그린수소·태양전지 판도 바꾼다...테크마켓 뜬 KAIST 신기술 보니

반도체 기술로 그린수소 생산량 75배 껑충...K-촉매 신기술 뜬다정연식 KAIST 신소재공학과 교수
'고효율·고내구성 수소생산 촉매 제조 기술' 공개

정연식 KAIST 신소재공학과 교수/사진=KAIST

"우리 기술을 통해 기존 촉매 사용량을 10분의 1 가까이 줄일 수 있어요. 수소 생산비도 그만큼 저렴해질 겁니다."


카이스트(KAIST·한국과학기술원) 신소재공학과 정연식 교수는 오는 16일 서울 코엑스A홀 컨퍼런스C에서 열리는 4대 과학기술원 공동 '2024 테크마켓'에서 소개할 신기술이 가져올 효과를 묻는 질문에 이같이 답했다.

정 교수는 대학 강단에 설 뿐만 아니라 현재 '인공광합성연구소'에 소속돼 기술 부문 테크니컬 디렉터로도 활동하고 있다. 인공광합성연구소는 저탄소 에너지 경제로 전환하기 위한 신재생에너지 R&D(연구개발)을 목적으로, 카이스트홀딩스(KAIST 기술지주회사)와 하나은행이 2022년 공동으로 설립했다. 하나은행이 100억원을 투자하고, 카이스트홀딩스가 내부 기술, 논문 등의 지식재산을 현물로 출자하는 형태로 운영한다. 이곳에서 정 교수는 차량 배기열을 에너지원으로 화학 합성하는 기술, 고효율 촉매 소재 등 탄소전환 기술을 중점 연구하고 있다.
그가 이번 테크마켓에서 공개할 기술은 '고효율·고내구성의 수소생산 촉매 제조 기술'이다. 정 교수에 따르면 그린수소 생산방식 중 하나인 수전해는 물을 전기 분해해 수소와 산소로 변환하는 원리다. 이때 수소 생산·활용에 가장 핵심적인 역할을 하는 것이 촉매다. 현재 백금과 유사한 특성을 가지는 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐 등이 촉매로 쓰이는 데 매우 고가인 데다 매장량도 한정돼 있다는 단점이 있다.

정 교수는 "현재 수소연료를 대중화하는데 가장 큰 과제는 생산비용 절감"이라고 진단하며 "수소연료가 충분한 경제성을 지니려면 촉매를 그만큼 적게 써야 한다"고 말했다. 이어 "미국 에너지부(DOE)에선 이리듐 사용량을 지금보다 30분의 1 수준으로 줄일 수 있는 기술 개발이 필요하다고 강조하고 있다"고 덧붙였다.


정 교수는 이를 위해 '고분자전해질(PEM) 수전해 고성능 막전극접합체 및 스택 기술 개발'이란 제목의 연구과제를 수행했다. 고순도 그린수소를 생산하기 위해 물을 전기분해하는 친환경적인 고분자 전해질막 수전해(PEMWE) 장치를 활용한다. 이때 사용하는 이리듐 촉매는 전자를 많이 가지고 있는 상태를 지속적으로 유지해야 고효율·고내구성을 달성할 수 있다. 그런데 수소는 전자를 방출하는 성격 때문에 양이온(H+)이 되기 쉬우며, 수소이온 농도가 높을수록 산성이 강해진다. 이 경우 촉매가 부식돼 제 기능을 하기 어렵다. 촉매가 전자를 잃어버리고 산화돼 수소 생산효율과 수명이 저하되는 것이다. 정 교수팀은 촉매 구조를 새롭게 디자인하는 방식으로 이 같은 문제를 풀었다.

정연식 교수팀은 안티모니(Sb)를 덧씌운 주석 산화물로 3차원 입체 구조를 가진 촉매 지지체를 만들었다/자료=KAIST

정 교수팀은 안티모니(Sb)를 덧씌운 주석 산화물로 3차원 입체 구조를 가진 촉매 지지체를 제작했다. 또 반도체 증착 기술을 적용해 지지체 표면엔 고농도 산소이온이 분포하도록 만들었다. 이 산소이온이 이리듐 촉매로 충분한 양의 전자를 계속 보충해줘 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지할 수 있다. 정 교수팀은 이를 PEMWE 장치에 적용, 기존 이리듐 사용량 대비 최대 75배 많은 수소를 생산해냈다.

