태양빛을 이용한 수소 생산 기술이 실용화를 향해 한층 향상됐다. 아주대 서형탁 교수 연구팀이 최대 97%까지 태양광—전류의 전환 효율을 향상시킨 수소 생산 광전극을 개발했다고 한국연구재단이 9일 밝혔다. 이 연구는 유일한 박사과정 학생(아주대/제1저자)과 샨카라 칼라누르 교수(아주대/ 공동교신저자)가 참여했다. 수소는 연료로 사용될 때 대기오염 없이 물만 배출하는 청정에너지원이다. 그러나 수소를 만들기 위해 화석연료를 개질하는 과정에서 오히려 온실가스인 이산화탄소를 대량 배출하는 문제가 있다. 대안으로써 전기나 태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하려는 시도가 활발하지만, 효율이 매우 낮아 실용화가 어려웠다. 연구팀은 전극에서 태양광으로 생성된 전하의 이동을 촉진함으로써, 광전류 전환 효율을 60% 수준에서 97%로 향상시켰다. 수소 생산 효율도 뛰어나, 1㎠의 광전극을 이용해 시간당 3㎎의 수소 기체가 발생했다. 기존 연구들은 태양광을 흡수해 전하를 잘 생성하는 소재 개발에 치우쳤으나, 이 연구에서는 전하를 양극과 음극으로 효율적으로 분리하기 위해 니켈산화물을 적층한 것이 핵심적이다. 빛에 의해 생성된 전하의 손실도 최소화되었다. 개발된 전극은 3가지 소재가 쌓인 텐덤 구조*이다. 빛을 흡수해 양전하와 음전하를 생성하는 이산화티타늄 나노막대와 황화물 박막 위에 니켈산화물 박막이 증착되었다. 단일 전극으로써 빛에 직접 반응하는 일체형이다. 텐덤(tandem) 구조는 서로 보완적인 두 개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓는 구조를 말한다. 서형탁 교수는 “저가의 니켈산화물을 전하 분리 보호막으로써 고효율 나노구조 광전극에 적용하였고, 최고 수준의 광전환 효율로 수소를 생산했다”라며, “추가적으로 장기 광화학반응 안정성을 개선하여 실용화를 목표로 연구를 지속할 예정”이라고 밝혔다. 이 연구 성과는 교육부·과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(기본연구, 중견연구)의 지원으로 수행되었다. 화학촉매 분야 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 3월 16일 게재되었다. seokjang@fnnews.com 조석장 기자

국내 연구진이 차세대 에너지원으로 각광 받고 있는 플라스틱 태양전지(고분자-고분자 태양전지)의 광전환 효율을 5% 이상 올리는 데 성공했다. 29일 한국연구재단에 따르면 카이스트(KAIST) 김범준, 부산대 우한영 교수(공동 교신저자)가 주도하고, KAIST 강현범, 부산대 우딘 모하메드 아프사르 박사(공동 제1저자)가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단에서 추진하는 기초연구사업(중견연구자), 글로벌프론티어사업 등의 지원으로 수행됐다. 고분자-고분자 태양전지는 기존의 풀러렌 유기태양전지에 비해 상용화에 핵심요소인 기계적인 안정성뿐만 아니라 열에 대한 안정성도 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 풀러렌 유기태양전지(10%)에 비해 고분자-고분자 태양전지의 광전환 효율은 4% 이하로 매우 낮다. 이것은 광 활성층(광 에너지를 받아 전기로 전환하는 물질층)을 형성하는 두 고분자가 잘 섞이지 않고 과도하게 분리되는 현상(상 분리)이 발생하기 때문이다. 이러한 상 분리 현상은 전자의 생성과 운반을 저해하고 태양전지의 광전환 효율을 감소시킨다. 이에 연구팀은 전도성 고분자의 분자량과 구조를 조절함으로써 두 고분자의 상 분리 현상을 효과적으로 제어하여 5% 이상의 높은 광전환 효율을 가진 태양전지를 개발했다. 김범준 교수는 "이번 연구는 고분자 플라스틱 태양전지가 미래 에너지원, 특히 유연성이 필요한 휴대용 차세대 전자소자의 에너지원으로서 높은 응용가능성을 보여주는 사례"라고 밝혔다. 한편, 이번 연구는 화학분야의 권위지 JACS(Journal of the American Chemical Society) 2월 18일자에 게재됐다. elikim@fnnews.com 김미희 기자

