스크랩 수소에너지 사업단

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지난 6월29일~30일 2일간에 걸쳐 수소에너지사업단 제4차 킥오프 미팅이 개최되었다.
주관, 협동 및 위탁 과제책임자 (실무책임자) 80여명이 참석한 가운데 첫 날은 2단계 사업수행 방향 점검ㆍ2단계 신규과제 소개ㆍ2단계 1차년도 일정공지 등의 순서로 진행되었다. 특히, 본 회의에 앞서 진행된 이융조 교수(충북대학교)의 ‘한국의 첫 사람들’ 이라는 주제의 초청
강연은, 충청북도 인근의 선사유적의 발굴 현장에 대한 상세한 소개와 성과, 그리고 이로써 유추해 본 당시의 생활상에 대한 흥미진진한 내용으로 큰 호응을 받았다. 저녁만찬 이후에는 소그룹별로 모여 늦은 시간까지 토의를 이어갔다. 둘째날은 킥오프 회의를 마감하는 과제별 토론회를 마친 후 숙소에서 시작하여 법주사, 세심정을 돌아오는 가벼운 산행을 통하여 전날 다하지 못한 대화의 시간을 보충할 수 있었다.

고효율 수소에너지 제조·저장·이용기술개발 사업단(수소에너지사업단)은 지난 6월15일 대구 엑스코에서 한국수소 및 신에너지학회의 특별 심포지엄을 개최하였다. ‘광변환기술과 수소’라는 주제로 태양전지, 광촉매 전문가들이 모여 광변환기술의 현황과 전망 및 수소와의 접목에 대한 의견을 나누었다.
주제발표 내용을 보면 △염료감응 태양전지(박남규 KIST), 박막태양전지(윤경훈 KIER), PEC수소제조시스템(주오심 KIST), 광촉매설계(장현주 KRICT), 광바이오촉매 복합수소제조시스템(주현규 KIER), 수소제조수소제조용 전기화학시스템(이원재 전기연구원) 등이며 이후 패널토론 및 질의응답 시간을 통하여 향후 기술의 주안점 및 추진 방향에 대한 유익한 제언들을 경청할 수 있었다.

수소이용분야의 대표적인 실증과제인 수소연소 리니어 동력/발전 시스템 개발 과제(주관, 오시덕 (주)효성 상무이사) 2단계 킥오프 회의가 위탁 연구기관중 하나인 성균관대학교 제1공학관 회의실에서 지난 19일에 개최되었다.
수소에너지사업단 사업팀장 및 주관·협동/3개 위탁연구과제 책임자와 참여자등 20여명이 참석한 가운데 각 세부과제별 발표 및 과제간 협의사항, 업무추진 방향등을 논의하였다. 특히 1단계결과에 대한 review 과정을 통하여 1단계 시제품의 완성도를 높이는 등 주요현안에 대한 열띤 토론으로 인하여 예상보다 1시간 30여분의 시간 연장 끝에 본 회의가 마무리 되었다.

화석연료의 고갈과 CO2 가스의 배출로 인한 오존층 파괴, 지구온난화, 산성비등의 지구환경문제가 대두되면서 청정의 재생에너지원 개발이 시급하다. 이때, 대체 에너지원으로서 주목받고 있는 것이 태양광에너지, 풍력에너지, 지열에너지, 그리고 화석연료 에너지를 대체할 수 있는 친환경에너지로서 수소가 주목을 받고 있다. 그러나 수소는 대기 중에 존재하는 산소와 결합하여 자연발화하거나 폭발의 위험성도 가지고 있다.
그럼에도 불구하고 수소를 생산하여 우리의 실생활에 이용하고자하는 이유는 가스온실효과를 저감시킬 수 있는 청정에너지이기 때문이다. 또한 수소의 생산은 주요에너지원으로 자리매김할 수 있고, 에너지 수송 및 취급에 유용한 형태로 저장되어 사용자에게 공급될 수 있는 편리한 에너지 형태일 수 있기 때문이다. 그 이유로서 수소는 화석연료, 핵연료, 재생에너지 그리고 전기에너지의 형태와 연결하여 에너지생산과 사용에 유연성을 지니며 수소를 생산할 수 있다는 점이다.
이러한 수소를 생산하기 위하여서는 크게 두 가지로 대별할 수 있을 것이다. 막대한 양의 수소를 얻기 위하여 핵을 이용할 것인가? 또는 재생에너지원인 태양광을 이용한 촉매반응/태양광발전에 의한 전력생산을 통하여 수소를 생산할 것인가? 이다. 여기서, 수소생산과 관련하여 주목받고 있는 연구 분야 중의 하나가 바로 태양광을 이용한 광촉매반응에 의한 물분해 반응으로 수소를 얻거나, 태양광으로부터 전기를 얻어 물분해를 하는 것이다.
물분해를 통하여 수소생산에 사용될 수 있는 태양전지는 Si 태양전지(단결정, 다결정, 아몰퍼스), CGIS, 전기화학형 태양전지이다. 여기에서, 신태양전지인 전기화학형 태양전지 중 하나인 광감응형 태양전지는 상온에서 제작이 가능하고 제조공정이 간편하고 제조단가가 실리콘 태양전지에 비하여 저렴하며, 전극막 제조방법이 쉽고 대면적화가 가능하기 때문에 전기화학형 태양전지 분야에 대한 관심이 급증하고 있으며, 이에 대한 연구가 다방면에서 이루어지고 있다. 이러한 연구 흐름의 일환으로서, 본 연구에서는 일차적으로 전기화학형 태양전지를 제조하여 그 특성을 평가하고 개선해나가고자 한다

