KRICT 한국화학연구원

 - 독성 금속 포함된 기존 상용 소재와 달리 인체 무해, 저렴한 구리-황 소재 활용한 열전 소재
 - 기존 화학적 합성법에 비해 간단하게 정밀한 구조로 대량 생산하고, 다양한 기판에 부착 가능
 - 40℃ 온도 차 환경에서 밀리와트 수준 전력 생성
 - 주변 온도 탐지 기능을 갖춘 스마트 장갑 센서 등 활용 가능

□ 국내 연구진이 물체 간 온도 차이로 발전이 가능한 열전 소재를 친환경적이고 경제적인 재료로 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 조동휘, 이정오, 이예리 박사 연구팀은 최근 고려대학교(총장 김동원) 전석우 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 비싸고 독성이 있는 기존 상용 열전 소재 재료 대신, 구리(Cu) 기판에 매우 저렴한 황(S)을 용액 형태로 처리한 구리 황화물(CuS) 나노구조 박막 제조 기술을 보고했다. 이번 연구 결과는 세계적 권위 국제학술지 ‘인포멧(InfoMat)’에 11월 표지 논문으로 게재됐다.

□ 발전소·선박·차량 등 산업 기계에서 발생하는 에너지의 65% 이상은 열로 손실되는 만큼 폐열을 전기로 바꾸는 열전 소재 연구가 활발하다. 상용 열전 소재인 비스무스 텔루라이드(Bi₂Te₃), 리드 텔루라이드(PbTe) 등의 합금 소재는 ZT(열전 성능 지수) 값이 1 이상의 높은 열-전기 변환 효율을 보인다. 다만 비싸고 독성이 있어 대량 생산 및 친환경 에너지 발전이 제한된다.

□ 연구팀은 인체에 무해하고 저렴한 구리 황화물(CuS)에 주목했다. 먼저 미세한 두께의 결정성 구리 호일을 황 용액에 담근 후, CuS가 결정화될 때까지 온도, 시간, 그리고 반응 농도를 정밀하게 제어하여 CuS의 성장 형태를 세밀하게 조절했으며, 성장 원리를 최초로 규명하였다.

  ㅇ 이 제조 방식은 기존의 화학적 합성법으로 CuS 나노입자를 만드는 방법보다 더 간단하고, 대면적 생산도 빠르게 할 수 있다. 만들어진 CuS 표면은 작은 구멍이 뚫린 미세 기둥들이 자라난 상태로서, 마치 빼곡한 오리털처럼 열 이동을 잘 막아준다. 열이 일부 구역에만 맴돌며 찬 구역과 온도 차이가 오래 유지될수록 열-전기 변환 효율은 높아진다.

  ㅇ 제작된 CuS 나노 구조 박막은 구리 호일의 습식 식각 공정을 통해, 기판에 반도체를 옮겨 심듯이 유연 기판 등 다양한 기판에 전사(잘라내 붙이기)가 가능하다. 이에 따라 고온 발생 기계의 폐열 회수, 웨어러블 기기의 최첨단 에너지 수확 시스템 등에 다양하게 적용할 수 있다.

  ㅇ 개발된 CuS 나노 구조 박막은 650K(367.85℃)에서 ZT 값 0.91을 기록해 기존 상용 열전 소재와 비교할 수 있는 매우 높은 열전 성능을 보여주었으며, 300~400℃ 범위의 산업 기계에 적합할 것으로 예상된다. 또한, 40K(40℃)의 온도 차가 발생할 경우 CuS 기반 열전 발전기를 사용하여 저전력 센서에 활용 가능한 밀리와트 수준의 전력을 생산할 수 있다. 다양한 기판에 쉽게 옮길 수 있는 특징 덕분에 개발한 박막을 장갑에 적용해, 무선 온도 탐지 기능을 추가한 스마트 장갑도 만들 수 있었다.

□ 연구팀은 향후 CuS 박막을 다양한 웨어러블 기기와 에너지 하베스팅 기술에 적용하여 상용화할 계획이다. 이를 통해 전 세계적으로 에너지 효율성을 높이고, 온실가스 배출을 줄이는 데 기여할 것으로 기대된다.

  ㅇ 연구진은 “기존 상용 소재보다 저렴한 재료로 원하는 구조를 정밀하게 만들었고, 대량 생산이 가능하다는 점이 차별성”이라고 말했다. 또한 화학연 이영국 원장은 “친환경 열전 박막 소재가 폐열 회수 시장 개척 및 웨어러블 기기 제품 혁신으로 이어져, 미래의 에너지 문제 해결에 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.”라고 말했다.

