수소 생산 기술 개발, 장기적 전략 必

광전기화학적 물 분해를 통한 수소 생산 기술이 Fujishima와 Honda를 통해 고안된 이후 다양한 소재 및 소자를 이용한 인공광합성 수소에너지 생산기술 연구가 국외뿐만 아니라 국내에서도 활발히 진행되고 있다. 하지만 광흡수 소재, 기판 전극 소재, 전해질 소재 등 핵심 소재의 기술적 제약으로 인해, 상용화를 위한 효율 및 안정성 요구 조건을 만족시키지 못하고 있다. 그러나 인공광합성 기술에 대한 가치 및 가능성은 확인이 되어 활발한 연구 개발이 이루어지고 있다.

단결정 포스파이드(single phosphide)는 수소발생을 위한 광전극으로 사용되는 매우 값비싼 소재 중 하나이다. 1976년 A. J. Nozik 는 n-TiO2/p-GaP 헤테로정션(heterojunction) 구조의 소자를 통해 외부 전압 없이 물 분해를 가능하게 하였다.

J. A. Turner 는 p-GaInP2/GaAs를 광전극 소재로 이용한 광전기화학전지를 제작하여 태양광수소전환효율 12.4%라는 높은 효율을 발표하였다.

이 후 2001년, S. Licht에 의해 발표된 RuO2/AlGaAs/Si 구조의 소자는 최대 1.3V의 광전압(photovoltage)와 18.3%라는 가장 높은 태양광수소전환 효율을 기록하였다.

하지만 결정성 포스파이드 기반의 소자는 소재의 값비싼 비용과 안정성이 상용화의 걸림돌로 작용하고 있다.

실리콘은 상용화 측면에서 유망한 소재 중 하나이다. D. G. Nocera가 발표한 비결정성 실리콘기반의 적층형 광전기화학전지는 4.7%의 태양광수소전환효율을 보였으며, R. van der Krol. 그룹은 BiVO4와 실리콘을 이용한 광전기화학전지를 통해 4.9%의 태양광수소전환효율을 발표하였다.

단일 반도체 소재를 이용한 광전기화학전지로서는 J. S. Lee 그룹을 통해 α-Fe2O3를 이용하여 5.3%의 태양광수소전환효율이 발표된 바 있다.

이와 같이 많은 그룹에서 광전기화학전지의 상용화를 위해 10% 이상의 태양광수소전환 효율을 가지는 소자를 구현하기 위해 다양한 노력을 하고 있다. 하지만 여전히 고효율의 광전지화학전지의 소재는 고가의 소재들로 이루어져야 가능한 상황이기 때문에 광전기화학전지의 상용화를 위해서는 값싸고 안정한 신소재의 개발을 기반으로 나노구조화, 다층, 촉매복합, 계면 소재 및 제어를 통한 전하분리 효율향상 등의 연구가 중요한 상황이다.

■ 광전기화학전지를 이용한 수소 에너지 생산 기술 연구동향

1) 국내 연구동향

가. 국내의 광촉매를 이용한 물 분해 연구는 1980년대 말부터 기초연구를 시작하였고 2000년대 초반 수소프론티어사업단을 주축으로 체계적인 연구가 수행되기 시작하였다.

나. 포항공과대학교 이재성 교수 그룹은 물 분해용 p/n 접합 광촉매 소재(CaFe2O4/PbBi2Nb1.9W0.1O9)의 개발로 물 분해 반응에 효율적인 촉매를 제시하였다.

다. KBSI의 이세희 교수 그룹은 다양한 p형 광촉매(NiO, CuO, Co3O4)를 n형 광촉매(BiVO4)에 적용하여 이종접합 광촉매를 이용하여 전자/정공의 이동경로를 규명하고자 하였다.

2) 해외 연구동향

가. 미국

1998년 미국 NREL의 J. A. Turner 그룹은 p-GaInP2/GaAs 를 이용한 다중접합 광전극을 형성하여 광효율 12.4%의 수소를 발생시켰으나, 소재의 안정성 문제로 실용화에 제약이 있다.

