KRICT 한국화학연구원

 - 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.

- 전기화 기술로 촉매 반응 속도와 수소 추출 효율을 극대화한 수소 경제 핵심기술 개발
- 신속하고 안정적인 수소 공급이 가능하여, 온보드 수소 모빌리티에 직접 적용할 것으로 기대

□ 국내 연구진이 전기화를 통해 우수한 수소 추출 효율 및 반응 속도까지 확보한 수소 경제 핵심기술을 개발하였다.

   ○ 한국화학연구원 김상준·박지훈 박사, 서울대학교 한정우 교수 공동연구팀은 화석연료 대신 전기로 촉매를 직접 가열하는

       ‘전자기 유도 촉매 가열 시스템(ECIHS)*’을 도입했다. 이를 통해 촉매 반응 속도와 수소 추출 효율을 대폭 향상시키는

       수소 저장·운송 기술을 개발했다.* ECIHS: Electrified Catalytic Inductive Heating System

□ 글로벌 탄소중립 기조에 따라 친환경 에너지 사용 기술 개발이 시급한 가운데, 수소 에너지는 청정한 에너지원으로

    주목받고 있다. 특히 정부가 발표한 '12대 국가전략기술' 중 하나로 포함되며, 그 중요성이 더욱 부각되고 있다.

   ○ 하지만 수소는 부피가 크고 폭발 위험이 높아 안전하고 효율적인 저장·운반 기술이 반드시 필요하다. 이를 해결하는

       ‘액상 유기물 수소 운반체*(LOHC)’ 기술은 수소를 액체 상태로 상온·상압에서 안전하게 저장 및 운반할 수 있다.

       또한, 기존 유조차를 활용해 운송 가능하여 추가 인프라 비용을 절감할 수 있는 큰 장점이 있다.

       * LOHC: Liquid Organic Hydrogen Carrier

   ○ 그러나 기존 LOHC 수소 추출 방식은 외부에서 반응기를 가열하는 방식을 주로 사용해, 에너지 소모가 크고 반응 속도가

       느리며 부수 반응이 발생하는 등의 문제를 해결하여 수소 추출 효율을 더욱 향상시키는 연구가 필요하다.

   ○ 특히 기존의 LOHC 수소 추출 방식이 액체 상태인 반응물(LOHC)과 고체 상태의 촉매, 그리고 기체 상태의 생성물인 수소가

       섞이는 복잡한 환경에서, 불가피하게 외부에서 촉매를 직접 가열할 수밖에 없었다. 

□ 이를 개선하기 위해 연구팀은 ‘전자기 유도 촉매 가열 시스템’ 방식을 도입했다. 전기로 촉매를 직접 가열하여 기존 기술 대비

    월등히 빠른 반응 속도와 수소 추출 효율, 안정성 등을 확보하였다.

   ○ 전자기파를 이용해 촉매 자체에서 열을 발생시키는 이 방법은, 반응 용액 전체를 가열하지 않고 필요한 부분만 빠르게 가열하여

       에너지 손실을 줄이고 반응 속도를 향상시킬 수 있다.

   ○ 이를 위해 연구팀은 전자기파에 의해 효율적으로 발열되는 특수한 소재인 ‘티타늄 실리콘 카바이드*’를 벌집 모양의 촉매 지지체로

       활용하여 열 전달 효율을 높였다. 또한 촉매의 반응 성능을 높이기 위해 백금(Pt)에 황(S)을 첨가한 촉매를 사용하여,

       적은 발열 에너지로도 효율적인 수소 추출이 가능하도록 했다.

      * Titanium Silicon Carbide(Ti3SiC2) : 금속과 세라믹의 성질을 동시에 가진 독특한 소재로, 촉매 반응에서 열을 효과적으로 전달하는 특성을 가짐.

   ○ 그 결과, LOHC 물질에서 수소를 추출하는 과정에서 기존 외부가열 방식 대비 16.4배 빠른 반응 속도와 2배 이상의 높은 수소 추출 효율을

       달성하였다. 또한, 200시간 이상 안정적인 수소 생산을 통해 장기적인 안정성도 입증하였다.

   ○ 연구팀은 모형 수소차 실험을 통해 3초 내에 수소 발생, 11.34초 만에 수소차 운행이 가능함을 확인했다. 이를 통해 온보드(On-Board)

       수소 모빌리티로의 직접 적용 가능성을 입증했다.

□ 화학연 김상준 박사는 “이번 성과는 액상 촉매 반응의 비효율성을 극복하고 수소 경제 핵심 기술로 자리잡을 가능성을 보여준다”면서,

    "향후 지속적인 연구를 통해 수소 기술 상용화를 추진하겠다”고 밝혔다.

   ○ 이번 연구는 에너지 분야의 권위지인 '줄(Joule, IF: 38.6)' 8월 호에 게재되었으며, 한국화학연구원 자체사업인 K-solution R&D 사업의

       지원을 받아 수행되었다.

 - 2023년 이영국 원장 부임 후 윤리경영실 신설, 윤리경영 기본계획 수립 등 윤리경영 내재화 노력

□ 한국화학연구원(원장 이영국)은 한국생산성본부인증원(원장 강장진)으로부터 국제표준 부패방지경영시스템인 ‘ISO 37001’ 인증을 획득했다. 

  ㅇ 인증서 수여는 11월 21일 화학연 중회의실에서 화학연 이영국 원장과 인증원 임미정 부원장 등이 참석한 가운데 진행되었다.

□  ISO 37001은 국제표준화기구(ISO)가 2016년 10월 제정한 부패방지 표준 규격으로 반부패 목표 설정부터 부패위험 진단, 통제방안 수립, 부패방지 모니터링 활동까지 건전한 경영을 위한 다양한 활동을 종합적으로 심사하여 인증을 부여한다.

□  화학연은 이영국 원장 부임 이후 윤리경영실을 신설하고, 윤리경영 기본계획을 수립하는 등 기관의 윤리경영 내재화를 위해 노력해 왔다.

  ㅇ 특히 올해는 기관 윤리 경영기반 강화의 일환으로 내부조직 진단 및 계획 수립, 실행 및 점검, 개선 절차를 충실히 거쳤다. 이후 엄격한 인증심사를 통해 기관의 부패방지경영시스템이 국제표준에서 요구하는 수준에 걸맞음을 공식적으로 인정받게 됐다.

  ㅇ 화학연 이영국 원장은 “대외적으로는 친환경 화학기술 개발을 통해 국가·사회적 이슈 해결에 앞장서고, 내부적으로는 투명하고 청렴한 조직 문화를 지속적으로 확산하여 국민에게 신뢰받는 연구기관이 되겠다”고 밝혔다.

  ㅇ 화학연은 ISO 37001 인증을 시작으로 부패 취약 분야의 꾸준한 개선을 통해 기관의 부패방지경영체제를 더욱 굳건히 정착시켜 나갈 계획이다.

< 화학연 ISO37001(부패방지경영시스템) 인증 수여식 단체 기념 촬영 (왼쪽부터 인증원 최윤석 전문위원, 이다혜 전문위원, 임미정 부원장, 화학연 이영국 원장, 조승목 경영기획본부장, 오우영 행정관리본부장, 장진호 윤리경영실장) >

- 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.