  ㅇ 이번 논문은 재료·화학 과학기술 분야 국제학술지인 ‘재료 정보(인포맷, InfoMat, (IF : 22.7))’에 2024년 11월 표지논문으로 게재됐다. 화학연 이예리·이건희 박사, 고려대 최명우 박사가 공동 1저자로 참여했다. 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 정보융합기술단의 지원을 받아 수행됐다.

 - 12월 5일(목) 오후 3시 울산전시컨벤션센터(UECO)에서 울산지역 사업성과 발표회 개최
 - 울산지역 화학산업 지원 성과 및 계획 소개, 국가R&D 화학산업 분야 추진 동향 전문가 강연 등 진행

□ 한국화학연구원(원장 이영국)은 울산지역 산업계와 협력한 성과를 공유하기 위해, 12월 5일 오후 3시  울산전시컨벤션센터(UECO)에서 「2024 한국화학연구원 울산지역 산업진흥 성과 발표회」를 개최한다고 밝혔다. 

  ㅇ 이번 성과 발표회에는 화학연 정밀？바이오화학연구본부 연구자와  울산 지역기업 관계자 등 100여 명의 전문가가 참석할 예정이다. 발표회는 1부 성과발표 및 추진계획 소개와 2부 전문가 강연으로 구성되어 있다.

□ 1부에서는 화학연, 울산시, 산업계가 함께한 다양한 기술개발？사업화 우수성과와 비전이 공유될 예정이다. 화학연과 울산시는 지역기업의 R&D 역량 강화를 위해 2006년부터 18년간 「울산시-화학연 기술협력사업」을 공동 지원하고 있다. 또한 생분해성  플라스틱 제품 실증 사업, 바이오화학소재 공인인증센터 등 기업지원 기반 구축에 있어서도 긴밀하게 협력 중이다.

  ㅇ 발표회는 화학연 임우리 책임의 ‘울산 산업진흥 기술협력 지원사업 현황과  화학산업기술지원센터 설치 및 추진계획’소개로 시작된 후, 연구성과 공유가 차례대로 이어진다.

  ㅇ 우선 ？화학연 유영창 책임이 울산시-화학연 기술협력사업 우수 사례인 ‘케이에스케미칼㈜의 불소실리콘 소재 합성 및 선박도료용 고기능성 소포제 개발 성공 사례’를 소개한다. ？화학연 박종목 화학산업기술지원센터장과 ㈜유이케미칼 김성철 대표는 국가연구개발사업 공동연구 우수 사례 ‘외피 바이러스에 대한 새로운 친환경방역기술 개발’을, ？화학연 임충선 책임과 ㈜엠티지 김천식 대표는 ‘자동차-화학 융합산업 기술개발사업 성과’로 용접 대체용 실란트/접착체 개발 사례를 발표한다.

  ㅇ 사업화 및 실증 등 울산지역 기업 지원에 대한 소개도 이어진다. ？화학연 김현국 책임과 ㈜케미폴리오 박용범 팀장이 ‘카다놀을 활용한 화이트바이오 소재 및 에너지사업’을 통한 기업 사업화 추진 계획에 대해 소개하고, ？화학연 박익범 선임과 ㈜씨엠원 이태훈 수석은 ‘지역 첨단화학소재 기술개발 지원사업 성과’를, ？화학연 신기영 선임은 국내 최초 생분해 시험평가 KOLAS 인정을 바탕으로 ‘바이오화학소재 공인인증센터 소개’를 할 예정이다. 1부 마지막으로는 ？화학연 전현열 선임이 ‘수요 맞춤형 생분해성 플라스틱 제품화 및 실증사업 성과’를 발표한다.

□ 2부에서는 국가연구개발사업 최신 기술 및 정책 정보 등 추진 동향을 제공할 예정이며, 한국소재융합연구원 연구정책전문위원인 한정우 전 KEIT(한국산업기술기획평가원) PD의 강연으로 진행된다.

  ㅇ 강연은 ‘산업통상자원부 화학분야 지원성과 및 2025년 R&D 지원방향 소개’를 주제로 국가연구개발사업과 울산지역 화학산업의 연계방안을 모색한다.
       
  ㅇ 마지막으로 울산 지역기업과의 협업？공동연구 과제 발굴을 위한 네트워킹의 장도 열린다.