"기후위기에 맞닥뜨려 있는 인류의 행복과 안전을 보장하기 위해 과학기술자들이 신재생에너지 기술에 좀 더 박차를 가하고 열심히 해달라는 취지에서 상을 주는 것이라 생각한다." 7일 과학기술정보통신부와 한국과학기술단체총연합회에 따르면 '페로브스카이트 태양전지의 아버지'라 불리는 박남규 성균관대학교 교수(사진)가 '2024년 대한민국 최고 과학기술인상' 수상자로 선정됐다. 박 교수는 고체형 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발해 태양전지 기술의 패러다임을 전환하고, 세계 태양광 산업 발전에 기여한 공로를 인정받았다. 그는 2017년 노벨화학상 수상 가능자에 선정됐었다. 이는 세계 연구자 중 0.01% 안에 해당한다. 이후 2017~2023년까지 7년 연속으로 세계에서 가장 영향력 있는 연구자로 선정되기도 했다. 그는 1997년부터 미국 국립재생에너지연구원(NREL)에서 태양전지 연구를 시작했다. 당시 페로브스카이트 태양전지의 효율이 3.8%에 불과했지만, 2012년 광전 효율을 9.7%까지 끌어올리고, 500시간까지 안정적으로 작동하는 고체 페로브스카이트 태양전지를 세계 최초로 개발했다. 2012년 논문을 발표로 '페로브스카이트 포토볼타익' 이라는 새로운 학문 분야를 개척, 고체 페로브스카이트 태양전지는 산업의 판도를 바꾸는데 결정적 역할을 했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] "기후위기에 맞닥뜨려 있는 인류의 행복과 안전을 보장하기 위해 과학기술자들이 신재생에너지 기술에 좀 더 박차를 가하고 열심히 해달라는 취지에서 상을 주는 것이라 생각한다." 7일 과학기술정보통신부와 한국과학기술단체총연합회에 따르면 '페로브스카이트 태양전지의 아버지'라 불리는 박남규 성균관대학교 교수가 '2024년 대한민국 최고 과학기술인상' 수상자로 선정됐다. 박 교수는 고체형 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발해 태양전지 기술의 패러다임을 전환하고, 세계 태양광 산업 발전에 기여한 공로를 인정받았다. 그는 2017년 노벨화학상 수상 가능자에 선정됐었다. 이는 세계 연구자 중 0.01% 안에 해당한다. 이후 2017~2023년까지 7년 연속으로 세계에서 가장 영향력 있는 연구자로 선정되기도 했다. 그는 1997년부터 미국 국립재생에너지연구원(NREL)에서 태양전지 연구를 시작했다. 당시 페로브스카이트 태양전지의 효율이 3.8%에 불과했지만, 2012년 광전 효율을 9.7%까지 끌어올리고, 500시간까지 안정적으로 작동하는 고체 페로브스카이트 태양전지를 세계 최초로 개발했다. 2012년 논문을 발표로 '페로브스카이트 포토볼타익' 이라는 새로운 학문 분야를 개척, 고체 페로브스카이트 태양전지는 산업의 판도를 바꾸는데 결정적 역할을 했다. 이후 전 세계적으로 후속 연구가 활발히 진행돼 현재까지 페로브스카이트 태양전지 관련 누적 발표논문 수가 3만8200편이 나왔다. 박 교수가 처음 이 태양전지를 개발할 당시만 해도 효율이 9.7%였지만, 국내 연구진을 비롯해 세계 연구자들의 노력으로 현재는 26.1%까지 향상됐다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장지현 교수팀이 녹슨 철을 활용해 태양광 수소 생산 시스템을 개발했다. 이 시스템은 햇빛으로 물을 분해해서 수소를 만들어내는데 지금까지 나왔던 방식들보다 수소생산 효율이 3.2배 향상됐다. 