친환경 수소연료전지 상용화 가까워졌다 - KIST, 내구성 높은 고성능, 저가형 연료전지 촉매 개발 성공 - 자동차, 가정용 발전기, 휴대용 전자기기 등 다양한 분야에 적용 가능 국내 연구진이 수소연료전지 생산에 들어가는 백금의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 원천기술을 개발해 높은 가격으로 인해 대량 생산이 어려웠던 수소연료전지의 상용화에 청신호가 켜졌다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 황승준 연구원, 유성종 박사, 김수길 박사는 미래융합기술연구본부 전자재료연구센터 이승철 박사팀과의 공동연구를 통해 원자수준의 백금 코팅 기술을 사용하여 연료전지에서 백금의 양을 획기적으로 줄이면서도 높은 성능과 내구성을 구현해내는데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구를 활용하여 수소 연료전지 자동차에 들어가는 백금을 백금코팅 촉매로 바꾸면 기존에 약 70g이 소요되었던 백금의 양을 20g 수준으로 절감할 수 있을 것으로 예상된다. 이번 연구성과는 국내 독자적 원천기술 확보 뿐만 아니라 연료전지 대중화의 토대가 되는 획기적인 성과로 본 연구성과는 지난 2월 19일, 세계적인 권위를 자랑하는 Nature의 온라인 자매지인 「Scientific Reports」 에 게재되었다. 최근 현대자동차가 세계 최초로 수소 연료전지 자동차의 양산 계획을 발표하면서 수소를 사용하는 차세대 연료전지 기술이 주목받고 있다. 친환경 자동차인 수소 연료전지 자동차는 수소와 산소를 이용, 전기를 생산해 연료전지를 내연기관 엔진대신 사용하여 유해가스 배출과 소음을 획기적으로 줄일 수 있다. 하지만 대당 2억 원이 넘는 가격이 대중화의 걸림돌이었다. 연료전지 가격이 수소 연료전지 자동차 값의 절반을 넘게 차지하는 탓이다. 현재 기술 수준으로 중형급 수소 연료전지 자동차 한대에 들어가는 백금은 70g가량인데, 백금 시세를 감안하면 연료전지 내 촉매의 가격만 1000만원에 달하는 셈이다. 게다가 백금이 장시간 운전 중에 용해되어 연료전지 성능을 저하시키는 현상 또한 큰 과제로 남겨져있었다. 지금까지 백금의 고비용 문제를 해결하기 위한 연구는 주로 백금 자체의 활성을 증가시키거나, 백금과 전이금속 합금 형태의 전극촉매를 개발하는 것이었다. 최근에는 높은 전기화학적 활성 및 안정성으로 인해 원자수준의 백금 코팅 기술인 ‘코어-쉘’ 구조의 전극촉매에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재는 균일한 코팅 층을 형성하기 위해서 원자수준의 백금을 코팅할 때 안정제나 분산제 등을 사용하고 있다. 하지만 이러한 안정제나 분산제는 촉매의 반응성에 악영향을 주며, 핵심 입자의 표면에 백금 코팅 층을 형성할 때 방해가 되기 때문에 화학적 처리나 열처리를 통한 제거가 필요하다. 이러한 화학적 처리나 열처리 과정에서 핵심 입자가 응집되거나 형태가 망가질 수 있고, 백금 코팅 층의 경우에도 입자의 응집이 일어나거나 코팅 층의 붕괴가 발생할 수 있어 전극촉매의 활성이 떨어지는 문제가 발생한다. 이번에 연구팀이 개발한 기술을 사용하면, 원자수준의 백금을 코팅하는 과정에서 코팅 층이 형성된 후 안정제의 제거를 위해 행해지던 열처리 또는 화학적 처리공정이 필요 없게 된다. 이를 통해 새롭게 제시된 전극촉매는 연료전지의 음극, 양극 전극 모두에 이용될 수 있으며, 촉매의 활성도와 내구성이 뛰어나며 우수한 전기화학적 특성을 보이는 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서 개발한 촉매합성을 위한 기술은 향후 성능이 더 우수한 촉매를 설계하는데 크게 응용될 수 있을 것으로 예상된다. KIST 유성종 박사는 “이번 연구는 친환경 수소 연료전지의 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의미가 있다” 며, 최근 전력공급 부족에 의한 블랙아웃을 대비한 가정용 발전기 등의 비상발전용 기술로도 활용 가능성이 높다” 라고 말했다. 금번 연구는 촉매합성과 설계부문으로 나누어 진행되었으며 촉매합성연구는 KIST 연료전지연구센터에서 주도하여 지경부 신재생에너지 사업의 원천기술개발과제, 기초기술연구회 협동연구과제 및 KIST 기관고유 사업을 통해 수행되었고, 촉매설계연구는 KIST 전자재료연구센터의 주도로 미래부 원천기술개발사업인 나노소재기술개발사업을 통해 수행되었다. ○ 연구진 ○ 그림설명 <그림> 2단계로 진행되는 코어-쉘 촉매 합성 모식도 균일한 사이즈를 가지는 핵심 입자위에 원자수준의 백금 층을 형성시키기 위해 백금 층을 형성하는 금속 전구체를 에스테르계 환원제로 환원시키는 방법을 사용하였다. 선택적인 원자수준의 백금 층 형성 반응은 유기화학 반응에서 느린 수소 이동 반응에 많이 사용되는 것으로 알려져 있는 한츠 에스테르(Hanztsch ester)를 환원제로 사용하였다.