□ 한편, 화학연은 울산지역 산업 혁신 역량을 강화하기 위해 2012년 3월 출연연 최초로 울산 지역조직인 그린정밀화학연구센터를 개소했다. 이어 울산 화학산업의 신산업 전환을 선도하고자 2016년 바이오화학실용화센터를 개소한 바 있다. 두 센터는 2020년 이래 국가연구개발 우수성과 100선에 3차례 선정*되며 지역 화학산업의 싱크탱크로서 두각을 드러내고 있다.
     * 입김을 불면 색이 변해 상품의 위변조를 방지할 수 있는 카멜레온 필름 기술(2020), 비닐봉투용 고강도 생분해성 플라스틱 제조 기술(2020), 인공세포 속에 있는 바이오산업 원료를 원하는 대로 추출하는 신개념 합성생물학 기반 기술(2023)

□ 서봉국 화학연 정밀？바이오화학연구본부장(울산 본부장)은 “이번 행사는 화학연이 울산지역 화학 산업계를 육성·지원한 성과를 되돌아보고, 지역 산업계와의 유기적 협력관계를 더욱 강화하기 위해 마련했다.”며, “당면한 지역 석유화학산업의 위기를 수요 밀착형 고부가 정밀화학소재와 저탄소형 바이오화학소재 연구개발로 극복해나가는 계기로 삼고 기술 혁신의 동력을 계속 이어나가겠다.”고 말했다.

- 클래리베이트 애널리틱스(Clarivate Analytics)가 발표한 ‘세계 최고 영향력 연구자’로 3년 연속 선정
- 페로브스카이트 태양전지 분야 세계 최고 효율 거듭 경신, 산업계와의 협업을 통해 상용화 적극 추진

□ 한국화학연구원(KRICT) 전남중 책임연구원이 미국 클래리베이트 애널리틱스(Clarivate Analytics)가 발표한 2024년 세계 최고 영향력 연구자

    (Highly Cited Researchers, 이하 HCR)로 선정되었다. 전남중 박사는 최근 3년 동안 정부출연연구기관 소속 연구자 중 유일하게

    3년 연속 HCR로 선정되는 기록을 달성한 인물로 자리매김했다.

   ○ HCR은 각 분야에서 지난 10년간 피인용 횟수 상위 1%에 해당하는 논문을 가장 많이 발표한 연구자들에게 주어지는 영예이다.

       전 세계 연구자의 상위 0.1%만이 선정되는 권위 있는 지표로, 올해는 59개 국가에서 6,636명의 연구자만이 HCR로 선정됐다.

       특히 국내에서는 올해 기준으로 3년 이상 연속 선정된 연구자가 약 44명에 불과해 전 박사의 성과는 한국 과학기술계에서 큰 의미를 갖는다.

□ 전남중 박사 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 분야에서 세계 최고 효율을 거듭 경신하고 있다. 그리고 단순 효율 향상을 넘어,

    관련 기술의 상용화에도 적극 나서고 있다는 점에서 학문적 성과와 산업적 기여를 동시에 실현하고 있다는 평가를 받고 있다.

   ○ 실제로 ’23년 3월 페로브스카이트 태양전지 200cm2 이상 대면적 셀의 세계 최고 효율인 18.24%를 달성하였고, ’24년 5월에는

       중국이 보유하던 대면적 효율인 19.2%를 넘어서는 세계 최고 효율을 20.6%로 다시 한번 달성하였다. 

   ○ 또한 이미 산업계와의 협력을 통해 실질적인 성과를 내고 있다. ㈜유니테스트(Unitest)와 협력해 페로브스카이트 태양전지 용액 공정 기술의

       상용화를 목전에 두고 있으며, 건식 진공증착 공정 기술을 ㈜셀코스로 기술이전한 바 있다. 이러한 노력은 차세대 에너지 산업의

       새로운 장을 여는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.

   ○ 화학연 전남중 박사는 “끊임없는 연구와 산업계와의 협력을 통해 페로브스카이트 태양전지 분야에서 세계 최고 효율을 유지하는 것은 물론,

       기술산업화를 가속화하고 이를 통해 실질적인 에너지 전환에 기여하고자 한다.”고 밝혔다.

   ○ 이번 선정은 한국화학연구원과 전남중 박사 연구팀의 연구 역량이 세계적으로 인정받았음을 증명하며, 대한민국 과학기술계가 글로벌 연구 및

       산업 생태계에서 중요한 역할을 하고 있음을 다시 한번 확인시켜 주었다.

