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UNIST 연구 성과 분석 보고서: 에너지 저장, 해수 담수화, 폐플라스틱 활용 및 투명 태양전지 기술

일일 보고서 2024년 08월 21일
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목차

  1. 요약
  2. 해수 담수화 및 에너지 저장 기술
  3. 폐플라스틱 활용 탄소나노튜브 생산 기술
  4. 투명 태양전지 개발
  5. 페로브스카이트 태양전지 성능 개선 기술
  6. 결론

1. 요약

  • 이 보고서는 울산과학기술원(UNIST)에서 진행한 연구 성과를 분석하여 에너지 저장과 해수 담수화 기술, 폐플라스틱을 활용한 탄소나노튜브 생산 기술, 투명 태양전지 개발, 그리고 페로브스카이트 태양전지 성능 개선 기술을 중점적으로 다룹니다. UNIST 연구진은 담수배터리를 개발하여 바닷물을 민물로 전환하면서 전기 저장을 가능하게 했고, 폐플라스틱을 탄소나노튜브로 전환하는 친환경 공정을 개발했습니다. 또한, 투명 태양전지와 페로브스카이트 태양전지 기술을 통해 청정에너지 효율성을 높이는 연구를 진행했습니다. 각 기술은 높은 경제적 타당성과 상용화 가능성을 보이며, 지속 가능한 발전과 환경 문제 해결에 기여할 것입니다.

2. 해수 담수화 및 에너지 저장 기술

  • 2-1. 담수배터리 개발 배경

  • 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과의 안광진 교수팀과 김영식 교수팀은 바닷물을 민물로 전환하면서 전기 또한 저장할 수 있는 '담수배터리'를 개발했습니다. 이 연구는 기후변화로 인한 물 부족 현상을 해결하기 위한 해수담수화 기술의 새로운 가능성을 제시합니다. 기존의 해수담수화 기술은 많은 에너지를 소비하는 문제점이 있었으나, 이번 개발은 에너지 절약과 지속 가능한 담수화를 동시에 실현했습니다.

  • 2-2. 염소 포집 및 제거 기술

  • 담수배터리는 충전과 방전 과정에서 염소(Cl)를 반복적으로 포집하여 탈염 효율을 높였습니다. 충전 시에는 염소를 포집하고 방전 시에는 포집된 염소를 배출하는 방식으로, 염화이온(Cl-)을 형성합니다. 기존의 해수배터리 기술에서는 염소의 60%가 전극에 달라붙어 재사용이 어렵다는 문제가 있었으나, UNIST의 담수배터리는 염소의 99% 이상을 제거하여 높은 재생능력을 보였습니다.

  • 2-3. 담수화 및 에너지 저장 결합 효과

  • 담수배터리는 해수담수화와 전기 저장을 동시에 할 수 있는 특징을 가지고 있습니다. 이 배터리는 바닷물을 민물로 변환하면서 그 과정에서 발생하는 에너지를 저장할 수 있으며, 이를 필요 시 재사용할 수 있습니다. 연구팀은 375mL의 염도 3.9%의 해수를 약 0.7% 수준까지 담수화하는 데 성공했습니다. 이는 담수배터리가 해수를 공업용수 수준까지 탈염할 수 있음을 의미합니다.

  • 2-4. 경제적 타당성 및 상용화 가능성

  • 담수배터리는 해수담수화 장비와 에너지 저장용 배터리를 하나로 통합하여 설비 비용을 절감할 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 또한, 음이온교환수지를 이용한 염소 포집 기술을 통해 추가적인 에너지 소모 없이 배터리의 재생이 가능합니다. 이러한 기술적 특성은 지속 가능한 해수담수화와 에너지 저장의 가능성을 높여줍니다. 연구팀은 이번 연구 성과가 차세대 해수담수화 기술로서 상용화될 가능성을 더욱 높여줄 것이라고 설명했습니다. 이번 연구 결과는 국제학술지 'ACS Energy Letters'에 2024년 5월 16일자로 게재되었습니다.