바르고 오븐에서 굽기만 하면 태양전지 끝∼ KIST, 대량생산 가능한 박막태양전지 기술 개발 - 저비용 코팅 공정 통해 세계 최고 수준 고전압 성능 달성 - 제조비용 절감 및 대량생산에 한발 더 가까이 기존과 다른 획기적인 제조 공정을 사용하여 저렴하면서 고전압을 구현하는 박막태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 청청에너지연구센터 민병권 박사팀은 프린팅 방법과 같은 저가형 공정을 이용하여 고전압을 낼 수 있는 박막태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 태양전지 제조에 있어 용액을 통한 페이스트 코팅 제조 공정은 박막태양전지의 제조 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 핵심 기술로 알려져 있다. 기존의 진공 증착법 공정에서 필요한 고가의 진공장비가 필요없고, 인듐과 같은 고가 원료의 손실이 적으며 매우 빠른 공정 속도를 구현할 수 있기 때문이다. 또한, 고전압을 만들어 낼 수 있는 박막태양전지 기술은 태양전지 모듈에서 일반적으로 발생하는 전기 손실을 줄여 궁극적으로 모듈의 효율성을 향상시키는 중요 기술이다. 보통 태양전지는 단위셀들을 많이 연결할수록 저항이 커져 효율이 감소하게 되는데 단위셀 자체가 고전압을 발생하게 되면 그만큼 모듈에 들어가는 단위셀의 숫자가 줄어들어 전체적으로 효율 감소가 줄어들기 때문에 단위셀의 전압을 높이는 것이 태양전지 효율성 확보의 관건이라 할 수 있다. 고전압 박막태양전지를 구현하기 위해서는 넓은 띠간격(wide band-gap)을 갖는 반도체 박막을 제조해야 한다. 띠간격은 반도체에서 전자가 채워져 있는 띠와 그렇지 않은 띠 사이의 간격(에너지 차이)을 의미하는데 넓은 띠간격을 가질수록 태양전지가 고전압을 발생할 가능성이 커진다. 하지만 반도체 물질의 띠간격이 너무 크게 되면 그 만큼 빛 흡수 양이 적어져 효율이 감소하기 때문에 고전압이 발생하면서 효율이 최대가 될 수 있는 최적의 띠간격을 발견, 유지하는 것이 중요하다. KIST 민병권 박사팀은 기존에 사용하던 셀레늄(Se) 대신 황(S)으로 이루어진 CIGS(구리-인듐-갈륨-황 화합물) 박막을 간단한 특수 용액을 기판에 바르는 페이스트 코팅법으로 제조하여 띠간격 1.5eV 이상을 갖는 박막 구현에 성공하였으며 이를 적용한 태양전지 소자 제작을 통해 태양광-전기 변환 효율 8.3%, 개방전압 787mV 의, 현재 보고된 저가형 고전압 CIGS 박막태양전지 중 세계 최고 효율을 달성하였다. 독성이 강하고 폭발성이 큰 용매를 사용하거나, 글러브 박스(glove box)와 같은 제한된 공간에서만 실험이 가능했던 페이스트 코팅 공정을 알코올과 같은 비교적 안전한 용매를 이용하여 일반 공기중에서 구현이 가능하도록 개선하여 적용시킨 것이다. 페이스트 제조와 코팅 과정이 보통의 대기 중에서 이루어지게 되면 태양전지의 대면적화 및 대량 생산에 매우 유리하며 더 나아가 고전압이 요구되는 태양광-물분해 수소 제조의 광전극 기술로도 응용이 가능하다. 민병권 박사는 “이번에 개발된 박막태양전지 제조 기술은 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하기 때문에 발전용뿐만 아니라 건물용 태양전지로도 적용이 가능하며, 유연성 기판에도 적용할 수 있어 다양하게 응용할 수 있다”며 “또한, 태양광을 이용하여 물을 분해해 수소를 생산하는 기술에는 2V 이상의 전압이 필요한데, 고전압을 낼 수 있는 이번 기술이 응용될 수 있다”고 말했다. 이번 연구성과는 KIST 기관고유사업 및 교육과학기술부 신기술융합형 성장동력사업의 연구비 지원으로 수행되었으며, 지난 1월 11일, 태양전지분야 최고 권위지인 ‘Progress in Photovoltaics' 온라인판에 게재되었다. ○ 연구진 <민병권 박사> ○ 사진설명 좌: 페이스트 코팅법에 의해 제조된 태양전지 박막 모습, 우: 고전압을 발생하는 저비용 박막태양전지 소자 특성