TiO2 전극등 감광제를 갖는 광전기화학전지 셀에 빛을 조사하여 물로부터 수소를 얻을 수 있다. 이때 sensitizer(광촉매)를 이용한 태양광 흡수를 증대하여 물분해반응을 통해 물을 얻게 되는데 순수한 물은 자외선 영역을 제외하고는 광반응이 저조하다. 그래서, 수소생산을 촉진하기위하여 재료의 특성에 있어서 몇 가지의 기술적인 진보가 요구된다. 1. 에너지 밴드갭이 손실을 감안하여 적어도 1.6-1.7eV 이어야하고 2.2eV를 초과하여서는 안 된다. 2. 재료의 전기화학적 안정성인데 수용액에서 안정하여야하고, 3. 에너지밴드 에지(edge)는 환원포텐셜을 만족시켜야한다. 이와 같은 특성이 동시에 만족되어야하는 재료적 특성이 요구된다.
물분해를 통하여 수소생산에 사용될 수 있는 태양전지와 수소를 생산할 수 있는 전극과의 복합화가 필요하다. 태양광의 전부를 이용하여 태양전지에서 캐리어를 생산하고 이를 물분해전극에 투입하거나 태양광의 일부를 물분해용전극에 특히 상대전극에 공급하여 캐리어를 효율적으로 생산하여야한다. 그러나, 물을 분해하여 수소와 산소를 얻는데 있어 전해조에 존재하는 과전압이 높아 효율적인 수소생산이 용이하지 않다. 특히 아노드전극의 산화반응에 있어서 물의 산화반응에 4개의 전자와 관련되어있고 이는 높은 과전압이 요구된다. 이때 , 광전기화학형 태양전지 셀은 이러한 높은 과전압을 낮추거나, 외부에서 공급하여 줌으로써 수소를 생산할 수 있게 된다. 전기화학형셀을 갖는 물분해공정의 경우 프로톤(proton)으로부터 수소를 얻는 환원과정은 대부분의 전극재료에서 낮은 과전압을 보이는 반면, 산소를 얻는 산화반응은 그렇지 못하다. 그래서, 광아노드전극으로 a-Fe2O3 또는 WO3 으로 이루어진 전극이 제안되었다.
나아가서, 광전기화학형 태양전지 셀은 광전압셀과 전해조의 기능을 일체형으로 복합화하던지 변형하여 여러 가지 형태의 디자인이 제안될 수 있을 것이다.

물을 분해하여 수소를 얻는데 어떠한 태양전지를 사용할 것인가는 여러 가지 조건을 고려하여야하는데 이때 사용될 수 있는 태양전지는 Si 태양전지(단결정, 다결정, 아몰퍼스), CGIS, 전기화학형 태양전지이다. 그리고, 하루의 총일조량에 대하여 높은 전기에너지를 생산할 수 있고 약한 태양광의 조건에서도 효율을 유지하며 외부온도 상승에 따라 효율이 상승할 수만 있다면 물로부터 수소생산에 유리하다 할 수 있을 것이다.
전기화학형 태양전지는 나노 다공질 반도체 전극, 전해질 그리고 상대전극으로 크게 세 부분으로 구성되어 있으며, 전기적 특성을 정량적으로 평가하는 변수로서 open-circuit voltage(Voc), Short-circuit current(Jsc), 그리고 fiil factor(FF) 가 있다. 그리고, 물로부터 수소를 얻기 위하여 광반도 전극의 밴드에너지가 1.6-1.7eV가 필요하다. 그런데 보통 Si 태양전지, CGIS, 전기화학형 태양전지는 1.0eV 이하의 전압을 갖고 있다. 물을 분해하기위한 전압을 얻기 위해서는 태양전지의 조합에 관한 연구가 필요하다. 즉 태양전지의 모듈화 연구가 필수적이다.
본 연구의 일차적인 실험으로 다음과 같은 결과를 얻었다.

Fig.1을 보면 3개의 전기화학형 태양전지를 연결하여 조합하면 물분해에 필요한 전압 1.6-1.7eV를 충분히 구성할 수있음을 보여준다. 이를 바탕으로 전기화학형 태양전지를 이용하여 물로부터 수소를 효율적으로 얻기 위하여 다음과 같은 연구가 필요하다.

1. 전지성능향상 및 활성층 면적을 증대하기 위하여 strip cell을 디자인하고,
2. 내선의 형태연구가 필요하고,
3. 전지면에 존재하는 활성층의 연결 및 제어를 통하여 원하는 전압과 전류값을 향상하여
4. 수소생산 시스템에 적용하는 연구가 요구된다.
5. 수소를 생산하기 위해서는 광흡수를 충분히 할 수 있고(~1.4eV)
6. 광화학안정성이 높아 광부식 또는 표면부동태현상이 일어나지 않고
7. 캐리어의 전달이 원활하여 캐리어의 재결합이 일어나지 않는 재질의 전극을 선택하여야한다.