또한 100시간 동안 수소생산 효율이 떨어지지 않고 유지했다. 장지현 교수는 20일 "수소 생산 효율을 크게 높이는 동시에 상업화를 위한 중요한 기술적 진전을 이뤄냈다"며, "그린수소 생산의 상업화를 앞당기고, 다양한 반도체 시스템에 적용될 수 있을 것"이라고 말했다. 환경 오염 억제 및 탈탄소화를 위해 화석연료를 대체할 에너지원 개발이 필수적이다. 수소는 청정 에너지원으로 주목받고 있지만, 현재 수소를 생산하는 방법은 주로 화석연료를 활용하고 있어 진정한 친환경 수소 생산기술 개발이 필요하다. 태양에너지와 물을 활용한 광전기화학적 물 분해 수소 생산 방법은 친환경적인 에너지원만을 활용해 수소를 생산할 수 있어 미래 기술로 각광받고 있다. 태양에너지를 흡수할 수 있는 광전극은 여러 조건을 충족해야 한다. 안정성, 가격, 전기적 특성을 모두 만족하는 소재가 아직 개발되지 않았고, 특히 기술 상업화의 기준점인 광-수소 변환 효율 10%를 달성한 소재는 아직 없다. 그중에서도 높은 안정성과 저렴한 금속산화물은 적절한 후보 물질로 주목받고 있지만, 전기적 특성이 낮아 수소 생산 효율이 낮다. 산화철은 그동안 광전극으로 사용하기에 전기적 성능이 부족해 수소 생산 효율이 낮았다. 물을 분해하는 면적이 좁고, 전자 이동 거리가 길어 상업화가 어려웠다. 연구진은 이를 개선하기 위해 산화철의 구조적 특성에 주목했다. 게르마늄(Ge), 티타늄(Ti), 주석(Sn)을 함께 섞어 산화철의 전기적 특성을 개선하고, 열을 이용해 다공성 구조를 만들어 반응 면적을 넓히고 전자 이동 거리를 줄였다. 이를 통해 산화철의 단점을 극복하고 물 분해 효율을 높였다. 이 과정을 통해 평균 직경 10nm 이하의 다공성 산화철 전극을 만들었다. 그결과 태양광을 이용한 수소 전환 효율을 3.2배 높였으며, 100시간 동안 효율 저하 없이 지속 사용이 가능해졌다. 장기간 안정적인 수소 생산을 가능하게 하여 상업화에 한 발 더 다가설 수 있게 했다. 한편, 연구진은 산화철으로 만든 태양광 수소전환 시스템을 국제학술지 'ACS 에너지 레터스(Energy Letters)'에 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

대만·중국 디스플레이 업계가 '미래 디스플레이'로 급부상한 마이크로 발광다이오드(LED)에 대규모 투자를 집행하며 시장 선점에 나섰다. 마이크로 LED는 가상현실(VR)과 증강현실(AR), 웨어러블 기기 등으로 적용 범위가 확대될 것이란 전망이 나오며 차세대 디스플레이로 꼽히고 있다. 일찌감치 마이크로 LED 생태계를 구축한 대만과 중국 업체들과 달리 국내 업체들은 양산에 신중함을 보이면서 '미래 디스플레이' 주도권을 빼앗길 수 있다는 우려의 목소리가 커지고 있다. ■ 앞서가는 대만·中 '마이크로 LED'17일 업계에 따르면 양주시양 대만디스플레이산업연합협회(TUDA) 부이사장 겸 이노룩스 사장은 지난 4월 열린 '터치 타이완' 행사에서 라이칭더 행정부에 디스플레이 추가 지원을 요구한 것으로 알려졌다. 특히, 대만 기업이 강세를 보이는 마이크로 발광다이오드(LED) 영역에 전폭적인 지원을 주문한 것으로 전해졌다. 라이칭더 총통은 전임 차이잉원 총통 정부에서 행정원장(국무총리격)을 맡아 '대만 디스플레이 과학기술과 응용 행동 계획'을 집행하며 대만 디스플레이업계 역량 강화에 나선 바 있다. 대만 정부는 지난 2020년부터 올해까지 5년간 약 177억대만달러(약 7588억원)를 쏟아부어 마이크로 LED 산업체인을 구축에 나선 바 있다. 픽셀크기가 100마이크로미터(1㎛는100만 분의 1m) 이하인 마이크로 LED는 색구현, 명암비, 응답속도, 에너지 효율 등 측면에서 현재 시장을 주도하고 있는 액정표시장치(LCD)와 유기발광다이오드(OLED)를 능가하며, 기존의 디스플레이 시장판도를 뒤집을 '미래 디스플레이'로 꼽힌다. 