규모 광전극을 제조하여 태양에너지를 이용한 물분해를 통해 그린수소를 생산하는 과정을 보여주는 모식도

용어설명
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.

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.

태양광 전환효율 (Solar-to-Hydrogen Conversion Efficiency) : 정해진 면적에 도달하는 태양에너지 중 수소생산에 쓰인 비율. 생산된 수소의 양을 입사하는 태양에너지의 양으로 나누어서 계산함.

잉크젯 프린팅 (Ink-jet printing) : 잉크를 미세한 노즐을 통해 가늘게 분사하여 출력물을 순차적으로 종이에 인쇄하는 방식의 프린팅 방법. 원하는 기능을 가진 소재를 용액에 녹여 잉크를 만들면 각종 기능성 소자 제조에 활용이 가능함.

스케일업 (Scale Up) : 실험실에서 성공한 프로세스를 상업 규모의 장치에서도 경제적으로 성립하도록 그 규모를 확대하는 것.

고속대량스크리닝 (High-throughput Screening) : 동시에 다수의 물질에 대한 분석을 고속으로 수행하는 고효율의 물질 탐색 방법. 신약 개발, 소재 개발 등에서 중요한 도구로 이용됨.

박막태양전지 (Thin-film Solar Cell) : 유리나 스테인리스 스틸 등을 이용해 만드는 태양전지로, 차세대 태양광발전의 핵심이다. 두꺼운 폴리실리콘 웨이퍼를 이용해 만드는 실리콘 결정형 태양전지와 달리 원가가 저렴한 것이 특징이다. 예로는 비정질 실리콘(a-Si), CIGS(구리ㆍ인듐ㆍ갈륨ㆍ셀레늄), 염료감응형(DSSC) 태양전지 등이 있다.

산화철 (Fe₂O₃) : 안정하고 환경친화적인 산화물 반도체로서 대표적인 가시광 광촉매의 일종. 철의 붉은 녹성분이다. 
1) 표지논문으로 선정. 전자동 잉크젯프린팅을 이용한 대규모 광전극을 제조하여 태양에너지를 이용한 물분해를 통해 그린수소를 생산하는 과정을 보여주는 모식도
2) 논문명: Fully inkjet-printed large-scale photoelectrodes) 

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