배럴당 70$ 수준의 고유가와 지구온난화문제를 동시에 해결해야할 입장에서 수소에너지에 거는 기대는 적지 않다. 국가마다 다르나 2020년대부터 시장진입과 함께 확대되기 시작하여 2040년대 이후에는 본격적인 수소경제체제에 들어갈 것으로 보고 있으므로 장기적 추진 계획과 주기적 평가분석에 의한 수정 보완을 개발 전략으로 삼고 있다.
현재 신재생에너지에 대한 정부 측 투자액은 전 세계적으로 매년 80억$에 이르며 이중 수소에너지관련기술에는 10억$가 투입되고 있다. 기업체 투자 분은 정부 투자분의 3∼4배에 이를 것으로 보기 때문에 수소연료전지분야에만 50억$ 정도가 매년 투자되는 셈이다. 대략 2015년까지는 연구개발에 주력하면서 틈새시장 진입을 시도하게 될 것이다.
현재 시범운행단계에 있는 연료전지자동차의 시장진입을 위해서는 기존 화석연료를 이용한 수소 제조기술이 필요하며 우리나라에서도 LPG, 가솔린, 나프타, 천연가스 등을 이용하여 앞으로 3년 내에 4기를 건설 운용할 것이다.
우선 시간당 20∼30㎥(하루 승용차 10∼20대 충전 가능)의 수소생산용 개질 기술을 개발하거나 도입하여 실증을 거쳐 필요에 따라 하루에 승용차 200대 정도 충전이 가능한 시간당 300㎥ 규모의 수소를 현장에서 만들어 낼 수 있는 수소충전소 기술과 기준이 만들어질 것이다.
다행히도 우리나라 공단의 위치가 울산, 여천, 대산 등 지역 안배를 이루고 있어 부생수소 수급에 있어 유리한 위치에 있으며, 천연가스 공급망이 잘 정비되어 있어 천연가스 개질에 의한 수소공급이 비교적 용이할 것으로 본다.
수소는 상온, 상압에서 기체이므로 부피당 에너지 밀도가 매우 낮고 액체연료에 비해, 저장, 운반이 불편하다. 궁극적으로는 저압에서 안전하게 수소를 저장하고 수송할 수 있는 기술 개발이 중요한 과제이나 우선 현재 기술 수준으로는 연료전지 자동차의 시장진입을 위해서 고압수소저장 기술의 상용화가 우선적으로 필요하며 현재 ISO TC197에서 표준화작업이 진행되고 있다. 기존 208기압의 고압저장용기를 갖춘 천연가스차량의 운용 경험은 350∼700기압을 다루어야 하는 수소차량의 운용 및 보급에도 도움이 될 것이다.
국내 산업체에서는 350기압 Type 3 복합용기의 제조자 인증 허가를 (주)이노컴에서, Type 4 복합용기는 (주)케이시알에서 DOT(미국 교통성) 인증을 받았다. 이 두 가지 형태의 용기 모두 중량밀도 4.5wt%, 체적밀도 20kg/㎥을 만족시키고 있으며 최종적으로는 700기압용 용기 및 시스템 개발을 목표로 하고 있다.
장기적으로는 금속수소화물 등 수소저장 합금방법 등 고체저장방법과 화학적 수소화물 (NaBH4 화합물 등) 유기 및 무기 또는 복합 나노소재 이용 기술, 나노공간을 갖는 얼음 입자 등 보다 저압에서도 안전하면서 경제성을 도모할 수 있는 새로운 개념의 저장기술도 활발히 연구되고 있다. 현재는 금속수소화물, 착수소화물 등이 다른 기술보다 다소 앞서 있는 수준이다.
연료전지 이외의 기술로서 수소 연소 리니어 동력/발전 시스템은 크랭크 기구가 없어 기계적 손실이 없을 뿐만 아니라 피스톤의 관성력을 최대한 압축일로 전환시키고 폭발 압력을 최대한 팽창시킬 수가 있어서 고효율이 기대되며 하이브리드 자동차용, 분산전원용 등으로 사용될 가능성이 있다.
센서 분야는 충전소나 자동차 등 수소사용 영역이 일반인에게 점차 확대됨에 따른 시장과 안전 확보 측면에서 필요하며, 소형화, 저가화를 목표로 연구되고 있다. 매년 산업용으로서 4000만 톤의 수소가 사용되어 왔지만 에너지용으로 확대된다면 최종사용자가 일반인이 될 것이며 사용량도 수십 배로 늘어나게 될 것이다. 아직은 경제성과 신뢰성을 갖추지 못한 상태이나 집중적 연구가 이루어지고 있는 분야인 만큼 기술적 장벽을 넘어설 기반을 갖추어나갈 것으로 본다.

한국에너지 ken@koenergy.co.kr
2006년 06월 07일 (474호)

환경오염 없는 꿈의 에너지로 각광받고 있는 수소를 충전해 달리는 연료전지자동차시대는 언제쯤 올 것인가. 인체에 유해한 배기가스가 없고 소음까지 거의 없는 연료전지자동차가 우리나라 도로를 활보할 날을 앞당기려면 우선 현재의 주유소나 LPG충전소처럼 편리하게 이용할 수 있는 수소스테이션이 도로변 곳곳에 들어서야 할 것이다. 최근 우리나라 몇몇 기관 및 기업들도 수소에너지에 미래가 있다고 보고 수소스테이션 건설을 적극 추진하는 등 수소경제시대의 서막을 열고 있다. 본보는 현재 추진되는 수소스테이션을 둘러보고 기술개발 현황 및 향후 운영계획을 살펴본다.에기硏 3월 완공 이어 가스공사도 지난달 착공GS칼텍스·SK, 각각 나프타·LPG개질형 계획