현재 마이크로 LED 생태계는 중국·대만 기업의 강세가 돋보인다. 패널 제조사인 AUO와 이노룩스 등이 대만 마이크로 LED 생태계의 주축을 이루고 있다. 중국은 CSOT·삼안광전·BOE가 주요 마이크로 LED 생산 기업으로 꼽힌다. BOE는 LED 칩 제조 자회사인 HC세미텍과 협력해 중국 광둥성 주하이시 진완구에 마이크로 LED 신공장을 짓고 있다. 올해 3·4분기까지 양산 체제를 갖춘 후 12월 본격적인 제품 생산을 시작할 계획이다. 연간 기준 마이크로 LED 웨이퍼 5만8800장, 마이크로 LED 픽셀 소자 4만5000개를 해당 공장에서 생산할 예정이다. 대만의 AUO는 지난해 말 워치용 마이크로 LED 양산에 나섰다. 올해 하반기에서 내년 무렵 투명 마이크로 LED 도입 및 양산 추진에 나설 계획이다. 2026~2027년에는 차량용 마이크로 LED 양산에 나서며 마이크로 LED 시장 리더십 확보에 나섰다. ■ K디스플레이 '발등의 불'반면, 국내 디스플레이 업계는 양산에 신중한 입장이다. 아직 마이크로 LED 시장이 아직 제대로 개화되지 않아 상업성이 떨어진다고 보기 때문이다. 국내에선 삼성디스플레이와 LG디스플레이 가 마이크로 LED 관련 기술력을 보유하고 있다. 다만, 최근 기존 TV 외에도 AR, VR, 확장현실(XR) 등까지 마이크로 LED 시장이 확대될 것이란 전망이 나오면서 삼성전자와 LG전자 양사는 마이크로 LED 관련 제품을 선보이고 있다. 삼성전자는 최근 중국 상하이에서 TV 신제품 발표회를 열고 76·89·101·114형으로 구성된 2024년형 마이크로 LED TV를 공개했다. 최근엔 북미에 114인치 마이크로 LED를 출시했다. LG전자는 다양한 상업공간에서 편리하게 사용하는 마이크로 LED 'LG 매그니트' 라인업을 확대했다. 정부도 지원에 나섰다. 지난달 23일 국가연구개발사업평가 총괄위원회에서 '무기발광 디스플레이 기술개발 및 생태계 구축 사업'이 예비타당성 조사(예타)를 통과했다. 이에 따라 내년부터 2032년까지 국비 3479억원을 비롯해 총 4840억원이 투입된다. 마이크로 LED는 무기발광 디스플레이 기술 중 주요 기술 중 하나로 꼽힌다. 디스플레이업계 관계자는 "아무리 수익성이며 개화기 단계지만 현재 국내 마이크로 LED 생태계의 첫 단계인 LED 칩 제조 분야부터 국내 기업이 전무해 산업 체인이 매우 부실한 상황"이라며 "이대로라면 대만·중국 기업에 시장 주도권을 내줄 것"이라고 전망했다. rejune1112@fnnews.com 김준석 기자

#OBJECT0# [파이낸셜뉴스] 대만·중국 디스플레이 업계가 '미래 디스플레이'로 급부상한 마이크로 발광다이오드(LED)에 대규모 투자를 집행하며 시장 선점에 나섰다. 마이크로 LED는 가상현실(VR)과 증강현실(AR), 웨어러블 기기 등으로 적용 범위가 확대될 것이란 전망이 나오며 차세대 디스플레이로 꼽히고 있다. 일찌감치 마이크로 LED 생태계를 구축한 대만과 중국 업체들과 달리 국내 업체들은 양산에 신중함을 보이면서 '미래 디스플레이' 주도권을 빼앗길 수 있다는 우려의 목소리가 커지고 있다. 앞서가는 대만·中 '마이크로 LED' 17일 업계에 따르면 양주시양 대만디스플레이산업연합협회(TUDA) 부이사장 겸 이노룩스 사장은 지난 4월 열린 '터치 타이완' 행사에서 라이칭더 행정부에 디스플레이 추가 지원을 요구한 것으로 알려졌다. 특히, 대만 기업이 강세를 보이는 마이크로 발광다이오드(LED) 영역에 전폭적인 지원을 주문한 것으로 전해졌다.  라이칭더 총통은 전임 차이잉원 총통 정부에서 행정원장(국무총리격)을 맡아 '대만 디스플레이 과학기술과 응용 행동 계획'을 집행하며 대만 디스플레이업계 역량 강화에 나선 바 있다. 