정 교수는 "반도체 업계의 집적도를 높이기 위한 3차원 적층형 반도체 구조를 응용해 높은 효율을 달성한 것"이라며 "이 기술을 통해 기존 촉매 사용량을 10분의 1 가까이 줄일 수 있어 비용도 그만큼 낮출 수 있다"고 했다. 정 교수팀이 개발한 촉매 지지체는 3차원(D) 프린팅 기술을 통해 생산할 수 있다는 이점도 있다. 정 교수는 이번 테크마켓에서 "수전해 스택 모듈 등을 제조하거나 신재생에너지 관련한 소재 기술에 관심이 많은 기업들을 만나고 싶다"고 말했다.

한편, 2024 테크마켓은 머니투데이 스타트업 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리'가 내달 16일 서울 삼성동 코엑스 A홀에서 개막하는 '그린비즈니스위크 2024(GBW 2024)'의 특별 부대행사로 마련했다. 과학기술정보통신부와 카이스트, 대구경북과학기술원(DGIST), 울산과학기술원(UNIST), 광주과학기술원(GIST) 등 4대 과기원이 공동으로 개최하는 이번 행사는 우수 R&D(연구개발) 성과를 국내 대·중견·중소기업, 스타트업에 소개·이전해 기존 제품·서비스를 고도화하고 글로벌 경쟁력을 강화할 것으로 보인다.

특히 이번 행사는 기존 과기원별 단독 설명회와 달리 과기원 4곳이 한데 모여 준비하는 통합형으로 치뤄지는 데다 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 AI(인공지능) 기반 공공 R&D 기술사업화 유망성 탐색 플랫폼 '아폴로'(Apollo)를 통해 선정된 기술과 궁합이 맞는 기업을 매칭, 기술이전 및 사업화 성공률을 더 높였다는 점에서 주목을 받는다. 아폴로는 기업들이 필요로 하는 기술이 무엇인지 진성 수요를 파악하고, 선정된 기술에 관심을 가질만한 수요기업을 예측해 알려준다. 또 해당 기술로 개발한 제품·서비스 관련 시장 규모와 경쟁사 분석 정보도 제공한다.

행사장엔 4대 과기원 공동상담부스가 설치돼 핵심기술 8건에 대한 일대일 현장상담이 이뤄질 예정이다. 뿐만 아니라 바이오, 이차전지, 디스플레이 등 국가 12대 전략기술과 탄소 중립 관련 기술에 관심있는 기업들에 대한 R&D 사업 자문도 지원한다.

실리콘 태양전지보다 더 빛난다...태양광 발전 판도 바꿀 '이 기술' [인터뷰] 신병하 KAIST 신소재공학과 교수
실리콘 대체할 '페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지' 소개

신병하 KAIST 신소재공학과 교수/사진=KAIST

"실리콘 기반 태양전지에서 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지로 갈아 탈 때입니다."

신병하 카이스트(KAIST·한국과학기술원) 신소재공학과 교수(학과장)는 "실리콘 기반 태양전지는 실질적인 효율의 한계에 다다랐다"며 이같이 말했다.

우리나라 환경에서 가장 이상적인 신재생에너지로 태양광 발전을 꼽는다. 정부는 2030년 신재생에너지 발전량 중 절반 이상이 태양광 발전에서 나올 것으로 전망한다. 태양광 발전의 기술력은 태양전지가 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 비율, 즉 '광전환 효율'에 달렸다. 현재 가정과 산업에서 가장 널리 사용되는 실리콘 기반 태양전지의 최고 효율은 26.1%(단결정, 비집광 기준)까지 도달했지만, 더 이상의 발전을 기대하기 힘들다는 게 과학기술계 전반적 평가다.

실리콘 기반 태양전지의 이론적인 최대 광전환 효율은 29%로 알려져 있다. 태양은 파장이 250~2500nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m)에 이르는 다양한 빛을 지상으로 보내는 데, 실리콘 태양전지는 이중 500~1000nm의 빛만 활용할 수 있다. 파장이 1000nm가 넘는 빛은 태양전지를 통과해 버리고 500nm 이하 빛은 흡수는 되지만 열로 전환돼 날아가 버리기 때문에 이같은 물리적 한계가 있다는 설명이다.

이런 한계를 극복하기 위한 대안으로 가장 주목받는 것이 '페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지'다. 이는 빛 흡수가 뛰어나고 전하 이동이 쉬워 광전환 효율이 상대적으로 뛰어나다. 게다가 기존 태양전지보다 제조 비용도 저렴하다.

신병하 교수는 16일 서울 코엑스A홀 컨퍼런스C에서 열리는 '2024 테크마켓'에서 실리콘 기반 태양전지의 단점을 개선한 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지를 선보일 예정이다.

신 교수는 서울대, 세종대, 미국 국립재생에너지연구소 등과 함께 페로브스카이트에 기존 실리콘 태양전지나 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄으로 만든 CIGS 태양전지를 결합해 '탠덤(Tandem) 태양전지'를 개발했다. 이는 현재 26.7%의 높은 광전환 효율을 나타낸다.