■ 현대자동차-총 4개의 충전소 운영

이제까지 국내에 선보인 수소충전소는 현대·기아자동차 남양주연구소의 350bar 정치형 및 이동식스테이션, 그리고 지난해 9월 완공한 경기도 용인 마북연구소의 국내 최초 700bar 압력의 수소스테이션 등이다.현재 현대·기아자동차는 미국 캘리포니아의 치노 수소스테이션을 포함, 총 4개의 수소스테이션을 운영하고 있다. 현대·기아자동차의 수소스테이션은 수소발생장치를 갖추지 않고 수소공급업체인 덕양에너젠에서 수소를 공급받아 컴프레서를 이용, 압력을 올려 충전하고 있다.관계 전문가들은 수소는 저장 및 운송이 용이하지 않기 때문에 물류비가 많이 소요되므로 대부분 수소발생장치까지 갖춘 온사이트형이 주도해 갈 것으로 내다보고 있다.

■ 에기연-20N㎥/h규모 자체 개발

수소제조시스템에 대한 국내 기술의 성과로 과기부 산하 수소에너지개발사업단은 대전 한국에너지기술연구원에 수소스테이션을 완공하고 지난 3월 17일 가스안전공사로부터 완성검사까지 받았다.이 수소스테이션은 에기연이 자체 개발한 수소 20N㎥/h 생산규모의 천연가스를 원료로 한 수증기개질장치를 적용했으며 순도는 99.99%이다.또 컴프레서를 이용해 7bar에서 400bar로 압축, 저장하고 저장용량은 32kg이다. 또 디스펜서에서 자동차에 충전되는 압력은 350bar로 설계됐다.이 스테이션은 설비비 약 5억8000만원, 공사비 1억8000만원, 설치 부대비용 5000만원 등 초기투자비 총 8억1000만원이 소요됐다. 부지구입비는 초기투자비에서 제외됐다.수소발생장치를 제외한 압축 및 저장하는 설비는 철저하게 방폭으로 설계했으며 완성검사 후 자체적으로 고안한 복합재료용기에 충전시험을 마쳤다.이 스테이션에서는 하루에 승용차 3~5대를 충전할 수 있고 버스의 경우 1~2대 정도 충전이 가능하다.다만 디스펜서의 충전구와 맞는 연료전지자동차가 없어 실제 자동차충전은 하지 못하고 있다. 그러나 연내에 에너지기술연구원 신에너지연구부에서 24인승 미니버스를 개발, 자체 운용할 계획이다.에너지기술연구원 신에너지연구부 윤왕래 박사는 “향후 수소제조프로그램 연구는 △콤팩트 △고효율 △운전의 용이성 등에 초점이 맞춰질 것”이라며 “소형 리포머 기술개발, 고순도 수소생산 유닛, 설계코드 개발 등이 함께 이루어져야 한다”고 강조했다.

■ 가스공사-천연가스개질형 실증

한국가스공사도 인천기지 내 300평의 부지를 마련, 지난달 말 천연가스를 원료로 한 수증기개질방식의 수소스테이션을 착공, 오는 8월말 완공한다.산자부 국책과제로서 에너지관리공단, 수소연료전지사업단과 함께 ‘20N㎥/h 수소스테이션 건설 및 실증연구’의 일환으로 진행되는 이 스테이션 건설에는 총 85억원이 소요되며 절반 정도는 정부에서 지원된다.캐나다 하이드로제닉스社의 수소발생장비를 도입하는 이 수소스테이션의 건설은 가스기술공사가 맡고 연료전지자동차 운영에는 현대자동차가 참여키로 했다.또 컴프레서로 420bar로 압축, 저장한 다음 디스펜서를 거쳐 연료전지자동차에는 350bar로 충전된다. 총 저장용량은 72kg이다.

■ GS칼텍스-30N㎥/h규모, 도심 건설

GS칼텍스도 연세대 서울캠퍼스에 나프타 및 천연가스를 원료로 한 수증기개질방식의 수소스테이션을 건설한다.시간당 30N㎥의 수소제조능력을 갖추게 되는 이 스테이션의 충전압력은 350bar다.일본의 미쯔비시화공기와 공동제휴로 MS이엔지가 설비를 맡은 이 스테이션에는 공사비만 총 30억원이 투자되며 올 하반기 착공될 예정이다.

■ SK-LPG개질방식, 충전압 450bar

SK도 산자부가 2004년부터 2009년까지 국책과제로 진행하는 ‘수소스테이션 국산화 기술개발’의 일환으로 연내에 LPG Reforming Fuel Processor를 개발, 내년에는 스테이션 건설을 마친다는 계획이다. 이후 2008년부터 2년 동안 실증실험이 예정돼 있다.LPG 수증기개질방식을 채택한 SK의 수소스테이션의 수소생산능력은 30N㎥/h, 충전압력은 450bar이다. 그러나 SK는 아직 수소스테이션 부지를 선정하지 못하고 있다.이 스테이션 건설을 위해 산자부 국책과제로서 정부가 지원하는 금액은 70억원 정도이며 절반 정도는 위탁연구기관의 R&D 활동에 지원된다.SK가 추진하는 이 스테이션의 수소저장량은 72Kg으로 연료전지자동차 5대를 연속 충전할 수 있으며 SK는 스테이션 건설 이후 연료전지자동차를 직접 운용하기 위해 정부 및 자동차사와 협의하고 있다.