대만 정부는 지난 2020년부터 올해까지 5년간 약 177억대만달러(약 7588억원)를 쏟아부어 마이크로 LED 산업체인을 구축에 나선 바 있다. 픽셀크기가 100마이크로미터(1㎛는100만 분의 1m) 이하인 마이크로 LED는 색구현, 명암비, 응답속도, 에너지 효율 등 측면에서 현재 시장을 주도하고 있는 액정표시장치(LCD)와 유기발광다이오드(OLED)를 능가하며, 기존의 디스플레이 시장판도를 뒤집을 '미래 디스플레이'로 꼽힌다. 현재 마이크로 LED 생태계는 중국·대만 기업의 강세가 돋보인다. 패널 제조사인 AUO와 이노룩스 등이 대만 마이크로 LED 생태계의 주축을 이루고 있다. 중국은 CSOT·삼안광전·BOE가 주요 마이크로 LED 생산 기업으로 꼽힌다.  BOE는 LED 칩 제조 자회사인 HC세미텍과 협력해 중국 광둥성 주하이시 진완구에 마이크로 LED 신공장을 짓고 있다. 올해 3·4분기까지 양산 체제를 갖춘 후 12월 본격적인 제품 생산을 시작할 계획이다. 연간 기준 마이크로 LED 웨이퍼 5만8800장, 마이크로 LED 픽셀 소자 4만5000개를 해당 공장에서 생산할 예정이다.  대만의 AUO는 지난해 말 워치용 마이크로 LED 양산에 나섰다. 올해 하반기에서 내년 무렵 투명 마이크로 LED 도입 및 양산 추진에 나설 계획이다. 2026~2027년에는 차량용 마이크로 LED 양산에 나서며 마이크로 LED 시장 리더십 확보에 나섰다. K디스플레이 '발등의 불' 반면, 국내 디스플레이 업계는 양산에 신중한 입장이다. 아직 마이크로 LED 시장이 아직 제대로 개화되지 않아 상업성이 떨어진다고 보기 때문이다. 국내에선 삼성디스플레이와 LG디스플레이 가 마이크로 LED 관련 기술력을 보유하고 있다. 다만, 최근 기존 TV 외에도 AR, VR, 확장현실(XR) 등까지 마이크로 LED 시장이 확대될 것이란 전망이 나오면서 삼성전자와 LG전자 양사는 마이크로 LED 관련 제품을 선보이고 있다. 삼성전자는 최근 중국 상하이에서 TV 신제품 발표회를 열고 76·89·101·114형으로 구성된 2024년형 마이크로 LED TV를 공개했다. 최근엔 북미에 114인치 마이크로 LED를 출시했다. LG전자는 다양한 상업공간에서 편리하게 사용하는 마이크로 LED 'LG 매그니트' 라인업을 확대했다. 정부도 지원에 나섰다. 지난달 23일 국가연구개발사업평가 총괄위원회에서 '무기발광 디스플레이 기술개발 및 생태계 구축 사업'이 예비타당성 조사(예타)를 통과했다. 이에 따라 내년부터 2032년까지 국비 3479억원을 비롯해 총 4840억원이 투입된다. 마이크로 LED는 무기발광 디스플레이 기술 중 주요 기술 중 하나로 꼽힌다. 디스플레이업계 관계자는 "아무리 수익성이며 개화기 단계지만 현재 국내 마이크로 LED 생태계의 첫 단계인 LED 칩 제조 분야부터 국내 기업이 전무해 산업 체인이 매우 부실한 상황"이라며 "이대로라면 대만·중국 기업에 시장 주도권을 내줄 것"이라고 전망했다.   rejune1112@fnnews.com 김준석 기자

[파이낸셜뉴스] 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 최종민 교수팀이 장기간 열처리 방법 대신 찰나의 빛을 쪼여 '황화납 퀀텀닷' 태양전지의 성능과 내구성을 향상시키는 기술을 개발했다. 순간적으로 강한 에너지를 발생시키는 '펄스 형태'의 빛을 이용한 것이다. 이 기술로 만든 태양전지는 개방 전압을 0.63 V에서 0.66 V로 상승시켜 12.7% 효율에서 13.5%까지 효율이 향상됐다. 14일 DGIST에 따르면, 이 기술은 향후 황화납 퀀텀닷 태양전지 생산 및 상용화에 기여할 것으로 보인다. 또한 황화납 퀀텀닷 태양전지 뿐만아니라 퀀텀닷, 페로브스카이트, 유기물 등 광전소자 기반 반도체 물질에서 짧은 시간의 순간적 열처리가 요구되는 다양한 분야에 활용할 수 있다. 