KRICT 한국화학연구원

- 차세대 유연 페로브스카이트 태양전지 상용화 앞당기는 롤투롤 기반 제조 공정 기술 개발
- 건물 일체형 태양광 발전, 자동차용 선루프 태양전지 등 신재생 에너지 분야의 사업화 기술 적용 기대

□ 국내 연구진이 유연 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 앞당길 수 있는 롤투롤 기반 제조 플랫폼 공정 기술을 개발했다.

   ○ 한국화학연구원 함동석 박사, 전북대학교 김민 교수 공동연구팀은 초고속 광소결 방법을 활용하여 기존 롤투롤 제조 공정시간을 

       5배 이상 감축하면서도 기존 연구에서 보고된 기술보다 2배 이상의 규모인 100cm2 모듈급 롤투롤 대면적 제조공정을 개발하였다.

□ 유연 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 기반의 태양전지에 비해서 가볍고 유연성이 뛰어나 건물 일체형 태양광 발전,

    자동차용 선루프(Sunroof) 태양전지, IoT용 배터리 등 많은 분야에 활용이 가능하다. 

   ○ 기존의 유연 페로브스카이트 태양전지 제작 방식은 비연속적인 배치형 코팅 방식을 많이 활용하였는데, 대량생산을 위해서는 반드시

       롤투롤 코팅 공정을 거쳐야 한다.

   ○ 그러나 롤투롤 공정은 일반 배치 공정과 달리 정해진 크기의 건조장치 내에서 샘플이 이동하기 때문에, 오랜 시간 동안 건조장치에 머물며

       열처리하기가 어려워 반드시 해결해야 할 문제로 지적되어 왔다. 

□ 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 초고속 광소결 기술*(IPL, intensive pulsed light)을 도입한 새로운 대면적 롤투롤 제조 공정을 개발했다.

    * 백만 분의 1초(마이크로초, μs) 단위의 짧은 시간 동안 강한 빛을 조사하여, 하부 기재 손상 없이 페로브스카이트 층을 빠르게 열처리하는 기술

   ○ 일반적으로 슬롯다이 코팅법을 이용하여 요오드화 납(PbI2)을 먼저 코팅한 후, 요오드화 포름암미디늄(FAI)을 순차적으로 코팅하는 방식으로

       페로브스카이트 막을 제조한다.

   ○ 이때 연구팀은 기존의 길고 고온의 열처리 과정을 대신해 초고속으로 강한 빛을 조사하는 IPL 공정을 적용하였다. 이때 더 많은 빛을 흡수하여

       IPL 공정의 효율을 높여줄 수 있는 ‘세슘 포르 메이트’(Cesium formate) 첨가제를 요오드화 납에 추가하였다. 

   ○ 개발된 공정은 기존 롤투롤 공정에서 반드시 필요한 10분 이상의 열처리 시간을 2분으로 단축하면서도 100cm² 이상의 대형 유연 모듈 제작이

       가능해져, 상업적 적용 가능성도 크게 확대되었다.

   ○ 한편 연구팀은 유연 태양전지의 수명을 대폭 향상시키기 위해 기존의 딱딱한 유리 기반 봉지기술*을 발전시켜, 투명 전극과 보호 성능을 모두 갖춘

       유연 필름 소재를 적용한 새로운 봉지기술도 개발하였다.

       * 수분 및 산소가 침투하지 못하게 하는 코팅층을 도입하여 외부 환경으로부터 소자를 보호함으로써 수명을 연장하는 공정 기술

   ○ 새로운 봉지기술을 적용한 필름은 기존 봉지필름 보다 40% 수준으로 얇아 25% 이상 유연한 특성을 보였다. 이를 통해 60˚C의 고온,

       90%의 고습도 환경에서도 태양전지의 내구성을 유지해 장기간 안정적으로 작동할 수 있다.

□ 화학연 함동석 박사는 "본 연구는 롤투롤 코팅 공정에 필요한 공정시간의 단축, 안정상 향상 측면에서 사업화를 위한 신공정 개발에 큰 의의가 있으며,

    본 기술을 응용하여 향후 다양한 산업에 적용될 수 있을 것으로 기대된다."라고 말했다.