나. 일본

2008년 일본 도쿄대학의 K. Domen 그룹은 GaN과 ZnO를 기반으로 하는 광전극을 통해 물을 수소와 산소로 완전히 분해시키는 광촉매를 개발하였다.

다. 유럽

2013년 독일 Helmholtz 연구소의 R. van der Krol 그룹은 BiVO4/Si 탠덤형 구조의 광전기화학전지을 제작하였고, BiVO4 광전극에 텅스텐을 점진적으로 도핑함으로써 밴드 구조 조절을 통해 광효율 4.9%의 광전기화학전지를 소개하였다.

■ 국내 산업 및 시장 동향

1) 시장규모 및 전망

수소는 석유화학산업, 전자, 재료, 반도체 제조공업, 제철 공업 및 우주 항공 산업 등에서 수요가 꾸준히 증가하고 있으며, 특히 차세대 운송 장치인 수소 연료전지 자동차의 운영이 다양하게 실용화 될 경우, 그 잠재 시장 규모는 막대할 것으로 기대된다. 이러한 기대치를 반영하듯이 국내의 경우 대기업을 중심으로 수소에너지 사업화에 관심을 가지는 기업들이 나타나고 있다. 대표적으로 현대자동차, GS칼텍스, SK에너지 등 수송 관련된 회사들이 주를 이루고 있다.

세계 수소시장은 2011년 875억 달러에서 연 평균 6.2% 성장하여 2016년 1,180억 달러로 증가할 것으로 예상되며, 생산된 수소의 대부분은 석유화학제품 및 암모니아 생산에 이용되고 있다.

한편 국내의 수소시장 규모는 산업용만으로도 유통량 기준 200∼400억 원, 총량 기준 6천억 원에 이르며, 국내 45만 톤, 전 세계적으로 4,500만 톤(5천억 m2)이 산업용 등의 목적으로 사용되고 있는 것으로 추산된다. 그러나 이상의 수소 생산·이용은 재래식 기술을 이용한 생산 방식이며, 인공광합성 기술을 이용하여 생산·이용될 수 있는 수소 생산량과 방식은 아직까지 상업적 가치 판단을 확보하기에는 기술적인 성장이 더 필요한 시점이다. 다행인 것은 미래의 수소 생산·이용 방식은 독립형, 이동형이 주가 되어 주로 수송부문 및 상업, 주거부문에서 사용 되어질 것으로 예상되며, 2030년에 약 3,000억 달러 규모에 이를 것으로 전망된다. 최종에너지 대비 수소사용량 비중이 2040년 15%까지 확대되고, 내수시장 규모는 약 10조에 이를 것으로 전망되고 있다.

저비용 탄소계·금속산화물계 촉매 요구
신재생에너지 융합 기술 개발 이뤄져야

2) 기업 현황

국내의 인공광합성 수소 생산 기술은 아직 대학의 기술 개발 수준에 머물러 있으며, 기업체들의 전폭적인 관심을 받지 못하고 있는 실정이다. 국내 업체들의 경우 수소 생산 보다는 저장 기술 및 응용 기술에 더 많은 관심을 가지고 있다. 그러나 최근에 미국 인공광합성공동연구센터(JCAP)를 모델로 국내에서도 서강대를 중심으로 한국인공광합성연구센터(KCAP)가 정부 지원 자금을 수주하여 연구 개발을 시작하였는데, 기업으로는 포스코가 그 가치를 인정, 전용 연구동을 2013년에 준공하여 연구 개발에 참여를 하고 있다. 국내 기업들의 활발한 연구 개발이 필요한 시점임에는 분명하나, 인공 광합성 수소 생산 기술은 단기 수익 창출을 기대하기 어려운 분야이기 때문에 기업의 참여가 부진한 것은 당연한 결과일 것이다. 그러나 국외의 경우 정부 지원 하에 기업의 참여가 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 국내 기업의 활성화를 위해서는 해외 사례를 벤치마킹할 필요가 있는 것으로 판단된다.