3. 폐플라스틱 활용 탄소나노튜브 생산 기술

  • 3-1. 기술 개발 배경 및 필요성

  • 폐플라스틱 문제는 환경오염과 자원 고갈 문제로 대두되고 있으며 이를 해결하기 위한 방안으로 폐플라스틱을 고부가가치 소재인 탄소나노튜브(CNT)로 전환하는 연구가 필요합니다. UNIST 연구진은 이러한 문제를 해결하고자 폐플라스틱을 활용하여 경제적이고 친환경적인 방식으로 탄소나노튜브를 대량 생산하는 기술을 개발했습니다.

  • 3-2. 폐플라스틱 열분해 공정

  • 이 기술은 폐플라스틱을 열분해하여 메탄, 에틸렌, 프로필렌과 같은 탄화수소 가스로 변환한 뒤, 고온에서 처리하여 탄소나노튜브로 전환하는 방식입니다. 이 과정에서 폐플라스틱을 열분해하여 생성된 혼합 가스를 이용해 탄소나노튜브를 생산하며, 기존의 메탄 및 수소 기반 공장 대비 이산화탄소 배출량이 적어 친환경적입니다. 또한 폐기물 분리 과정 없이도 가스를 처리할 수 있는 장점이 있습니다.

  • 3-3. 탄소나노튜브 특성 및 활용도

  • 탄소나노튜브는 원통형 모양의 나노 구조를 가지며, 열적, 전기적, 기계적 특성이 우수하여 전도성 소재, 자동차 부품, 배터리 도전재 등으로 사용될 수 있습니다. UNIST 연구진이 개발한 기술로 생산된 탄소나노튜브는 다양한 산업에 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

  • 3-4. 환경적 타당성 및 탄소중립 전략

  • UNIST 연구진은 실험 데이터를 기반으로 탄소나노튜브 생산의 경제적, 환경적 평가를 진행한 결과 공정 타당성을 확인했습니다. 또한 재생에너지 전력 수급을 고려한 시나리오 분석을 통해 이산화탄소 배출량 저감에 기여할 수 있는 탄소중립 전략도 도출했습니다. 이러한 기술은 환경 문제 해결과 동시에 에너지 안보에도 기여할 수 있는 가능성을 가지고 있습니다.

4. 투명 태양전지 개발

  • 4-1. 투명 태양전지 개발 배경

  • 울산과학기술원(UNIST) 서관용 교수팀은 투명한 태양전지 모듈을 개발하며 새로운 형태의 태양광 충전 기술을 선보였습니다. 유리처럼 무색투명한 특성을 유지하면서도 높은 효율을 구현한 투명 태양전지를 통해, 스마트폰 화면에서 배터리를 직접 충전할 수 있는 기술을 발표하였습니다. 새로운 소자 구조와 후면전극형 디자인을 도입하여 투명성을 지원하면서도 효율적인 에너지 생산이 가능해졌습니다.

  • 4-2. 후면전극형 디자인의 장점

  • 후면전극형(All-back-contact) 디자인은 태양전지의 모든 구성 요소를 후면에 배치하여 기존의 불투명한 금속 와이어와 소자 간 간격 문제를 해결하였습니다. 이 디자인을 통해 절연성과 심미성을 동시에 확보할 수 있었습니다. 후면전극형 모듈은 16㎠ 크기에서 14.7%의 높은 효율을 보이며, 투과도를 20%에서 보유하고 있습니다. 기존의 미관 손상 문제를 해결한 디자인으로, 많은 응용 분야에 적용 가능합니다.

  • 4-3. 스마트폰 및 모바일 기기 응용

  • 개발된 투명 태양전지 모듈을 스마트폰 화면에 적용하여 자연 태양광을 이용한 충전이 가능하다는 것을 입증하였습니다. 이 기술은 스마트폰과 같은 소형 모바일 기기의 에너지원으로 활용될 수 있으며, 건물 유리창 및 자동차 유리에도 적용이 가능해 다양한 산업 분야에서 사용할 수 있는 가능성을 제시하였습니다.

  • 4-4. 상용화 가능성 및 추가 연구 계획

  • 서관용 교수팀은 투명 태양전지의 상용화를 위해 필수적인 모듈화 연구의 새로운 길을 열었으며, 추가 연구를 지속해나갈 계획입니다. 이는 건물 및 자동차 유리창 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있으며, 친환경 미래 에너지 산업의 핵심 기술로 자리 잡을 가능성을 가지고 있습니다. 연구 결과는 2024년 8월 7일 국제 학술지 PNAS에 공개되었습니다.