   ○ 본 연구는 과학기술 분야 국제학술지인 에이씨에스 어플라이드 머티리얼스 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)와

       솔라 알알엘(Solar RRL)에 각각 5월 속표지(Supplementary Cover)와 7월 겉표지(Front cover) 논문에 연달아 게재되었다.

   ○ 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업의 지원을 받아 수행되었다.

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 - 스마트워치, 헬스케어 밴드 등에 활용 가능
 - 이온 겔 전기 이중층 활용해 누설전류 최소화, 발전량 13배
 - 재료·화학 과학기술 분야 국제학술지 ‘첨단 기능성 소재(어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈, Advanced Functional Materials)’ 2024년 9월 5일 표지논문

□ 국내 연구진이 마찰 전기 발전 소재의 성능을 13배 높인 기술을 개발했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 이수연, 김태호 박사팀은 최근 연구 논문에서 자체 개발한 이온겔 전기 이중층과 내구성이 좋은 양전하 소재를 적용해, 누설전류 최소화와 전력 생산 극대화, 1만회 반복 사용에도 성능 유지가 가능한 고출력 마찰 발전 소재 기술을 선보였다.

□ 정전기는 작고 쓸모없는 에너지로 인식되나, 운동 중에 신발과 바닥 사이의 마찰을 스마트워치 충전에 활용하는 등 소형기기에서 유용하게 쓰일 수 있다. 다만 구조적으로 전류가 누설되는 한계가 있다. 또한 출력이 낮고 반복적인 마찰로 마모 시 성능이 저하되는 문제도 있다.

□ 연구팀은 마찰 소재와 전극 사이에 ‘이온 겔 전기 이중층(iEDL, Ionic Electric Double Layer)’ 소재를 추가해 전류 누설 문제를 해결하고 전력 발생량을 높였다. ‘이온겔 전기 이중층’은 전해질과 전극 표면 사이에 형성되는 두 개의 전하 층을 의미하는데, 여기서는 이온성 액체를 얇게 굳힌 막을 이용해, 마찰 후 생성된 전하 상태가 유지되도록 안정적으로 고정시키는 역할을 맡았다.

  ㅇ 마찰전기 발전 성능 시연에서 iEDL 소재를 적용하지 않았을 때에 비해 일정 시간 동안 생산되는 전력의 양, 즉 전력 밀도는 13배(2→26W/㎡)로 증가되어, 매우 효율적인 발전 성능을 보여주었다.

  ㅇ 이 소재는 기계적 안정성이 뛰어나 찢어지거나 구멍이 생겨도 많은 전기를 생산해내는 높은 내구성도 가졌다. 1만회 반복 실험 결과 최대 출력 전압이 0.1V(볼트) 이내로 하락해, 매우 안정적인 성능을 보였다.

  ㅇ 또한 4.7µF(마이크로패럿)의 소용량부터 470µF의 대용량 기기까지 충전시킬 수 있는 성능을 보여주었으며, 오백원 크기의 마찰발전소자 1개는 100개의 소형 LED 전구(전구 1개당 50mW)를 밝힐 만큼 충분한 전원을 공급했다. 그만큼 주변의 다양한 전자기기에 적용할 수 있어 향후 활용 가능성이 높다.

□ 연구팀은 앞으로 후속 연구를 통해 발생된 전기를 동시에 효율적으로 저장할 수 있는 소자 개발과 고효율 독립 전원 시스템 구축이 성공한다면 2030년경 실용화가 가능할 것으로 예상하고 있다.

□ 연구팀은 2017년 상업화에 성공한 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 기술을 발전시켜, 폐플라스틱 열분해유 활용에 특화된 촉매 개발과 반응 조건 최적화를 통해 기존 상업화 기술의 한계를 극복했다. 

  ㅇ 연구진은 “기존 마찰전기 발전소자의 한계점인 낮은 출력전류와 내구성을 향상시켰다는 점에서 큰 의미가 있다”라고 말했다.

  ㅇ 화학연 이영국 원장은 “기존에 연구된 마찰전기 보조 전원기술에 대한 해결책으로써 웨어러블 기기, IoT 기기, 자가전원 센서 등 활용 영역이 확대될 것으로 기대한다.”라고 말했다.

  ㅇ 이번 논문은 재료·화학 과학기술 분야 국제학술지인 ‘첨단 기능성 소재 (어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈, Advanced Functional Materials, (IF : 18.5))’에 2024년 9월 표지논문으로 게재됐다.

