인쇄기술로 태양광 수소를 상업 생산할 방안이 나왔다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 이재성, 장지욱 공동연구팀은 아일랜드 틴달국립연구소와 협력해 프린터에 널리 사용되는 전자동 잉크젯 프린팅 기술을 활용한 대형 광전극 제조기술을 개발했다고 12일 밝혔다.
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 이번이 최초다.
최근 급격한 기후변화에 대응하고자 유엔을 비롯한 세계 많은 국가들이 탄소중립 실현계획을 수립하고 있다. 많은 국내외 전문가들은 이 탄소중립을 이루는데 있어 수소가 결정적 역할을 할 것으로 의견을 모으고 있다.
그러나 현재 수소는 화석연료의 개질을 통해 생산되고 있으며 그 과정에서 이산화탄소가 발생해 탄소감축에 대한 기여도는 미미하다. 따라서 세계 각국은 수소 생산과정에서 이산화탄소 발생이 전혀없는 '그린수소 생산기술'을 경쟁적으로 개발하고 있다.
태양광 수소 기술은 그린수소 생산기술 중 지구상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양에너지로 물을 분해해 수소를 얻는 가장 이상적인 기술이다. 하지만 그 효율이 충분하지 않아 기존의 화석연료 개질로 생산되는 수소에 비해 가격경쟁력이 떨어진다는 단점이 있다.
태양광 수소 기술을 통해 수소를 생산하는 핵심요소는 광전극이다. 광전극의 성능은 전체 수소생산 시스템의 효율과 경제성을 결정한다. 보통 연구개발용 광전극은 1cm² 미만의 소형으로, 실용화 규모인 1m²까지 키우려면 크기를 1만 배가량 키워야 한다. 이렇게 되면 수소생산 효율은 급격하게 떨어진다.
또 실험실에서 사용하는 수동식 제조법으로는 대량 제조가 불가능하다. 즉 태양광 수소생산을 상업화하기 위해서는 높은 효율을 유지하면서 대형 광전극을 대량 제조할 수 있는 자동화 스케일업 기술이 필요한 것이다.
연구팀은 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 장점을 가진다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 이 기술을 이용해 산화철 광촉매 전극을 대규모의 모듈형태로 제조하며 그 효용성을 증명했다. 특히 이번 성과는 태양광수소 상업생산을 향한 중요한 이정표를 만들었다고 평가되고 있다.
이재성 에너지화학공학과 교수는 "지금까지는 실험실에서 태양광수소 전환효율의 상승에 연구개발의 초점이 맞추어져 있었다면 앞으로는 조속한 실용화를 위한 스케일업 기술개발과 현장실증에 역량을 집중해야 한다"며 "2030년 이전에 태양광을 이용한 그린수소 기술이 상용화가 될 것으로 기대된다"고 전했다.
이번 연구결과는 미국의 셀프레스(Cell Press)에서 발행하는 에너지 분야 학술지인 '줄'(Joule)에 게재됐다.
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