최근 차세대 태양전지 중 황화납 퀀텀닷에 대한 연구가 활발하게 연구되고 있다. 나노사이즈 반도체 물질로 자외선, 가시광선, 근적외선, 단파적외선 등 태양 빛의 파장대 중 다양한 부분을 흡수할 수 있고, 용액공정으로 인한 저렴한 공정비용, 우수한 광전기적 특성 등을 가지고 있다. 황화납 퀀텀닷 태양전지는 여러 공정 단계를 거치는데, 최근까지 퀀텀닷 층을 기판 위에 코팅 후 열처리 해 전기전도성을 향상시키는 공정이 필수 단계로 자리매김하고 있다. 하지만 황화납 퀀텀닷이 빛, 열, 수분 등에 노출되면, 퀀텀닷 표면에 결함 형성이 가속화돼 소자 성능을 저하시키는 문제가 발생할 수 있어 상용화를 통해 활용하는 데 어려움이 있다. 연구진은 황화납 퀀텀닷 표면에 발생할 수 있는 결함 형성을 방지하기 위해 수 밀리초(1000분의 1초) 정도의 짧은 시간 동안 빛을 노출해 열처리하는 방식을 적용했다. 반면 기존의 황화납 퀀텀닷 층 열처리 방식은 열판, 오븐 등을 이용해 고온에서 수십 분 동안 진행한다. 이로 인해 표면 결함 형성이 가속화될 수 있는 시간이 길다. 새로운 '펄스 형태 열처리 기법'은 수 밀리초의 단시간 내에 강한 빛을 통해 열처리 돼 표면 결함 발생을 최소화 할 수 있다. 또한, 전류를 발생시키는 전하(전자, 정공)의 이동 수명을 연장하는 등 기존 방식의 단점은 극복하면서 고효율을 달성하는 기술이다. 최종민 교수는 "이를 통해 기존 양자점 열처리 공정의 한계점을 극복할 수 있는 신규 열처리 공정을 개발해 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있었다"며, "파급효과가 우수한 양자점 공정을 개발로 향후 양자점이 활용되는 다양한 광전소자에 확대 응용될 수 있을 것"이라고 말했다. 한편, 최종민 교수는 이번에 개발한 황화납 퀀텀닷 태양전지 제작 기술을 경북대 에너지화학공학과 임창용 교수팀, 충남대 에너지공학과 임종철 교수팀과 공동연구를 통해 국제 학술지 '스몰(Small)'에 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장지욱·장성연 교수팀이 스탠퍼드대 토마스 F. 자라밀로 교수와 함께 태양에너지 만으로 물 속 질산염을 고효율의 암모니아로 만들어내는 시스템을 개발했다. 이 시스템은 미국 에너지부가 정한 친환경 암모니아 생산 속도의 상용화 기준치를 약 1.7배 웃돌아 세계 최고 기록이다. 16일 UNIST에 따르면, 연구진이 개발한 시스템은 페로브스카이트를 활용한 태양에너지로 폐수의 주요 성분인 질산염을 물 속에서 환원해 암모니아를 생산하는 원리다. 연구진이 개발한 시스템으로 암모니아를 생산한 결과, 페로브스카이트를 사용한 전극 1㎠에서 시간당 1745㎍을 만들어냈다. 연구진은 "미국 에너지부가 정한 친환경 암모니아 생산 속도 상용화 기준인 1000㎍을 훨씬 넘어섰다"고 설명했다. 이 암모니아는 비료, 음식, 제약 등 고부가 가치 화합물을 합성하는 데 쓰인다. 또 수소를 저장하고 수송할때 암모니아 상태로 뒀다가 질소를 분리해 수소를 에너지로 사용할 수 있다. 장지욱 교수는 "이번 연구를 통해 폐수의 주성분인 질산염과 바이오디젤의 부산물인 글리세롤을, 암모니아와 고부가 가치의 글리세릭 엑시드를 생산했다"며 "개발된 기술은 외부전압 없이도 고효율 암모니아를 생산할 수 있으며, 다양한 친환경 연료를 생산하는데도 활용할 수 있을 것"이라고 말했다. 또한 장성연 교수는 "고효율 태양광 연료 생산에 응용한 매우 중요한 연구"라며 "태양광 연료의 상용화가 되는 태양광 연료 생산 속도 기준을 초과 달성했다는 점에서 큰 의의가 있다"고 설명했다. 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수해 전하를 많이 만들 수 있지만 물에 쉽게 분해된다. 