  ㅇ 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

 - 폐플라스틱 열분해유 100% 활용 가능, 경질 올레핀 수율 27% 향상, 반응 온도 170℃ 저감, 불순물 제거를 위한 추가 수소화 과정 불필요한 촉매와 반응기 개발
 - 상용화를 염두에 둔 실제 폐기물 활용 파일럿 규모 연구, 산업계 신기술 수요에 대응 가능
 - 화학공학 분야 국제학술지 ACS sustainable chemistry & engineering 2024년 8월호 표지 논문

□ 폐플라스틱을 고열로 분해하여 얻는 폐플라스틱 열분해유*는 최근 많은 기업이 찾는 귀중한 자원으로 떠오르고 있다. 이를 활용하면 다양한 석유화학 제품을 생산하여 새로운 플라스틱을 만들 수 있기 때문이다. 관련하여 국내 연구진이 폐플라스틱 열분해유를 활용해 효율적으로 석유화학 제품을 생산하는 기술을 개발했다
   * 폐플라스틱 열분해유 : 플라스틱 폐기물을 고온에서 열분해하여 얻는 재생유

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 김도경·박용기 박사 연구팀은 최근 논문에서 폐플라스틱 열분해유를 사용해 플라스틱 원료인 경질 올레핀*을 친환경·경제적으로 생산하는 촉매와 반응기를 발표했다.
   * 경질 올레핀: 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌

  ㅇ 현재 확보한 촉매 공정 모델을 바탕으로, 향후 촉매와 공정의 스케일업 및 최적화 연구를 진행하여 2030년경 실증을 통해 국가 석유화학 산업의 경쟁력 강화와 탄소중립 구현에 기여할 것으로 기대된다.

□ 전 세계적으로 플라스틱의 무분별한 사용으로 인한 문제는 심각하다. 폐플라스틱으로 인한 환경 오염은 물론, 플라스틱 생산과 폐기 과정에서 발생하는 막대한 온실가스 배출도 큰 문제이다. 따라서 폐플라스틱의 재활용은 환경 문제 해결뿐만 아니라 탄소중립 달성에도 필수적이다. 

  ㅇ 이와 관련해 우리 정부는 폐플라스틱 재활용 확대를 위해 폐플라스틱 열분해유 사용 관련 제도를 정비했다. 환경부는 2022년 ‘폐기물관리법 시행규칙’ 개정으로 폐기물 재활용 유형에 폐플라스틱 열분해유를 추가했고, 산업부는 석유화학공정 원료로 석유만 허용하던 규정을 2024년 7월부터 폐플라스틱 열분해유도 허용하도록 변경했다.

  ㅇ 국제사회는 플라스틱 생산 규제 및 재활용 의무를 강화 중인데, 특히 올해 11월 부산에서 열리는 UN 플라스틱 오염 대응의 최종 협약 회의(INC-5)에 많은 관심이 집중되고 있다.

□ 폐플라스틱 열분해유는 나프타 분해 공정(NCC, Naphtha Cracking Center)의 원료(나프타) 대신 쓰여, 플라스틱 원료인 경질 올레핀을 만들 수 있다. 독일 바스프, 사우디아라비아 사빅 등 글로벌 기업과 국내 기업도 상업화를 시도 중이다. 그러나 이 기술은 기존의 석유 원료인 나프타와 폐플라스틱 열분해유의 물성 차이로 인해 한계가 있었다.

  ㅇ 우선, 기존 나프타는 탄소 수가 5~9개 사이로 구성된 반면 열분해유는 탄소 수가 5~44개로서, 나프타 성분이 약 20%에 불과하다. 따라서 열분해유의 약 20%만 나프타 분해 공정의 원료로 활용될 수 있다. 또한, 열분해유에는 나프타 분해 공정의 원료로 부적합한 다량의 올레핀과 다양한 불순물이 포함되어 있다. 이런 올레핀과 불순물을 제거하려면 고온·고압의 수소를 사용하는 수소화 공정이 추가로 필요하다. 마지막으로, 기존 공정은 850℃ 이상의 고온이 필요하다.

□ 연구팀은 2017년 상업화에 성공한 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 기술을 발전시켜, 폐플라스틱 열분해유 활용에 특화된 촉매 개발과 반응 조건 최적화를 통해 기존 상업화 기술의 한계를 극복했다. 