“이젠 경제성 높이는데 주력할 때”연소시키지 않고도 동력을 얻을 수 있는 그야말로 전혀 새로운 개념의 에너지를 수소스테이션 건설을 통해 얻을 수 있다고 생각하니 감회가 깊습니다”
산자부 국책과제로 인천LNG기지에 들어설 수소스테이션 건설 프로젝트 관리자인 가스공사 수소연료전지 개발센터 김우식 박사의 가슴 벅찬 표현이다.金 박사는 오는 8월 말 완공을 목표로 지난달 착공한 가스공사의 인천기지 수소스테이션은 캐나다 하이드로제닉스社의 수소발생장비를 도입, 실증실험을 하게 되며 향후 필요에 따라 규격을 높일 수 있도록 설계됐다고 밝힌다.
“ 미국, 유럽, 일본 등 선진 열강들은 수소에너지에 대한 원천기술개발에 총력을 기울여 왔고 앞으로는 경제성을 높이는데 열을 올릴 것입니다”
국내에도 수소제조·저장·이용 등 각 분야의 연구원들이 자체기술개발에 성공하는 등 빛나는 연구 성과를 올리고 있다는 金 박사는 연구 못지않게 상용화하는 방안도 중요하다고 강조한다.
실제 일본의 경우만 해도 정부가 주도해 상용화하는 프로그램까지 가동하고 있다며 우리나라도 정부가 ‘수소연료전지주식회사’라는 간판을 내걸고 수소연구부터 실증실험, 상용화까지 관장할 필요가 있다고 설명한다.
“인천기지는 실증실험 등 연구하기에는 좋으나 LPG충전소처럼 도로변에 건설하지 못한 것이 아쉽습니다. 대국민도 중요하기 때문입니다”수소관련 안전법규의 보완도 지적하는 金 박사는 이제 수소관련기술은 연구소에서 국민의 생활권으로 나와야 할 때라고 힘주어 말한다.
수소스테이션은 기본적으로 수소발생장치, 고순도 수소분리시스템(PSA), 압축기, 저장탱크, 충전시스템, 동력발생기 등의 조합으로 구성돼 있다.수소관련 연구원들은 수소경제 진입 초기의 경우 20~100N㎥/h 생산규모의 분산형 소형시스템이 주류를 이루겠지만 성숙단계에서는 1만~10만N㎥/h 규모의 중앙집중식 대형시스템이 필요할 것으로 예상하고 있다.분산형 소형 수소스테이션은 기존의 주유소와 같은 소용량 생산시스템으로 자체생산 및 현장충전이 가능해 수소분배를 위한 수송 인프라가 필요 없지만 중앙집중식 대형 수소생산시스템은 수송 및 분배거리가 중요한 요소로서 파이프라인, 튜브트레일러 등과 같은 인프라를 필요로 하고 있다.
수소경제의 진입초기단계에 적합한 분산형 소형 수소생산방식은 부생수소를 비롯해 천연가스, LPG, 나프타, 물 전기분해 등을 이용하는 방식이 있는데 당분간 화석연료를 개질해 수소를 얻는 방식이 대세를 이룰 전망이다.

2006년 05월 08일
출처: 한국가스신문

2004년에 참석한 적이 있는 IPS-15학회 (프랑스 파리)에 대한 기억이 있던 살아있던 작년 이맘쯤, IPS-16학회에 대한 공지가 날아들었다. 처음 참석했던 15회에서 많은 사람들이 참석하고, 태양에너지관련 많은 논문들이 분야별로 발표되었던 상황이 떠오르며, 다시 참석하고 싶은 마음에 바로 참가를 결심하였다. 예상대로 출국하기 전 학회 홈페이지를 방문해 보니, 등록한 사람만 455명, 7개의 다양한 분야가 나를 위축되게 만들었으나 (80개 구두발표, 330 여개 포스터, 40여개국 전문가 참가), 광촉매 분야만이 아니라, 태양광 활용 다른 분야에 대한 접근을 하고 있는 나로서는 아주 좋은 기회로 여겨져 설레기도 한 것도 사실이다. “The search for sustainable energy sources"라는 목적을 갖고 시작된 이번 학회는, 2050년경 에너지수요가 두 배가 될 것이라는 전망과 carbon free 친환경 소스이고 태양전지가 연간 35~40% 비율로 생산이 증가됨에도 세계 에너지 규모에 무시될만한 비중을 차치하고 있는 태양광 활용에 돌파구를 마련하고자 ”new concept"과 “revolutionized material"을 확인하고자 하였다.

이번 IPS-16이 다뤘던 분야는,

1. Photoinduced electron and energy transfer
2. Solar Hydrogen
3. Biomimetic Systems
4. Molecular and Nanostructured Solar Cells
5. Photocatalysis and Environmental Chemistry
6. Photosysnthesis and Hydrogenase
7. Photoelectrochemistry