페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지는 효율성이 좋지만 아직 여럿 단점이 있다. 가장 큰 문제는 전지 내구성이 약하다는 것이다. 빛이나 열에 의해 작동이 불안정해질 수 있고 수분 등 외부환경에 민감하다.

신 교수는 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지에 특정 음이온 첨가제를 넣으면 내부에 형성되는 2차원 안정화층의 전기적, 구조적 특성을 쉽게 조절할 수 있다는 사실을 이론적으로 규명하고, 고해상도 투과전자현미경으로 이를 직접 확인했다. 음이온 조절에 따라 태양광을 1000시간 연속으로 비춰도 안정성이 처음 상태의 80% 넘게 유지됐다.

또 신 교수팀은 내구성 문제를 해결하기 위해 페로브스카이트에 기존 실리콘 태양전지 혹은 CIGS 박막 태양전지를 덧댔다. 이러면 수분, 빛, 열 등의 외부 환경에 대한 내구성이 개선될 뿐만 아니라 광전환 효율 역시 더 높아진다는 설명이다.

신 교수는 "페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄, 이제 상용화를 고민하는 시기"라며 "실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 큰 도움이 될 것"이라고 말했다. 또 "이번 연구결과는 향후 30% 이상의 초고율 탠덤 태양전지 구현에 초석이 될 것"이라고 덧붙였다.

신 교수는 해당 기술을 이번 테크마켓에서 만난 에너지 관련 스타트업이나 한화큐셀과 같은 태양광 에너지 솔루션 대기업에 이전하거나, 공동·협력R&D를 통해 더 고도화할 계획이다. 그는 "최근 가볍고 구부릴 수 있는 박막 태양전지 모듈을 개발해 도심 빌딩, 자동차 외부, 산업단지 지붕에 도입하려는 중소기업과 우주 태양전지 산업을 추진하고 있는 우주 스타트업이 찾아온 적 있다"며 "현재 태양전지 시장의 90% 이상이 실리콘 기반이며, 대부분 중국업체가 점유하고 있는 데 이번 기술이전을 통해 국내 기업들이 차별화된 경쟁력을 가질 수 있도록 지원할 것"이라고 말했다.

한편, 2024 테크마켓은 머니투데이 스타트업 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리'가 내달 16일 서울 삼성동 코엑스 A홀에서 개막하는 '그린비즈니스위크 2024(GBW 2024)'의 특별 부대행사로 마련했다. 과학기술정보통신부와 카이스트, 대구경북과학기술원(DGIST), 울산과학기술원(UNIST), 광주과학기술원(GIST) 등 4대 과기원이 공동으로 개최하는 이번 행사는 우수 R&D(연구개발) 성과를 국내 대·중견·중소기업, 스타트업에 소개·이전해 기존 제품·서비스를 고도화하고 글로벌 경쟁력을 강화할 것으로 보인다.

특히 이번 행사는 기존 과기원별 단독 설명회와 달리 과기원 4곳이 한데 모여 준비하는 통합형으로 치뤄지는 데다 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 AI(인공지능) 기반 공공 R&D 기술사업화 유망성 탐색 플랫폼 '아폴로'(Apollo)를 통해 선정된 기술과 궁합이 맞는 기업을 매칭, 기술이전 및 사업화 성공률을 더 높였다는 점에서 주목을 받는다. 아폴로는 기업들이 필요로 하는 기술이 무엇인지 진성 수요를 파악하고, 선정된 기술에 관심을 가질만한 수요기업을 예측해 알려준다. 또 해당 기술로 개발한 제품·서비스 관련 시장 규모와 경쟁사 분석 정보도 제공한다.

행사장엔 4대 과기원 공동상담부스가 설치돼 핵심기술 8건에 대한 일대일 현장상담이 이뤄질 예정이다. 뿐만 아니라 바이오, 2차전지, 디스플레이 등 국가 12대 전략기술과 탄소 중립 관련 기술에 관심있는 기업들에 대한 R&D 사업 자문도 지원한다.

딥테크 장터 나온 KAIST 기술 분석한 AI "퀀텀점프 기회 보인다" 4대 과학기술원 사업화 유망기술 공동 설명회 '2024 테크마켓' 개최
KAIST 정연식·신병하 교수, 그린수소·태양전지 관련 신기술들 공개
AI·빅데이터 기반 사업화 유망성 탐색 플랫폼 '아폴로'로 분석해보니

인공지능 이미지/자료=게티이미지뱅크

"앞으로 수요기업이 빠른 속도로 늘어날 혁신기술이다. 퀀텀점프 기회가 보인다"

이달 16일 서울 코엑스A홀 컨퍼런스C에선 4대 과학기술원 공동 '2024 테크마켓'이 열린다. 이곳에서 소개될 카이스트(KAIST·한국과학기술원) 대표 기술 2건에 대한 분석을 마친 아폴로가 내린 총평이다.