■ 해외 산업 및 시장 동향

1) 시장규모 및 전망

현재의 수소시장 규모는 산업용 유통량만으로도 세계시장 $208억(자체소비량 230억 포함 총 $438억), 산업용으로의 수소는 석유화학산업, 전자, 재료, 반도체 제조공업, 제철공업 및 우주항공 산업 등에서 꾸준한 수요증가를 보이고 있다. 선진국들의 온실가스 감축의무이행에 따른 수소 연료전지 자동차 및 연료전지의 보급 등이 이루어진다면, 이에 따른 에너지용도로서의 수소 사용량이 급증할 것으로 전망된다.

미국, 일본, 독일 등 선진국들은 수소 경제 시장 선점을 위해 관련 기술 개발 연구 분야에 거액의 투자를 하고 있다. US DOE(Department of Energy)의 수소기술 로드맵에서는 2020년 이후 태양광+열 융합기술(Solar thermochemical) 기반의 청정수소 보급 계획이 2012년에 발표된 바 있다.

2) 기업 현황

국외의 경우 신재생에너지를 연계한 수소 생산 기술 및 수소 저장 기술에 대한 가치를 인정하여, 정부뿐만 아니라 기업체 위주의 활발한 기술 개발 투자가 이루어지고 있다. 특히 해양수, 폐수 정화·분해를 통한 수소 생산 기술에 높은 관심을 가지고 있다. 최근 미국의 하이퍼솔라의 경우 가장 진화한 신재생에너지 융합형 수소 생산 시스템을 선보이며 인공광합성 수소 생산 분야의 리딩 그룹으로 자리를 잡고 있다. 전해질을 필요로 하지 않는 새로운 기술 개발을 선보이고 있다. Sun catalytics는 하버드대 노세라 교수팀이 설립한 미국 내 대표적인 인공광합성을 통한 수소 에너지 생산 기업으로 원천 기술 확보를 위한 노력을 기울이고 있다. 이밖에 미국 내 정부 출연 연구기관 및 National Renewable Energy Laboratory's(NREL) 주도로 Xcel Energy, Texaco Energy Systems and Chevron Technology, Solar Hydrogen Energy Co. 등의 회사들과 함께 상용화 가능한 원천 소재 및 시스템 기술을 개발 중인 것으로 나타났다. 특히 태양광뿐만 아니라 풍력과 같은 다양한 신재생에너지를 연계한 수소 생산 기술에 주목 하고 있다.

반면 독일과 일본의 경우 기업체 보다는 정부 주도의 개발이 주로 이루어지고 있다. 일본은 2015년을 수소 시대의 첫해로 선포하고 ‘Hydrogen-based society’실현을 위한 장기 로드맵(Strategic Road Map for Hydrogen and Fuel Cells)을 구축, 실현에 나서고 있다. 미쓰이 화학의 경우 태양광 및 이산화탄소, 물을 이용한 수소 생산 기술을 목표로 연구 개발을 시작, 현재는 수소 응용 생성물인 메탄올을 톤 단위로 생산하기 위한 연구를 진행 중이다.

한편 2020 Tokyo 올림픽을 수소 경제 성과전시회로 만들기 위해서 연구 개발뿐만 아니라 공공 수소 스테이션과 같은 수소 공급 인프라 확충을 위해 다수의 기업체들과 집중적인 투자를 계획하고 있다.

