[인더스트리뉴스 최용구 기자] 태양광수소 생산의 상업화 가능성에 불을 지피는 연구결과가 제시됐다. 

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 이재성, 장지욱 공동 연구팀은 아일랜드 틴달 국립연구소와 협력해 ‘전자동 잉크젯 프린팅 기술을 활용한 대형 광전극 제조 기술’을 개발했다고 12일 밝혔다.

잉크젯 프린팅 기술은 인쇄뿐 아니라 소재 개발 쪽에도 활용되고 있다. 고속·대량 스크리닝 및 대규모 박막태양전지 제조 등에 널리 쓰인다.

태양광 수소 기술은 청정 그린수소 생산의 이상적 대안으로 여겨진다. 지구상 가장 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용해 물을 분해시켜 수소를 만드는 기술이다.

다만 낮은 효율로 인해 기존 화석연료 개질로 생산되는 수소보다 가격경쟁력이 떨어진다.  

태양광 수소 기술의 핵심은 광전극이다. 광전극을 통한 전기화학적 반응은 전체 수소생산 시스템의 효율과 경제성을 결정한다.

관건은 스케일업이다. 일반적인 연구개발용 광전극은 1cm² 미만이기 때문에 실용화 규모엔 크게 못 미친다. UNIST에 따르면 실용화를 위해선 1만 배 정도의 스케일업이 필요하다.    

하지만 스케일업 과정에서 수소생산 효율은 급격히 떨어진다. 아울러 실험실 규모에서 쓰는 수동식 제조법으론 대량 제조가 어렵다.

상업화까지 가려면 대형 광전극을 높은 효율을 유지하면서 대량 제조할 수 있는 ‘자동화 스케일업’ 기술이 절대적으로 필요하다. 

공동연구팀은 잉크젯 프린팅 기술을 활용해 광전극을 스케일업했다. ‘산화철 광촉매 전극’을 대규모 모듈형태로 제조하는 데 성공했다. 

잉크젯 프린팅 기술은 앞서 소재개발을 위한 고속대량스크리닝, 대규모 박막태양전지 제조 등에 활용된 바 있다. 다만 대형 광전극 제조를 위한 스케일업에 적용한 것은 본 연구팀이 최초다.

연구팀에 따르면 해당 기술을 적용한 결과 복합 다중막 형태의 광전극이 정교하고 일관성있게 프린팅됐다. 진공 상태를 요구하는 타 기술 대비 경제적 효과도 확인됐다. 

이재성 교수는 “지금까지는 실험실에서 태양광수소 전환효율의 상승에 연구개발의 초점이 맞추어져 있었다면, 앞으로는 조속한 실용화를 위한 스케일업 기술개발과 현장실증에 역량을 집중해야 한다”라며, “2030년 이전에 태양광을 이용한 그린수소 기술이 상용화 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

햇빛과 물로부터 수소를 만드는 기술이 상용화할 경우 경제성, 환경성을 갖춘 '꿈의 기술'을 확보하게 된다. 청정수소는 수소생태계에서 절대적인 상징성을 지닌다. 기존 정유화학 공정에서 생성되는 부생수소나 추출수소는 온실가스를 동반한 ‘그레이(Gray) 수소’로 환경문제를 야기한다.

이번 연구결과는 미국 Cell Press에서 발행하는 에너지 분야 학술지 ‘Joule’의 표지논문(2023년 5월호)으로 선정됐다. 

이재성 교수 연구팀은 연료전지차에 수소를 공급하기 위한 ‘태양광 수소충전소’ 관련 연구를 진행 중이다. 전자동 잉크젯 프린팅 기술을 활용한 대형 광전극 제조 기술의 실제 적용성을 검토한다.  

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