로서, 구두발표는 5번 항목을 위주로 plenary lecture들을 청취하였으며, 포스터는 광촉매, hydrogenase 및 수소 제조 관련 것들을 살펴보았다. 학회가 분야별로 병렬적으로 진행되어 일부 중복되는 분야는 초록집을 참조하고자 하였다. 그간 지인으로 있던 캘리포니아공대의 호프만 교수, 하노버 대학에 바네만 교수, 프랑스 CNRS에 피샤 박사, 그리고 일본 AIST에 네기시 박사 등을 만날 수 있었으며, 포항공대 최원용 교수, 고려대 김강진, 고재중 교수 등을 만나 전반적인 내용을 논의할 수 있었다. 학회가 열린 웁살라대학은Arlanda 공항에서 북쪽으로 30분 정도 떨어진 한적한 웁살라에 위치했으며, 스톡홀름은 공항에서 남쪽으로 위치해 웁살라에서는 기차로 50여분 소요가 되었다. 수요일 오후에 학회가 비어 방문해 본 스톡홀름은 시청, 왕궁 그리고 바사박물관 등을 제외하고는 특별한 구경거리가 없어 보였으나, 가는 도중에의 도로 및 철로 옆은 한적한 농경 풍경 그대로였다.
흥미로웠던 발표로는 스위스의 Andreas Luzzi 박사의 IEA-HIA (Annex-20)의 PEC water-splitting 활동 요약, 한양대 강용수 교수의 올리고머 활용 solid state DSSC, 필자가 사용하는 Pyrococcus furiosus를 추출 정제한 미국 조지아 대학의 M. Adams 교수의 엔자임 characterization, 그리고 캘리포니아공대 호프만 교수의 대기 에어로졸의 태양광 이용 고분자화 경향 등이다. 석학들의 plenary와 invited 발표들은 일본 후지시마교수의 상업화 동향을 제외하고는 생소한 분야이여서인지 많은 부분 구체적 이해보다는 전반적인 흐름 및 연구 동향 파악에 집중했으며, 대부분 새로운 물질 합성 및 접근 방법의 적용, 그리고 반응 확인 및 규명 등으로 귀결된다고 하겠다. 광촉매 분야에서의 새로운 물질 도출은 눈에 띄지 않았으며, 대부분은 탄소나 질소 등의 anion 도핑 등의 기존 물질을 새로운 방식으로 합성하는 접근이 많이 보였다.
화학/물리, 생물/바이오 및 나노과학 전문가들의 연구는 공학 및 엔지지어링 연구자들의 그것과 많이 상이한 것이 사실이다. 다만 이번 학회에서 느낀 점은 한 부류가 다른 부류를 추종하기에 힘을 쏟기 보다는 두 부류의 연구진들이 공조하는 경우가 훨씬 효율적이고 상승효과가 있을 것이라는 점이다. 인위적으로 이런 연구 조직을 만들 수도 있으나, 각 부류간의 긴밀한 의견 교류 등이 국내는 물론 국가간에 이루어지는 것도 바람직할 수 있다고 판단된다. 특히 합성이나 전자 전달에 대한 해석 tool 등은 태양광 및 광감응 물질 사용 시스템의 경우 필수적인 요소로, 이에 대한 체계적인 자문의 필요성을 필자는 절실히 느끼고 있다. 학회 참석 후 약간의 기대에 부푼 과거를 회상해 보며, 이번 학회에서 만나 뵌 ‘어느 분’이 그 역할을 해주시기를 속으로 간절히 기대해 보며 조만간 한번 찾아뵈어야 하겠다.

에너지나노소재 연구팀 (Energy Nano Material Team)

에너지나노소재 연구팀에서는 21세기 국가산업경쟁력 강화의 핵심사업으로 추진하고 있는 차세대에너지 고효율 수소에너지 저장을 위한 무기물 나노재료의 개발 및 재료의 특성평가와 고효율 수소저장성의 실증을 구현하고 경제적인 수소저장의 안정성 확보를 위한 최적의 무기물 나노구조체 합성 기술을 확립함으로써 이를 이용한 수소저장 기술의 기반을 확보하기 위하여 활발히 연구를 진행하고 있다.

무기물 나노재료를 이용한 수소저장 기술 개발

멀지 않은 미래일 것으로 예견되는 천연자원 고갈과 당면한 환경문제에 대응하는 해결책으로 ‘수소에너지’가 주목받고 있다. 그런 시대적 요구에 부응하기 위해 각국의 연구진들은 여전히 아이디어에 머물고 있는 수준의 구상들을 현실화 시키고, 경제적 논리에도 부합되는 방법을 제시하기 위한 노력이 계속 되고 있다. 수소경제 실현을 위해서는 수소의 생산, 저장 및 활용 기술의 효율향상과 기존의 기술에 준하는 경제성을 확보해야 하는데, 그 중 수소저장 기술은 생산, 활용분야에 비해 발전 속도가 느려 수소경제 전환에 있어 율속단계로 여겨지고 있어 보다 많은 연구가 필요한 분야이다. 2005년 미국의 에너지관리성(DOE)의 자료에 포함되어있는 ‘Hydrogen Program’ 의 전체 투자금액에서도 수소저장이 두 번째로 높은 비중을 차지하는 것을 보아도 기술개발의 시급함을 짐작할 수 있다.
수소저장재료의 개발은 수소에너지의 사용에 있어서 필수적인 요소이다. 하지만 표준화된 수소저장재료는 아직까지 실용화된 기술을 가지고 있지 않으며, 기초적인 연구개발이 이루어지고 있는 실정이다. 달리 말하면 수소저장재료의 개발은 아직까지 확실한 재료의 선정조차 이루지 못할 정도로 성능의 편차가 크고 신뢰도가 저하된 단계이다. 새로운 개념의 수소저장재료인 다공성 나노재료를 선정하고 대량제조가 가능한 혁신적인 소재의 개발이 이루어질 경우, 독점적으로 세계적인 공급이 가능하게 되므로 경제적인 파급효과는 엄청나다고 할 수 있다. 또한 연료전지를 이용한 수소자동차 및 수소기기의 제조분야와 에너지 생산분야 등 모든 관련 산업의 활성화를 가져올 수 있는 시너지효과 또한 기대되어진다.

