차세대 태양전지  개발을 위한 세라믹스 역할
김태환 한국에너지기술연구원 신공정연구센터 책임연구원
정헌도 한국에너지기술연구원 신공정연구센터 선임연구원

1. 개요
세라믹스는 과학기술의 발달로 인해 전통 세라믹스에서 고기능성을 가진 파인 세라믹스로 폭넓게 산업에 응용되고 있다. 세라믹스는 고절연성, 고강도 그리고 내산성, 내화성, 내마모성 및 자성, 유전성, 그리고 압전성 등 다양한 특성을 가지고 있는 기능성 재료이다. 표 1에서는 분야별 사용되는 세라믹스 중에서 대표적인 재질을 백분율로 나타내었다.
최근에는 고유가 시대에서 세라믹스의 역할이 더 한층 중요성을 가지게 되었다. 지난 수십 년 동안 경제성 등의 이유로 인하여 석탄이나 천연가스로부터 액체연료 생산 기술이 등한시 되어 왔으나, 최근에 유가의 급등으로 인한 에너지 문제가 심각하게 대두 됨에 따라 세삼 부각되고 있으며 또한 수소에너지 역시 차세대 에너지원으로 개발되어야 한다는 당위성이 날로 증가하고 있는 현실에서 세라믹스의 고유 특성을 이용한 신기술 개발에 많은 연구가 추진되고 있다.
표 1에서와 같이 세라믹스는 이미 각 분야에 다양하게 이용되고 있으나, 고유가 대비 신에너지 기술 분야와 지구 온난화 대비 기술 분야 중에서 중, 고온 영역의 반응 및 분리공정에 세라믹스가 가지는 장점을 접목시킬 경우 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.
그림 1은 미국에서 수소에너지 이용을 위한 분야별 연구비 투입현황을 나타내었다. 수소제조 및 이송에 27%, 수소저장에 12% 그리고 연료전지 등에 20%로 총 연구개발비는 2.89억 달러(한화 약 2890억 원)를 투입할 계획이다. 이와 같이 수소에너지 개발에 필요한 세라믹스 이용기술은 크게 성장할 것으로 예상된다.

2. 수소에너지 이용기술 분야
가. 수소 생산기술
수소를 제조하고 이를 분리, 정제시킨 후 저장하여 우리가 필요로 하는 에너지로 이용하기 위해서는 경제성을 고려한 많은 기술적 방법이 동원되어야 한다. 이때 활용되는 세라믹스의 역할은 매우 크다.
먼저, 수소는 화석연료가 고갈되고 새로운 에너지원을 찾아야 하는 고유가 시대에 대안이 될 수 있는 차세대 청정 에너지원으로 수소 에너지의 개발 및 적용은 필수적으로 연구개발을 통해 확보해야할 중요한 신 동력이다. 그러나 지구환경을 손상시키지 않는 범위에서 수소에너지를 얻기 위해서는 지구상의 2/3를 차지하는 물(H2O)로부터 수소를 제조하는 것이 가장 바람직한 방법이다.
선사시대에서는 모든 게 자급자족으로 인류생활을 영위해 왔으나, 글로벌 시대인 현재와 미래에서는 과학기술 등 전 분야에서 경제성을 배제시키고는 추진할 수가 없다. 바꾸어 말하면 우리주변에서 가장 흔한 물(H2O)을 통해 수소(H2)와 산소(O2)를 쉽고, 값싸게 얻을 수 있다면 가장 이상적인 방법으로 미래 에너지 수요를 감당할 수 있을 것이다.
그러나 열분해 방법을 통해 물(H2O)로부터 100% 수소를 얻기 위해서는 태양의 표면 온도와 비슷한 4000℃이상의 초고온 열을 가해야만 물을 수소와 산소로 분해시킬 수 있다. 따라서 많은 연구자들이 ‘어떻게 하면 낮은 온도에서 물을 분해시킬 수 있을까’ 하는 문제를 해결하기 위하여 열화학 사이클 공정을 통하여 태양열, 원자력 및 전기 에너지를 이용하여 물을 분해시키는 연구를 국내외적으로 추진하고 있는 것이다. 이와 같은 공정들은 모두 고온, 고압 등 극한조건에서 추진되므로 여기에 세라믹스 재질의 필요성이 대두되고 있다. 표 2에 각 공정별로 미국에너지부(DOE)에서 목표로 설정한 수소생산단가를 나타내었다.
예로써, 그림 2는 원자력으로부터 950℃ 정도의 열을 발생시켜 이 열원을 이용하여 수소를 생산하기 위한 열화학공정의 일부분인 황산 분해공정에 사용되는 고온 반응기의 개략도이며, 여기에서 취급되는 화학물질에 견딜 수 있는 재질로서 내산성, 내열성 및 내마모성 등의 세라믹스가 가지는 우수한 특성이 절대적으로 필요한 것이다. 