■ 미래의 연구방향

1) 상용화를 위한 인공광합성 수소 생산 기술 개발 방향

광전기화학적 물 분해는 태양광에너지를 수소에너지로 전환하는 친환경적이고 지속가능한 신재생에너지 기술 중 하나이다. 하지만 현재 광전기화학전지를 구동하기 위해서 외부로부터 추가적인 전압이 공급되어야 하는 상황이므로 진정한 의미의 친환경발전 수소생산법이라고 하기는 어렵다. 또한 태양전지와 수전해를 결합한 시스템에서는 상용화 진입 효율 10% 이상의 수소생산의 효율을 보이고 있지만 값비싼 소재 비용이 실용화의 제약요인이다. 따라서 향후 친환경적이면서 동시에 경제성을 만족할 수 있는 지속 가능한 인공광합성 수소 생산 기술을 완성하기 위해서는 고성능, 저비용의 탄소계 또는 금속산화물계 촉매 전극의 개발과 함께 기개발된 신재생에너지 기술(태양전지, 풍력, 열전 등)과의 융합화 기술 개발이 이루어져야 한다.

■ 정책 제언

1) 정부의 적극적 지원

연료전지, 수소 자동차 등과 같이 수소를 이용한 에너지 공급 및 이용에 관한 당위성은 이미 인정되었으며, 각국의 미래 먹거리로 치열한 기술 개발 경쟁이 이루어지고 있는 분야이다. 앞서 기술한 바와 같이 인공광합성 수소 생산 기술은 소재 중심 기술임에도 불구하고 아직까지 상용화 요구 조건을 만족할 수 있는 소재 개발이 이루어지지 않고 있다. 현 소재의 기술적인 부분을 보완하기 위해서 태양전지 융합 등 다양한 융합 기술이 제안되고 있으나 근본적인 해결책은 될 수 없다. 소재 기술 개발은 상용화까지 짧게는 5년, 길게는 20년이 넘게 걸리는 분야임에도 불구하고 현재 정부지원 연구는 대부분 3년에서 평균 5년을 넘지 못하고 있다. 인공광합성 수소 생산 기술이 원천 소재 기술을 기본으로 하는 만큼 단기성과가 아닌 장기적인 개발 전략이 필요하다.

예를 들어, 단일 지원이 아닌 중복 분산 지원을 통한 경쟁 개발 유도를 통해 신소재에 대한 포트폴리오를 구축하고, 학계 및 산업계의 자문을 통한 단계 전 개발 방향 구축, 집중 개발화 전략이 필요하다. 또한, 시장 활성화를 통한 연구 개발 촉진을 위하여 새로운 수소 경제 모델을 동시에 제시할 필요가 있다. 현재 국내의 에너지 발전·공급·소비 시스템은 중앙 집중형 모델이다. 한편 수소 에너지는 독립형·이동형 에너지 발전·공급이 가능한 에너지원으로, 마을 단위 또는 가정 단위에서 이용이 가능할 수 있는 모델 개발 및 안전 기준 법제화가 필요하다. 특히, 신재생에너지를 이용한 수소 생산 모델의 경우 현재의 신재생에너지 공급 정책의 확장 모델로 정부 보조금 지원 등 다양한 지원 정책 개발로 산업계의 개발 의지를 유도해야 한다.

인공광합성을 이용한 수소 생산 기술이 처음 제시되었을 당시, 경제적인 논리에 의해 그 가치가 희석되는 우를 범하였으며, 그 결과 현재 개발 소재들은 대부분 해외에서 이미 개발되었거나 원천 특허를 확보한 상태이다. 국내의 에너지 보급을 넘어 해외 시장에서의 가능성 인정, 신(新)기후변화협약(COP21)에 의한 의무화 등 기술 개발에 대한 시급성을 요하는 당위성이 존재하는 만큼 정부 주도의 새로운 지원 모델이 적극 제시되어야 할 시점이다.

▲ <그림 3-5-1-9>대표적인 광전기화학전지의 태양광수소전환효율

▲ <표 3-5-1-3>광전기화학적 수소생산 기술 - 국내 선도연구기관

▲ <표 3-5-1-4>광전기화학적 수소생산 기술 - 해외 선도연구기관

▲ <표 3-5-1-5>수소에너지 생산 및 활용 기술 - 국내 선도기업

▲ <표 3-5-1-6>신재생에너지를 이용한 수소 생산 기술 - 해외 선도기업