본 연구팀에서는 계면활성제등의 템플릿을 이용한 대량 합성방법을 이용하여 무기물 나노구조체 등을 합성하고 형상제어 및 최적화하여 수소저장 재료로서 사용하는 연구를 수행하고 있다. 특히, 무기물 금속 나노 튜브 제조 기술은 새로운 합성 방법으로 세계적으로 상업화가 되어 있지 않은 기술로 신속한 기술 개발을 통하여 기술의 선점이 시급하다.
현재까지 보고된 여러 가지 수소 저장체로서의 물질들 (탄소 나노 튜브, 탄소 나노 섬유 등)에 있어서 가장 논란이 되고 있는 것은 정확한 양의 수소 저장량의 측정 및 재현 가능한 실험 방법이며, 본 연구에 있어서도, 수소 저장 능력의 측정에 있어서의 정확한 실험 방법의 확립이 요구되고 있다. 계면 활성제를 이용한 무기물 금속 나노튜브의 합성과 이를 수소 저장으로의 응용성은 예비 연구결과에 의하면 탄소재료에서의 응용성에 비해서 훨씬 쉽게 많은 양의 나노튜브를 생산할 수 있다는 가능성을 제시 해 주고 있다. 이는 계면활성제를 이용한 무기물 금속 나노튜브가 수소 저장체로서 매우 효율적이면서 경제적인 재료가 될 수 있고, 또한 저장 용량이 크면서 가볍고 안전한 새로운 수소 저장체로서 이용될 수 있음을 보여준다.

성명	직급	주요연구분야
김 해진	책임급	- 연구 총괄
박 성훈	선임급	- 금속가교 산화물, 나노복합체 - 전이금속 산화물 나노구조체
이 상문	선임급	- 수소 저장 측정 및 흡착특성분석 - 나노구조 카본 물질의 표면처리
이 진배	선임급	- 금속이온 도핑 복합산화물 - 템플릿을 이용한 무기물 나노구조체 - 리튬 첨가 무기물 나노튜브
이 순창	원급	- 나노구조 전이금속 산화물 분자체 - 계면활성제를 이용한 무기물 나노구조체
이 미경	원급	- 연구행정 지원

1. S-. H. Park and H. J. Kim, "Unidirectionally Aligned Copper Hydroxide Crystalline Nanorods from Two-dimensional Copper Hydroxy Nitrate", J. Am. Chem. Soc., 126, 14368-14369 (2004)

2. S. M. Lee, J. H. Jung, S. C. Lee and H. J. Kim, "Pore Characterization of Multi-Walled Carbon Nanotubes Modified by KOH", Chemical Physics Lett., 416, 251-255 (2005)

3. 특허번호 10-2005-101546, “음극산화알루미늄 템플릿을 이용한 산화니켈 나노튜브의 제조방법”, 2005 (김해진, 이진배).

4. 특허번호 10-2005-101544, “음극산화알루미늄 템플릿을 이용한 산화망간 나노튜브 또는 나노막대의 제조방법”, 2005 (김해진, 이진배).

5. S. C. Lee, S-. H. Park, S. M. Lee, J. B. Lee and H. J. Kim, "Synthesis and H2 Uptake of Cu2(OH)3Cl, Cu(OH)2 and CuO Nanocrystal Aggregate.", Catalysis today, submitted (2006).

6. J. B. Lee, S. C. Lee and H. J. Kim, "H2 Uptake and Synthesis of the Fluorinated Li-dispered Nickel Oxide Nanotubes", Catalysis today, submitted (2006).

7. 특허출원중, “ 음극산화알루미늄 템플릿을 이용한 리튬이 첨가된 실리카 나노튜브의 제조방법과 제조된 리튬 실리카 나노튜브를 이용한 에너지의 저장”, 2006 (김해진, 이진배, 이순창)

8. 특허출원중, “수소저장체로서 Cu2(OH)3Cl 나노판 마이크로스피어의 합성과 이것을 이용한 Cu(OH)2 나노선 마이크로스피어, CuO 나노입자 마이크로스피어 그리고 CuO 나노입자 마이크로스피어의 제조방법 ”, 2006 (김해진, 이순창, 이진배)

1. 주현규, IPS-16 (16th Insternational Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Eenrgy), Uppsala, Sweden 참석 및 발표