그림 3에서는 2050년경 유럽에서 다양한 에너지를 이용하여 수소를 생산하는 양이 60MTOE(1TOE : 원유 1톤(7.41배럴)의 발열량 1000만kcal에 해당)에 이를 것으로 예상하고 있으며 이는 수소경제사회 구현을 2050년경으로 유추하고 있다. 이와 같은 양의 수소를 제조하기 위한 공정 플렌트에 세라믹스가 차지하는 비율 또한 증가할 것이다.

나. 수소 분리, 정제기술
연일 상승곡선을 그리는 고유가 시대에 예전에는 경제성 때문에 추진할 수 없었던 석탄, 천연가스 및 바이오 물질로부터 화학반응을 통해  가솔린, 메탄올, 에탄올 등과 같은 액체연료를 생산하는 CTL(Coal to Liquid), GTL(Gas to Liquid) 및 BTL(Biomass to Liquid) 기술개발이 현재 활발히 전개되고 있다. 이때 생성된 반응가스인 수소, 일산화탄소, 황화수소, 이산화탄소 등으로 부터 활용 가능한 가스를 선택적으로 분리, 정제시키는데 세라믹스 분리 막을 사용하거나, 반응물질이 강산일 경우 내산성 세라믹스 반응기를 활용하는 추세이다. 그림 4a에서는 일본 NGK사의 세라믹스 분리 막 모듈을 나타낸 것이며, 그림 4b는 튜브 형  알루미나 지지체를 나타내었는데 이를 통해 수처리용 또는 가스분리용 세라믹 막으로 활용할 수 있다. 그림 4c의 실리콘카바이드(SiC) 지지체는 자체 강도 및 내산에 강한 특성으로 극한조건의 화학공정 플렌트에 많은 수요가 예상된다.

그림 5는 세라믹 분리 막을 제조하는데 있어 지지체위에 다른 물질을 통해 다층 코팅한 구조를 나타내었다. 물론 투과되는 가스의 특성을 고려하여 코팅물질을 선택해야 하며, 건조 및 소성과정에서 표면결함이 없어야 하므로 각 물질간의 열팽창 계수를 고려하여 제조되어야 할 것이다.
이와 같은 분리 막을 통해 수소, 질소, 산소, 탄화수소 등의 산업가스를 반응과 동시에 분리, 정제함으로써 기존의 반응 및 분리장치보다 더 공정 효율성을 높일 수 있다.

다. 수소저장기술
수소를 에너지로 이용하기 위해서는 수소를 저장할 수 있는 저장용기 또는 저장 소재가 필요하다.
미국 에너지부(Department of Energy : DOE)에서는 2015년까지 수송용 자동차에 탑재할 수소저장용기 또는 저장소재가 갖추어야할 목표치를 설정하였는데 이 자료에 의하면 중량대비 9%까지 저장할 용기가 필요하며, 이는 수소를 1회 충전하여 자동차가 450km까지 주행하는 용량이다. 수소를 가스로 저장할 시 700기압까지 견디는 용기가 필요하며, 액체수소로 저장할 시 -240℃(33K) 이하로 용기를 단열 유지시켜야 하는 어려움이 있으며, 또한 충격 시 폭발의 위험성이 상존하므로 안전성 유지가 관건이다.
그러나 세라믹스 소재를 이용하여 수소를 저장시킬 경우 앞서 언급한 수소 저장의 안정성 문제는 가스저장이나 액체저장에 비하여 크게 개선이 가능하다, 하지만 미국 DOE가 목표로 한 중량대비 9%의 수소 저장 용량에는 미치지 못하기 때문에 수소 저장 용량이 큰 신물질 개발에 전 세계에서 많은 연구가 진행 중에 있다. 물론 수소 저장 조건이 극저온이나, 초고온, 초고압 등과 같은 극한조건에서는 저장 용량이 DOE의 목표치에 근접할 수 있으나, 취급이 용이한 상온(25℃) 또는 상압(1기압)에서의 수소저장은 그림 5에서와 같이 너무도 어려운 일이라 할 것이다.
실례로 그림 6a에서는 금속유기구조체(Metal Organic Framework : MOF)에서 압력에 따른 저장된 수소량을 온도별로 나타낸 것이며, 대략 저장압력이 80기압일 경우 상온(298K)에서는 0.5% 그리고 극저온(77K)에서는 3%의 수소저장량을 갖고 있음을 알 수 있다. 그림 6b의 탄소에서는 저장압력이 300psi(20bar)정도에서 5.5% 수소저장량을 나타내며, 그림 6c의 NaX형 제올라이트 경우 대략 2%정도의 수소저장량을 나타내는 것으로 알려져 있다. 
아직까지는 나노구조체에서의 수소저장량이 미미하나, 물질 자체가 가지는 낮은 중량과 폭발시 안정성 등의 이유로 꾸준히 연구되고 있는 분야이다.
이와 같이 수소저장을 위해 연구되고 있는 대표적 소재들은 그림 7에서와 같이 금속유기구조체(MOF), 탄소나노튜브(CNT), 복합금속(Pd-Ni-V-Mg-Al 등) 또는 나노기공체(제올라이트, 탄소 등)를 언급할 수 있으나 자체 구조로는 높은 수소저장량을 얻을 수는 어려우며, 세라믹스를 이용한 수소 저장재는 다공성실리카, 알루미노실리케이트 또는 여러 금속산화물을 조합하고 첨가시켜 구조변형을 통한 연구를 수행하고 있다. 미국 DOE에서는 수송용 수소저장기술에 대한 목표를 2015년까지 설정한 결과를 표 3에 나타내었다.