 - 전극과 전자 수송층 사이에 중간층 도입, 페로브스카이트 필름층에 첨가제 추가를 통해 성능 개선
 - 주석 페로브스카이트 태양전지 세계 최고 수준의 성능 (효율 14.0%, 1,300시간 성능 80% 이상 유지)
 - 미국 화학회 에너지 과학 저널인 ACS Energy Letters(IF : 19.5) 2024년 2월 논문 온라인 게재, 3월 표지 논문 선정
 - 친환경 소재 및 에너지 분야의 저명 학술지 EcoMat(IF : 10.7) 2024년 10월 논문 온라인 게재

□ 국내 연구진이 독성 금속인 납을 빼고 주석을 주원료로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 계속 향상시키고 있다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국) 송창은 박사 연구팀은 최근 고려대학교(총장 김동원) 임상혁 교수, 성균관대학교(총장 유지범) 정재기 교수, 케냐 나이로비대학교 Elijah Omollo Ayi 교수 연구팀과 공동 연구를 통해, 주석 기반 페로브스카이트 태양전지에 중간층을 도입하거나 첨가제를 넣어 효율과 안정성을 개선하는 기술을 논문으로 발표했다.

□ 페로브스카이트 태양전지는 경제성 덕분에 차세대 태양전지로 유망하다. 페로브스카이트는 특정한 구조의 물질을 모두 포함하는 용어인데, 특히 납이나 주석으로 만든 페로브스카이트 구조 결정은 빛을 전기로 바꾸는 특성이 우수하다. 두 재료 중 납은 효율이 더 높지만 독성으로 인한 잠재적 위험성이 있고, 주석은 친환경적이나 효율이 낮다는 한계가 있다.

  ㅇ 그 중 주석 페로브스카이트 태양전지의 경우 주석 이온(Sn²+)이 공기 중 산소와 만나 쉽게 산화되는 큰 문제가 있다. 이는 결함으로 이어져 안정성을 낮추고, 전하 이동을 방해해 빛-전기 변환 효율도 저하된다. 연구자들은 전하 이동을 높이는 물질로 10.1%의 효율을 얻거나, 결함감소용 첨가제를 넣어 12.2%로 높이는 등 다양한 시도를 하고 있다.

□ 이번 송창은 박사 연구팀은 논문 2건을 발표하며 새로운 기술을 접목하여 주석 페로브스카이트 태양전지의 효율 및 안정성을 높였다.

  ㅇ 2월 논문에서는 태양전지 전극과 전자 수송층 사이에 중간층으로 ‘페릴렌 디이미드’ 소재를 추가해 개선했다. 중간층이 할로겐 및 금속 이온 이동을 막는 한편, 구리 전극과 전자 수송층 간 차이가 나는 에너지 격차 장벽을 줄여줘 전자 이동이 원활해지도록 도와주었다.

  ㅇ 또한 그동안 밝히지 못했던 구리 전극 금속 원자의 전지 내부 침투 문제, 페로브스카이트 층에서 할로겐 이온의 불안정한 이동 문제를 극복해 성능 및 안정성을 제어한 최초의 사례라는 점에서 의미있다.

  ㅇ 10월 논문에서는 2월 논문 기술과 함께, 페로브스카이트 필름층에 ‘어븀 염화물(ErCl3)’도 첨가했다. 첨가제는 주석이 산화되는 것을 방지하는 역할과 함께, 액체 상태의 페로브스카이트가 필름으로 굳을 때 균일하고 큰 결정 생성을 통해 결함을 줄이고 전자 이동을 도와줬다.

  ㅇ 기술 평가 결과 2월 논문에서는 13.05%의 광-전 변환 효율과 1천 시간 후 초기 성능의 80%를 유지했으며, 10월 논문에서는 효율 14.0%, 1,300시간 후 80% 상태를 유지하는 등 거듭 성능을 높이고 있다.

□ 실용화를 위해선 추가 성능 개선과 함께 대규모 생산 시 성능 유지, 외부 환경에서 고온·습기·자외선에 대한 장기 안정성 검증이 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 연구진은 “화학연이 보유한 세계 최고 수준의 납 기반 페로브스카이트 태양전지 소재·소자·공정 기술 노하우를 바탕으로, 이번 성과가 주석 기반 차세대 기술 개발의 전환점이 될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다. 또한 화학연 이영국 원장은 “친환경 차세대 태양전지 분야 기술 경쟁력을 높이고, 미래 시장 선점에 기여할 것으로 기대한다.”라고 말했다.

  ㅇ 이번 성과는 국제적 권위의 미국 화학회 에너지 과학 저널인 ACS Energy Letters(IF : 19.5) 표지 논문 선정, 친환경 소재 및 에너지 분야의 저명 학술지 EcoMat(IF : 10.7) 게재 등 혁신성을 인정받았으며, 류두현 박사과정생(화학연·고려대)이 주도적으로 수행한 결과이다.

  ㅇ 또한 이번 성과는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 글로벌 공동연구 촉진사업의 지원을 받아 수행됐다.