연구진은 페로브스카이트를 쉽게 액체가 되는 필즈금속으로 보호하는 동시에 고성능 암모니아 생산 촉매와 강하게 결합시켰다. 필즈금속은 녹는 온도가 63도로 낮아 쉽게 녹고 상온에서는 고체가 돼 이러한 설계가 가능하다. 이렇게 만든 광전극은 페로브스카이트가 물과 직접 접촉하는 것을 막는다. 페로브스카이트와 암모니아 생산 촉매를 전기적으로 연결하고 고정한 광전극은 물속에서 빛을 받아 전하를 생산한다. 전하는 전극 표면에 노출된 암모니아 생산 촉매에 효율적으로 전달돼 안정적으로 높은 효율의 암모니아가 만들어진다. 연구진은 암모니아를 외부 전압없이 생산하기 위해 물보다 낮은 전압에 반응하는 글리세롤을 이용했다. 먼저, 백금 촉매를 티타늄 나노시트에 올려 글리세롤의 산화 반응속도를 높였다. 광전극에서 생산되는 전압과 글리세롤의 산화반응을 통해 암모니아 전환에 필요한 전압의 최소량을 맞췄다. 즉, 글리세롤이 첨가된 물에 광전극을 담그고 빛을 쬐면 자발적으로 암모니아를 생산할 수 있는 것이다. 암모니아 생산과 동시에, 부산물로 글리세롤보다 9배 이상 가치 높은 글리세릭 엑시드도 만들었다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 1㎡까지 키운 페로브스카이트 태양전지 모듈로 물에서 수소를 만드는데 성공했다. 특히 자외선과 수분에 취약한 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 해결했으며, 태양광수소 전환효율 10% 이상을 달성했다. 6일 UNIST에 따르면, 연구진이 개발한 그린수소 생산 광전극은 에너지화학공학과 이재성·장지욱·석상일 교수와 탄소중립대학원 임한권 교수팀이 공동 개발해 에너지 분야 최고의 학술지인 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 발표했다. 이번 연구에 참여한 한소라 박사는 "이번에 개발한 광전극은 대면적에서도 높은 효율을 유지했다"며 "앞으로 그린수소 생산의 실용화를 위한 현장실증에 집중한다면 2030년 이전에 태양광을 이용한 그린수소 기술이 상용화가 될 것"이라고 전망했다. 태양광 수소 기술은 지구상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용해 물을 분해해 수소를 얻는 이상적인 그린수소 생산기술이다. 연구진은 이를 위해 효율 높고 비교적 값이 싼 페로브스카이트를 광전극 소재로 사용했다. 그러나 페로브스카이트 태양전지는 태양광에 포함된 자외선과 공기 중의 수분에 대한 안정성이 떨어진다. 연구진은 물을 분해해 수소를 만들기 위해선 광전극을 물속에 넣어야 하는데, 이 두 가지 문제점을 모두 개선했다. 우선 자외선 문제은 페로브스카이트의 양이온으로 기존의 메칠암모늄 대신 포름아미디늄을 사용해 해결했다. 또 물과의 접촉면을 니켈 포일로 완전 봉인해 물속에서도 안정성을 유지하도록 제작했다. 또 1㎠ 미만의 소형인 연구개발용 광전극을 1만배 정도 스케일업 해 실용화 규모인 1㎡까지 키웠다. 연구진은 "이때 스케일업 과정에서 수소생산 효율이 감소하기 때문에 이를 최소화하는 기술도 필요하다"고 설명했다. 이를위해 작은 광전극들을 일정한 크기로 연결해 배치하는 '모듈 기반 설계'를 활용했다. 소형 광전극을 블록을 쌓는 것처럼 가로, 세로로 반복해서 연결해 대면적의 광전극을 제조한다. 이렇게 스케일업한 모듈로 상용화를 위한 최소 조건인 태양광수소 전환효율 10% 이상을 달성했다. 연구진은 "이같은 결과는 대면적 광전극에서 세계 최고 효율"이라고 말했다. 또한 "이번 성과로 2050년까지 탄소중립을 실현하는데 크게 기여할 수 있는 경쟁력 있는 그린 수소 생산 방법을 확보할 수 있으며, 세계 에너지 시장에서 선도적인 역할을 할 수 있을 것"이라고 전망했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자