5. 페로브스카이트 태양전지 성능 개선 기술

  • 5-1. 페로브스카이트 태양전지의 문제점

  • 페로브스카이트 태양전지는 높은 효율과 저렴한 제조 비용 덕분에 주목받았습니다. 그러나 여러 결함 문제로 인해 상용화가 어려웠습니다. 특히, 구조의 불규칙성은 결함을 유발해 전하 이동 특성을 저하시키고, 효율성과 안정성을 떨어뜨렸습니다.

  • 5-2. 양방향 조율 분자를 통한 결함 극복

  • UNIST 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 결함 문제를 해결하기 위해 트리플루오로아세테이트(TFA-)라는 특수한 이온을 도입했습니다. 이 이온은 페로브스카이트와 전자수송층인 주석산화물 박막 사이에 삽입되어 구조를 안정시키고, 불규칙성을 줄이는 데 성공했습니다. 특히 TFA-의 카복실레이트 그룹(-COO-)은 주석산화물에 단단히 붙어 구조를 안정시켰고, -CF3 그룹은 페로브스카이트 층과 상호작용하여 결함을 효과적으로 감소시켰습니다.

  • 5-3. 효율성 및 안정성 향상

  • UNIST 연구팀의 새로운 기술로 제작된 페로브스카이트 태양전지는 25.60%의 높은 효율을 기록했습니다. 또한, 장시간 빛을 받는 상황에서도 뛰어난 안정성을 유지했습니다. 이는 페로브스카이트 박막의 불규칙한 구조를 제어하고, 전하가 이동하는 특성을 크게 개선한 결과입니다.

  • 5-4. 상용화 가능성과 향후 연구

  • 김동석 교수는 "페로브스카이트 박막의 하부 결함을 극복하는 중요한 돌파구를 마련했다"며 "이 성과는 페로브스카이트 태양전지의 상업화 가능성을 한층 더 높여줄 것"이라고 언급했습니다. 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 7월 'Energy & Environmental Science' 온라인 저널에 게재되었습니다.

6. 결론

  • 본 보고서는 UNIST 연구진이 개발한 다양한 혁신 기술의 성과를 종합적으로 분석하였으며, 이들이 가진 의미와 중요성을 평가하였습니다. 담수배터리는 지속 가능한 해수 담수화와 에너지 저장의 새로운 가능성을 제시하였고, 폐플라스틱을 탄소나노튜브로 전환하는 기술은 환경 보호 및 자원 절약에 기여할 수 있습니다. 투명 태양전지와 페로브스카이트 태양전지 기술은 높은 효율과 다양한 응용 가능성을 통해 청정에너지 생산과 에너지 효율성 향상에 중요한 역할을 할 것입니다. 그러나 각 기술의 상용화 및 널리 확산되기 위해서는 추가 연구와 개선이 필요합니다. 앞으로 이러한 기술은 글로벌 에너지 문제 해결과 환경 보호에 큰 기여를 할 것으로 기대되며, 특히 UNIST의 지속적인 연구와 발전이 중요한 역할을 할 것입니다.

7. 용어집

  • 7-1. UNIST [연구기관]

  • 울산과학기술원, 에너지 저장과 해수 담수화, 폐플라스틱 활용, 투명 태양전지 등 다양한 혁신 기술을 개발하고 있는 연구기관.

  • 7-2. 담수배터리 [기술]

  • 바닷물을 민물로 바꾸면서 전기 에너지를 저장하는 기술. 염소 포집 및 제거, 경제적 타당성 및 상용화 가능성 등 분석.

  • 7-3. 탄소나노튜브 [소재]

  • 고부가가치 나노 소재로, 폐플라스틱을 활용해 제작되는 기술 및 환경적 타당성, 탄소중립 전략.

  • 7-4. 투명 태양전지 [기술]

  • 스마트폰 및 모바일 기기, 건물 유리에 적용 가능한 기술로, 투명한 상태에서 높은 효율을 발휘함.

  • 7-5. 페로브스카이트 태양전지 [기술]

  • 효율성과 안정성이 높은 차세대 태양전지 기술로, 양방향 조율 분자를 통한 구조적 결함 극복 및 상용화 가능성.

8. 출처 문서