  ㅇ 화학연은 앞서 SK이노베이션과 협력하여 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 기술을 개발하고, 미국의 세계적 엔지니어링 기업인 KBR로 기술이전하여 2017년 세계 최초의 상업화에 성공했다. 기존 공정은 촉매 없이 가열 과정만으로 나프타를 분해하는 방식이나, 해당 기술은 촉매를 넣어 비교적 낮은 온도로, 나프타보다 탄소 사슬이 길고 불순물이 많은 석유 원료 또한 활용할 수 있다는 장점이 있었다. 

  ㅇ 연구팀은 기존에 개발한 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 기술을 발전시켜, 폐플라스틱 열분해유 분해에 특화된 촉매를 개발하고 반응 조건 최적화를 이뤄냈다.

  ㅇ 그 결과, 폐플라스틱 열분해유를 추가 수소화 과정 없이 100% 그대로 사용하더라도 기존 나프타 대비 더욱 높은 경질 올레핀 수율을 얻을 수 있었다. 이는 열분해유 내에 다량 포함된 올레핀이, 촉매가 없는 열분해에서는 찌꺼기가 생기는 원인이지만, 촉매 분해에서는 경질 올레핀으로 전환되는 유용한 성분임을 연구를 통해 확인한 결과이다.

  ㅇ 한편 촉매 분해 반응에서는 촉매 표면에 찌꺼기가 많이 쌓여 성능이 급격히 저하되는 문제가 있는데, 성능을 유지하려면 지속적인 촉매 재생(찌거기 제거 과정)이 필수적이다. 연구팀이 개발한 순환 유동층 반응기는 반응 부위에서 촉매(제올라이트 성형체)와 원료가 함께 움직이며 반응하고, 재생 부위에서는 비활성화된 촉매가 연속적으로 재생되는 구조로 만들어져, 이러한 문제를 해결할 수 있었다.

  ㅇ 연구팀이 만든 파일럿 규모의 촉매와 반응기를 사용해 기존 나프타 분해 공정보다 170℃ 낮은 680℃에서 폐플라스틱 열분해유를 투입한 결과, 경질 올레핀 수율이 나프타를 사용할 때(34.6%) 보다 27% 향상(44.1%)되었다. 또한, 폐플라스틱 열분해유를 시간당 1kg씩 24시간 연속 투입해도 성능이 유지되어 산업적 활용 가능성을 확인하였다.

□ 이번 연구는 상업화를 염두에 두고 진행되었다는 점에서 돋보인다.

  ㅇ 우선 화학연이 개발하고 상업화까지 성공한 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 기술을 바탕으로 이루어져 신뢰도가 있다.

  ㅇ 또한, 대부분의 논문들이 깨끗한 플라스틱을 재활용한 연구였던 반면, 이번 연구는 국내 업체에서 실제 생활계 폐플라스틱을 열분해하여 생산한 열분해유를 원료로 사용하고, 파일럿 규모의 반응기에서 연속 운전을 성공적으로 확인하여 상용화에 더 적합하다고 볼 수 있다.

  ㅇ 연구팀은 앞으로 실용화를 목표로 촉매 공정의 스케일업 연구 및 경제성, 환경성에 대한 상세 평가 등 후속 연구를 진행한 후, 2030년 실증 가능성을 검토할 계획이다.

  ㅇ 화학연 이영국 원장은 “이번 성과는 전 세계적으로 시장 선점 경쟁이 치열한 폐플라스틱 열분해유 활용의 대체 기술로서, 기존 기술에 비해 다양한 장점을 보유하고 있다.”며, “이 기술이 국가 석유화학산업 경쟁력 강화 및 탄소중립 구현에 기여할 것으로 생각한다.”라고 말했다.

□ 이번 논문은 화학 공정 과학기술 분야 국제학술지인 ‘미국 화학회 지속가능한 화학 및 엔지니어링(에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 앤드 엔지니어링, ACS sustainable chemistry & engineering (IF=7.9))’ 2024년 8월 표지 논문으로 게재됐다.

  ㅇ 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 석유대체 친환경 화학기술개발사업 및 국가과학기술 연구회 융합연구단 사업의 지원을 받아 수행됐다.