2. 오유관, 2006년 6월 12-16,
프랑스 리옹 IEA Annex21 미팅 및 제16회 세계수소에너지학회 참가

3. 최승훈, 2006년 6월 5일 ~ 6월 6일
일본 동경, Accelrys Japan 분자 설계 심포지움 참석

4. 정동현, 2006년 6월 5일 ~ 6월 6일
일본 동경, Accelrys Japan 분자 설계 심포지움 참석

5. 김준형, 2006년 6월 5일 ~ 6월 6일
일본 동경, Accelrys Japan 분자 설계 심포지움 참석

1. 2006. 5.10 PUR-Korea, "수소에너지와 지속가능사회“ / 김종원 수소에너지사업단장 강연

2. 2006. 5.30 “에너지시장의 추세와 기술변화” SK 강좌 / 김종원 수소에너지사업단장 강연

3. 2006. 5.30 “나노기술을 이용한 수소저장재료 개발동향”, 매경세미나, KOEX / 김종원 수소에너지사업단장 강연

1.	Hyunku Joo, "Effects of Constituents in Bio / Photocatalytic Hydrogen Production System Using Experimental Design Tool", Ceramic Transactions Vol. 193 (American Ceramic Society), 139-153, 2006
2.	Hyunku Joo, "Methods for Determining Quantum Yield in Heterogeneous Photocatalysis", Korean J. Chem. Eng., 23(6), 2006 < 인명사전 등재 심사 중 > 가. Marquis Who’s Who in the World (24th Ed.) 나. Marquis Who’s Who in Science and Engineering (9th Ed, 2006) 다. Marquis Who’s Who in Asia (1st Ed.) 라. International Biographical Center (IBC), Cambridge, England
3.	B. B. Kale, 백진욱, 이상미, 장현주, 문상진, 이철위. CdIn2S4 Nanotubes and Marigold Nanostructures: A Visible-Light Photocatalyst (p?1349-1354), Advanced function Materials 2006, 7월호 Volume 16, Issue 10
4.	이태범, 김대진, 정동현, 김자헌, 최승훈 "Molecular Dynamics Simulation on Hydrogen Adsorption into Catenated Metal Organic Frameworks" 한국신·재생에너지학회 2006년도 춘계학술대회논문집, pp. 9 ~ 12, 제주도(제주신라호텔)(2006. 6.22-23)
5.	윤지혜, 최상범, 서민정, 홍승태, 이태범, 김대진, 최승훈, 김자헌 " Unusual Framework Catenation Induced by Heat in a Metal-Organic Framework Crystal" 2006 한국학술단체연합회 제 1회 통합학술대회, 경주교육문화회관 (2006. 7.06-08)
6.	오유관, 김유진, 김미선, 박성훈, "이단계 바이오 수소/메탄 생산공정의 경제성 평가", 한국수소및신에너지학회, Vol 17, No 1, pp98-108 (2006)
7.	Mi-Sun Kim, Jin-Sook Baek, Jeong K. Lee, " Comparision of H2 accumulation by Rhodobacter sphaeroides KD131 and its uptake hydrogenase and PHB synthase deficient mutant", International Journal of Hydrogen Energy, Vol 31, 121-127.
8.	Eui-Jin Kim, Ju-Sim Kim, Mi-Sun Kim, Jong K. Lee, "Effect of changes in the level of light harvesting complexes of Rhodobacter sphaeroides on the photoheterotrophic production of hydrogen", International Journal of Hydrogen Energy, Vol 31, pp531-538 (2006)
9.	Jong Hyun Yoon, Ji Hae Shin, Mi-Sun Kim, Sang Jun Kim, Tai Hyun Park, "Eval‎!uation of conversion efficiency of light to hydrogen energy by Anabaena variabilis" , International Journal of Hydrogen Energy, Vol 31, pp721-727 (2006)
10.	Mi-Sun Kim, Jin-Sook Baek, Young-Su Yun, Sang Jun Sim, Sunghoon Park, Sun-Chang Kim, "Hydrogen production from Chlamydomonas reinhardtii biomass using a two-step conversion process: Anaerobic conversion and photosynthetic fermentation", International Journal of Hydrogen Energy, Vol 31, pp812-816 (2006)
11.	윤영수, 오유관, 이영우, 김미선, "하수슬러지 복합미생물에 의한 수소생산", 한국수소및신에너지학회 춘계학술대회 논문집, pp.93-98, 대구 (2006.6.16)
12.	오유관, 김은경, 윤영수, 이동렬, 김미선, "중공사막 여과장치를 장착한 CSTR 반응기를 이용한 혐기발효 수소생산", 한국수소및신에너지학회 춘계학술대회 논문집, pp.99-104, 대구 (2006.6.16)
13.	김의진, 진상훈, 김미선, 이정국, "Rhodospirillum rubrum에서의 자체 철 함유 수소효소의 발현증진 및 Clostridium acetobutylicum의 철함유 수소효소의 도입을 통한 수소생산 증진", 한국수소및신에너지학회 춘계학술대회 논문집, pp.111-115, 대구 (2006.6.16)
14.	김준표, 심상준, 김미선, "황결필 배양액에서의 pH 조절을 의한 연속수소생산", 한국수소및신에너지학회 춘계학술대회 논문집, pp.132-136, 대구 (2006.6.16)
15.	윤영수, 이영우, 오유관, 김미선, "하수슬러지 복합미생물에 의한 수소생산-분압과 C/N 비율의 영향", 한국화학공학회 봄학술대회초록집, p. 273 (2006. 4.20)
16.	Mi-Sun Kim, You-Kwan Oh, Young-Su Yun, Dong-Yeol Lee, " Fermentative hydrogen production from anaerobic bacteria using a membrane bioreactor", Proceeding of 16th World Hydrogen Energy Conference, p50 (2006.6.13)

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국문 : 이 연구(논문)은 과학기술부의 지원으로 수행하는 21세기 프론티어연구개발사업(수소에너지사업단)의 일환으로 수행되었습니다.

영문 : This Research(Paper) was performed for the Hydrogen Energy R&D Center, one of the 21st Century Frontier R&D Program, funded by the Ministry of Science and Technology of Ko

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