라. 수소연료전지 응용기술
전 세계적으로 중요성이 인정되어 필연적으로 개발하고자 하는 ‘수소연료전지’는 익히 아는 상식에서 수소(H2)와 산소(O2)의 결합을 통해 전기에너지를 생산하는 것이다. 아래
그림 8의 연료전지 모듈에서 양극(+)과 음극(-) 물질 뿐만 아니라, 고체전해질 및 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)와 같은 고온영역에서 작동되는 연료전지에서도 세라믹스를 사용하고 있으며, 고분자막을 제외한 중, 고온 영역의 이온전도성막(Ion Transport Membrane : ITM)에서도 수소이온 또는 산소이온을 투과시키는 세라믹스치밀막을 사용할 수 있다.

3. 결론 및 향후 전망
수소에너지 활용은 아직도 먼 후일처럼 느껴질 수는 있으나, 당면한 현실에서 고유가 행진이 지속된다면 석유에 전량 의존하는 우리의 입장으로서는 신에너지원인 수소에너지 개발을 등한시 할 수 없는 처지이다. 그러나 경제성을 고려치 않는 기술개발 또한 바람직하지 않으므로, 수소제조, 분리 및 저장을 통한 수소에너지 이용기술에서는 최대한 에너지 효율을 점검해야 할 것이다.
세라믹스를 수소에너지 이용기술에 접목시키려는 목적은 근본적으로 세라믹스가 가지는 장점을 활용하여 공정효율을 극대화하는데 있다. 이는 본문에서 언급한 것같이 수소제조를 위한 반응이 고온영역에서 이루어질 경우 이때 생성된 수소를 세라믹스 막을 통해 분리시킴으로 공정효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 고순도로 수소를 정제시킬 수 있으며 극한 반응조건에서도 취급이 가능하므로 원자력수소 사업 또는 액체연료사업 등과 수소연료전지 그리고 수소저장을 위한 세라믹스 나노 구조체에도 폭넓게 이용될 수 있다.
  향후 기술개발의 다양성으로 인해 기능성 세라믹스가 가지는 가공성 및 취성 등의 약점을 보다 향상시킬 경우, 다가오는 수소경제사회에서 세라믹스의 역할이 더 한층 증대될 것으로 예측된다.

약어 해설
KISTI : Korea Institute of Science & Technology Information
DOE : Department of Energy, USA
ORNL : Oak Ridge National Laboratory, USA
CIT  : California Institute of Technology, USA

표 1. 대표적인 세라믹스 재질(근거 : KISTI자료)
그림 1. 수소에너지 분야별 연구비 현황(근거 : DOE)

표 2. 2025년까지 수소생산 단가 목표(US$/Kg)
 그림 2. 황산 분해 반응기(근거:Mitsubishi Heavy Industries, Ltd )

그림 3. 유럽의 다양한 에너지원에서 수소생산
(근거 : World Energy Technology Outlook-WETO H2)

        a)분리막 모듈         b)알루미나 지지체           c)SiC지지체
그림 4. 세라믹 분리막 모듈 및 지지체(근거 : 일본 NGK, 미국ORNL)

그림 5. 세라믹 분리막의 다층 구조(예)

           a) MOF             b) Carbon         c) NaX 제올라이트
그림 6. 나노구조체에서 압력에 따른 수소저장량(근거:미국 DOE자료)

표 3. 미국 DOE의 수송용 수소저장기술 목표
그림 7. 다양한 나노구조 체(MOF/탄소나노튜브/제올라이트) (근거:DOE자료)

그림 8. 연료전지 모듈에 사용되는 세라믹스(근거: CIT 자료)

김태환
독일 베를린공과대학교 에너지 & 화학공정학과 학사
독일 베를린공과대학교 에너지 & 화학공정학과 석사
독일 베를린공과대학교 에너지 & 화학공정학과 박사
연합대학원대학교 신에너지기술 전공 겸임교수
현재 한국에너지기술연구원 신공정연구센터 책임연구원

정헌도
서울대학교 화학공학과 학사
서울대학교 화학공학과 석사
서울대학교 화학생물공학부 박사과정 중
현재 한국에너지기술연구원 신공정연구센터 선임연구원

< 본 사이트에는 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조 바랍니다.>