수명을 다한 1세대 태양광 폐패널이 쏟아지고 있는 가운데, 태양광 폐패널의 실리콘으로 고순도 수소와 고부가가치 소재인 실리카를 동시에 생산할 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 실리콘 표면에 형성되는 실리카 피막을 강한 약제를 사용하지 않고 제거할 수 있는 방법을 개발했다고 6일 밝혔다. 실리카 피막은 물의 접근을 차단해 반응을 멈추게 하기 때문에 수소 생산량을 크게 떨어뜨린다. 이에 실리카막을 제거하면 수소 생산량이 최대 5배까지 늘어나게 된다.
실리카막을 제거하는 원리는 실리콘과 물을 작은 구슬이 들어있는 용기에 넣고 굴리면서 구슬과 실리콘 입자를 서로 부딪히게 해 실리카 보호막을 벗겨내는 것이다. 이같은 원리를 적용해 실험한 결과, 상용 실리콘 1g당 약 1706mL의 수소가 생산됐다. 이는 이론적 최대 생산량(1713mL g⁻¹)의 99.6% 수준이다. 일반적인 열화학 방식이 이론 최대치의 약 18~28%에 머무는 것과 비교하면 최대 5배 높은 수소 생산 효율이다. 또 폐태양광 패널에서 직접 얻은 실리콘 가루를 이용한 실험에서도 이론적 최대치의 약 98% 수준에 이르는 수소 생산 성능을 기록했다.
함께 생산된 실리카도 촉매 지지체로서 우수한 성능을 보였다고 연구팀은 설명했다. 지지체는 촉매의 활성 금속 입자를 고르게 분산시켜주고 고정해 주는 역할의 물질이다. 생산된 실리카를 사용한 니켈 촉매는 이산화탄소를 메탄으로 바꾸는 화학 반응에서 상용 실리카를 사용한 촉매보다 더 높은 이산화탄소 전환율과 메탄 선택도를 기록했다. 실리카 표면에 많은 수산기(-OH)가 촉매 입자를 더 잘 분산시키기 때문인 것으로 분석됐다.
개발된 기술은 2차 환경오염 우려 때문에 매립이 어렵고 고온 소각조차 쉽지 않은 태양광 폐패널을 경제적이면서도 친환경적으로 처리할 기술로 주목받고 있다.
실리카로 얻는 수익을 아예 제외해도 해당 공정의 수소 생산 단가가 기존 열화학 방식보다 수십에서 수천 배나 저렴하다는 것이다. 실리카 판매 이익까지 더하면 수소를 생산할수록 오히려 수익이 나는 '마이너스 비용 구조'도 가능하다는 분석이다. 또 한 번씩 끊어서 작업하는 배치 방식보다 끊임없이 기계를 돌리는 연속식 공정에서 생산량과 에너지 효율이 훨씬 뛰어나, 향후 대규모 산업 현장에 바로 투입하기에도 수월하다.
백종범 교수는 "태양광 폐패널 실리콘을 활용해 친환경적으로 수소를 생산하면서 산업적으로 활용 가능한 실리카까지 얻을 수 있다"며 "처치 곤란인 폐태양광 패널을 고부가가치 자원으로 탈바꿈시켜 순환경제를 구축하는 데 큰 도움이 될 것"이라고 말했다.
이번 연구결과는 에너지 분야 최고 권위 학술지인 '줄(Joule)'에 게재됐다.
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