[시평] 태양빛으로 수소만들기

태양에너지를 전기에너지로 바꾸는 태양전지기술은 상용화돼 저가화 및 효율개선 노력으로 시장점유율을 늘리기 위한 경쟁이 치열한 상황이다.  

물(hydro)에서 만들어(gen)졌다는 어원에서 보듯이 수소(hydro+gen)는 물로부터 만들어지고 다시 물로 돌아가는 에너지매체가 될 수 있다.

상용화돼 잘 알고 있는 두 기술 즉 태양전지기술과 물 전기분해기술을 결합한다면 태양에너지를 전기로, 전기를 수소로 바꾸는 과정을 거치면 수소의 전환효율은 태양에너지의 7~10%에 이르며 최적화한다면 12%대의 효율도 가능한 것으로 예측하고 있다. 

우리의 관심사는 이러한 단계를 거치지 않고 반도체(광촉매)가 빛을 흡수해 전자와 정공을 만들면 이를 이용해 직접 물을 분해하고 수소를 만드는 기술이다.

이러한 고효율의 광전기 화학적 수소 생산기술 개발은 경제적으로 수소를 대량 생산할 수 있는 기반이 될 것이며 광감응제 이용 광촉매 기술은 기존의 고가인 실리콘 단결정 태양전지를 대체함으로써 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

그동안 수소에너지사업단에서는 실용적인 광전기화학시스템을 만들기 위해 제일원리 전자구조 계산방법 등 이론적 전산모사로 광촉매재료를 탐색 및 설계하고 다양한 촉매 물질과 시스템을 도입해 효율향상에 주력해 왔다.

분자수준의 광촉매 설계를 통한 P형 반도체(정공에 의해 전기전도를 하는 불순물 반도체) 혹은 N형 반도체(과잉전자에 의해 전기전도를 하는 불순물 반도체)의 소재 개발은 기존의 과학기술로는 해결하지 못한 태양광을 직접 이용할 수 있는 소재를 개발하는 것으로서 광촉매 재료의 물리화학적인 변형을 통해 광촉매 재료와 빛의 상관관계를 근본적으로 이해하는데 기여할 것이다. 습식 태양전지의 경우 그 재료에 제한이 있어 새로운 가시광 감응 소재의 개발로 연구의 다양성도 도모할 수 있을 것으로 기대된다. 

한국에너지기술연구원의 주현규 박사팀은 일체화된 광감응 소재와 바이오촉매(엔자임) 고정화기술을 융합하는 시도를 하고 있다.

기존 광촉매의 단점인 불안정성과 효율 감소 요인을 보완하기 위해 양극산화로 광촉매물질 전극을 제조하고 귀금속 물질을 대체할 엔자임을 융합해 물로부터 수소를 제조하는 이러한 노력으로 적어도 5% 이상의 태양광-수소제조효율을 기대할 수 있을 것으로 보고하고 있다.

또한 포항공대의 이재성 교수팀은 층상물질인 비스무스산화물에 특별한 구조를 갖는 페롭스카이트형 물질을 도입함으로서 단일상의 신물질인 납-비스무스-니오비움 화합물을 개발하고 전자가 많은 반도체 물질(N형)과 정공이 많은 물질(P형)을 접합한 P-N접합체(CaFe2O4/ PbBi2 Nb1.9W0.1O9) 합성에 성공했다.

이미 우리나라 연구팀들도 광전기화학용 전극물질인 산화철(III) 혹은 삼산화텅스텐의 독자적인 합성기술을 개발하고 있다. 이러한 광촉매기술은 태양광과 해수를 이용한 대규모 수소제조공정뿐만 아니라 부가적인 효과로 대기 및 수질정화분야에도 광범위하게 이용될 수 있을 것이다.

앞으로도 이러한 광촉매소재를 이용한 대규모 연료전지 설비 및 메탄올 등의 합성에 대한 응용 공정들이 더욱 활발히 개발될 것이며 광촉매 재료가 가진 미생물의 생장을 억제하는 특성을 이용한 건축 내외장재, 섬유, 의류, 의료기기 등의 분야에 광범위하게 적용될 수 있을 것이다.

광전기화학 촉매와 같은 수소에너지 사회를 위한 미래 기술개발 노력이 타 기술과 융합해 얼마든지 활용 가능한 것이다.