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서울 신림동 서울대 공대 공학관에서 조금만 내려오면 313동 정밀기계설계공동연구소가 있다. 1층에 들어서니 정면으로 화학 실험 장비가 가득한 실험실이 나온다. 누구도 성공하지 못한 원천기술 연구를 위한 ‘글로벌프론티어’ 사업 중 ‘멀티스케일 에너지시스템 연구단’이 있는 곳이다.
“이곳 실험실은 차세대 태양전지로 불리는 페로브스카이트 태양전지에 사용될 페로브스카이트 물질을 합성하거나 제조하는 곳입니다. 산소나 수분이 거의 없는 ‘글로브 박스’에서 페로브스카이트 물질이 용액으로 섞이면 태양전지 박막을 형성하기 위해 코팅을 한 뒤 유리 또는 플렉서블 기판 위에 400~500나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1미터) 두께의 박막을 만듭니다.” 멀티스케일 에너지시스템 연구단 소속 장지훈 연구원의 설명이다.
다가오는 미래 화석연료 대체가 가능한 고효율 차세대 태양전지 및 연료전지를 만들기 위해 2011년 출범한 연구단은 세계적인 주목을 받고 있다. 노벨상 시즌이면 어김없이 유력 수상자 후보로 거론되는 박남규 성균관대 교수와 석상일 울산과학기술원(UNIST) 교수, 서장원 한국화학연구원 책임연구원 등 페로브스카이트 태양전지 기술을 확립하고 세계 최고 효율 기록 경신을 이어가는 연구자들이 멀티스케일 에너지시스템 연구단에 속해있다. 연구단은 2020년 8월 글로벌프론티어 사업이 종료되는 순간까지 세계 최고의 페로브스카이트 태양전지와 연료전지 원천기술을 상용화하고 세계 시장을 주도하겠다는 비전을 제시했다.
세계 최고 페로브스카이트 태양전지 원천기술 확보
차세대 태양전지로 불리는 페로브스카이트 소재는 2009년 일본 연구진이 액체 형태로 태양전지의 가능성을 찾아냈다. 하지만 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 광전효율이 3%에 불과해 외면받았다. 박남규 성균관대 교수가 2012년 고체 페로브스카이트를 이용해 약 10%의 광전효율을 달성하며 차세대 태양전지로서 가능성을 제시했다.
연구단은 페로브스카이트 태양전지가 상용화할 수 있는 기반을 닦고 있다. 기존 실리콘 태양전지의 최대 광전효율인 약 26.6%에 근접한 광전효율 기록을 내고 있다. 서장원 한국화학연구원 책임연구원 연구팀은 몬지 바웬디 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 24.23%의 페로브스카이트 광전효율을 달성했다.
기존 기록인 중국과학원의 23.7%를 0.53%P 뛰어넘은 기록이다. 이 기록은 분기별 태양전지 최고 효율을 조사·발표하는 연구기관인 미국재생에너지연구소(NREL)의 2019년 2분기 태양전지 최고효율 차트에 지난 4월 공식 등재됐다. 서장원 연구원 연구팀은 2017년 10월까지 세계 최고 효율 22.7%를 기록했지만 중국과학원 연구진에 최고 자리를 잠시 내줬다가 다시 최고 기록을 달성한 것이다.
잘 알려지지 않았지만 연료전지 분야에서도 연구단은 세계 최고 수준의 원천기술을 확보했다. 수소자동차 등에 활용되는 연료전지는 보통 수소를 연료로 사용한다. 700도 이상의 고온에서 반응성이 좋기 때문에 고온에 내성이 있는 소재를 사용해야 한다는 점에서 제조 비용이 비싸다. 수소자동차 가격이 비싼 이유다. 연구단은 저온에서도 수소나 에탄올 등 다양한 연료를 사용해 효율을 끌어올릴 수 있는 저온작동 고체산화물 연료전지 기술을 확보했다. 이른바 멀티스케일 저온작동 고체산화물 연료전지(SOFC) 기술이다. 드론이나 연료전지 자동차 가격을 낮추고 상용화할 수 있는 기틀을 닦았다는 평가를 받는다.
멀티스케일 에너지시스템 연구단장을 맡아 연구단을 이끌고 있는 최만수 서울대 기계항공공학부 교수는 “대학별 교수와 책임연구원급 40~50명을 포함해 약 370여명의 연구원들이 선의의 경쟁을 통해 연구결과를 오픈하고 자극을 주고받으며 성과를 내는 집단연구의 장점을 극대화한 결과”라며 “글로벌프론티어 사업의 목적 자체가 누구도 하지 못했던 원천기술을 개발하는 것인 만큼 개인의 창의성을 극대화하는 동시에 집단연구의 장점을 접목한 것”이라고 설명했다.
연구단의 목표는 나노·마이크로·매크로를 통합하는 멀티스케일 접근방식을 신재생에너지 시스템에 적용해 궁극적으로 화석연료 에너지시스템과 경쟁할 수 있는 미래 에너지 시스템 원천기술을 개발하는 것이다. 연구단이 출범할 때부터 태양전지와 연료전지를 동시에 연구하는 방향을 컨셉트로 설정했다. 이유는 간단했다. 광에너지 시스템의 태양전지와 분자에너지 시스템의 연료전지가 각각 재료는 다르지만 근본적인 메커니즘이 동일하기 때문이다.
수소분자를 이용하는 연료전지나 광자를 이용하는 태양전지가 전기를 발생시키려면 전하가 생성되고 분리돼야 한다. 분리된 전하가 이동해야 하고 한쪽으로 모여야 전기에너지 생성이 가능하다. 이같은 일련의 프로세스는 나노미터나 마이크로미터 단위 수준에 이뤄진다. 태양전지 셀이나 연료전지 모듈은 마이크로미터 크기보다 큰 개념이다. 이 모든 과정을 통합 설계하는 멀티스케일 연구를 통해 각 과정에서 발생하는 손실을 최소화하며 최적화하는 연구가 통한 것이다.
최만수 단장은 “실제로 페로브스카이트 태양전지나 연료전지에서도 나노스케일, 마이크로 스케일, 매크로 스케일이 통합 적용되고 있다”며 “기본적으로 누구도 성공하지 못했던 원천기술을 확보하고자 하는 접근전략이 어느 정도 통한 셈”이라고 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지의 경우 영국의 옥스퍼드PV, 미국인 아이리스PV, 독일의 프라운호퍼 ISE 등 많은 기업들이 창업해 세계 시장 선점을 노리고 있다. 세계 최고의 원천기술을 확보한 만큼 이들 기업들과 경쟁하기 위한 투자와 지원이 필요한 시점이다.
최만수 단장은 “기초연구는 탐구의 영역이지만 원천기술 연구는 사업화를 전제로 해야 한다”며 “신재생에너지시스템 분야는 전세계적으로 투자가 활발하게 이뤄지고 있기 때문에 국내에서도 투자가 활성화해야 한다고 보고 있다”고 말했다. 다만 완성된 기술이 상용화 가능하다는 확신이 있을 때만 투자가 이뤄지는 보수적인 국내 환경에서 상용화 과정의 위험요인(리스크)를 연구자와 기업체가 함께 분담하는 발상의 전환이 필요하다는 입장이다.
최만수 단장은 “글로벌프론티어 사업이 종료되는 2020년 8월까지 세계시장을 주도할 수 있는 경쟁력을 확보할 것”이라며 “연구단의 성과를 ‘이어달리기’할 수 있는 정부나 기업의 적극적인 관심이 필요한 시점”이라고 강조했다.
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작성자 IP : 147.46.147.76
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