머니투데이 스타트업 전문 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리'는 이날 행사에서 기술이전 성공률을 높이기 위해 AI(인공지능)·빅데이터 기반 공공 R&D(연구개발)성과 사업화 유망성 탐색 플랫폼 '아폴로'(Apollo)를 통한 사전 분석을 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 의뢰했다.

아폴로는 기술공급자(공공연구기관), 기술수요자(기업), 기술중개기관, 예비창업자 등에 시장 기회와 기술을 접목할 수 있는 다양한 분석 정보를 제공하다.

이번 조사 대상 기술은 카이스트 신소재공학과 정연식 교수, 신병하 교수가 각각 선보일 '3차원 전사 프린팅 기반 그린수소 소재', '이종 접합 구조로 고효율을 달성한 페로브스카이트 태양전지'다.

먼저 정 교수의 기술을 분석한 보고서에 따르면 전 세계 수소생산은 그레이수소(일반 화석연료를 개질해 수소 생산) 비중이 87.5%(2022년 기준)로 압도적으로 높은 상태다. 반면 그린수소(재생에너지 전력으로 생산된 수소)는 0.5% 수준이다. 따라서 해당 기술을 상용화 할 수 있는 국내외 수요기업이 그리 많지는 않은 상태다.

실제로 연관 제품시장을 분석한 결과를 보면 국내 약 34개 기업이 1600억 규모의 시장을 형성하고 있다. 해당 촉매 시장 성장률 전망치는 약 5.03%로 추산됐다. 다만, 아폴로는 그린수소 생산의 중요성이 갈수록 높아지고 있는 추세로 실제 시장은 훨씬 빠른 속도로 성장할 것으로 예상했다.

국내외 시장에서 차지하는 기술적·경제적 가치, 산업 성장잠재력, 고부가가치 제품 개발 연계 측면 등을 종합적으로 고려한 아폴로는 △현재 상용화돼 사용중인 촉매 기술 보다 훨씬 높은 성능 향상 효과 △기술 고도화로 수소생산 비용을 지금보다 더 낮출 수 있는 잠재력 △기후위기 대응을 위한 탄소중립 정책 등에 주목했다.

아풀로는 이런 요인들과 맞물려 그린수소 시장은 앞으로 빠른 성장세를 나타낼 것이며, 해당 기술에 대한 관련 수요기업도 빠른 속도로 증가할 것이란 전망을 내놨다. 수요기업으로는 수전해를 위한 스택(전극과 분리막으로 이뤄진 셀을 적층한 것) 개발에 참여하고 있는 특수목적용 기계 제조업, 토목시설물 건설업에 속한 기업들을 꼽았다.

변정은 아폴로 분석팀장(KISTI 데이터분석본부 선임연구원)은 "7대 미래 산업에 속하는 수소시장에서 특히 그린수소 시장은 아직 미성숙 단계이고 불분명하다"며 "하지만 최근 그린수소 분야 R&D가 많이 진행되는 등 관련 생태계가 만들어지고 있다"고 말했다.

변정은 아폴로 분석팀장(KISTI 데이터분석본부 선임연구원)/사진=김휘선 기자

이와 함께 신 교수의 연구성과 분석도 함께 진행됐다. 페로브스카이트에 기존 실리콘 태양전지나 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄으로 만든 CIGS 태양전지를 결합한 '탠덤(Tandem) 태양전지' 소자 제조 기술이다.

애초 과학기술계에선 태양광 등 신재생에너지 생산 사업을 영위하고 있는 기업이 해당 기술의 수요기업으로 가장 적합할 것으로 판단했지만, 아폴로는 흥미롭게도 '주형·금형 제조업 분야 기업'들을 1순위 기술 수요기업으로 꼽았다. 변 팀장은 "해당 기업들 중 광·전기·화학적 탠덤 소자 혹은 수소 생산 시스템에서 요구되는 '고정밀 가공능력'을 보유한 기업이 기존 제조 역량을 활용해 고부가가치를 창출할 가능성을 고려한 것으로 보인다"고 설명했다.

한편, 해당 아폴로 분석보고서 종합본은 행사 당일 두 교수에게 전달하여 기술 이전·상용화를 위한 후속 R&D의 가이드라인으로 활용토록 할 계획이다.

[머니투데이 스타트업 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리']