캐미칼리포트
한국화학연구원, 페로브스카이트 태양전지, 에너지 절약형 수분 흡착제 성과 「2018년 세계적 혁신기술」
작성자 : 이용우
2019-03-09 |
조회 : 1362
- 세계 일류 수준의 연구성과 선정으로 연구경쟁력 강화 및 자긍심 고취
한국화학연구원(원장 김성수)은 세계 일류 수준의 경쟁력을 보유한 연구성과로 2건의 「2018년 세계적 혁신기술」을 확정했다.「세계적 혁신기술」은 최근 3년간의 KRICT 혁신기술* 중 운영진의 검토를 거쳐 후보를 선발하고, 내·외부 산학연 전문가들의 정성평가와 세계적혁신기술선정심의위원회를 통해 최종 심의·선정했다.
* KRICT 혁신기술: 기술적 우위를 바탕으로 시장 패러다임 및 산업구조의 변화를 통해 새로운 가치를 창출할 수 있는 한계돌파(Breakthrough)형 기술로 특허, 우수논문 게재 및 기술이전 실적을 기준으로 대상 선정
세계적혁신기술선정심의위원회는 지난 2월 18일 화학(연) 대회의실에서 개최됐으며, 화학(연) 원장, 부원장 등 내부위원 5명과 후보기술 관련 산‧학‧연 전문가 5명이 참여했다. 혁신기술 선정에는 연구성과의 질적 우수성, 독창성, 혁신성, 우위성, 파급성 등을 고려했다.
화학(연) 세계적 혁신기술은 장종산 박사팀의 「혁신적 MOF 수분 흡착제 및 에너지 절약형 흡착식 냉방·제습 기술」과 서장원 박사팀의 「세계선도형 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지 기술」 이다.
장종산 박사팀의 「혁신적 MOF 수분 흡착제 및 에너지 절약형 흡착식 냉방·제습 기술」은 친환경 저온 재생 냉방기용 흡착제를 개발해 2018년 Nature Energy지*에 논문을 게재한 성과다.
* 임팩트 팩터(Impact factor) : 46.859
친환경 흡착식 냉방기는 전기를 거의 쓰지 않고, 물(냉매)과 흡착제, 태양열 등으로 실외기가 없이 구동할 수 있는 장치다. 연구팀은 친환경 흡착식 냉방기에 쓰일 수 있는 저온 재생형 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, 이하 MOF) 수분 흡착제를 프랑스의 CNRS 연구소와 공동으로 개발했다. 이는 안정성이 높고 기존 흡착제인 제올라이트* 대비 24% 높은 냉방효율, 실리카겔** 대비 수분 흡착량 2배 이상의 성능을 가지고 있으며, 55℃~65℃ 저온 재생이 가능하다. 전기식 에어컨 대비 1/20 이하로 전력사용을 최소화하며, 수분흡착제의 재생 열원으로 70℃ 이하의 태양열/지역난방열/산업 폐열에 적용할 수 있다.
* 황산과 규산나트륨의 반응에 의해 만들어지는 튼튼한 그물조직의 고 표면적 규산 입자
** 실리콘 양이온, 알루미늄 양이온, 산소 음이온으로 구성된 고 표면적의 3차원 다공성 분자체
연구팀은 2012년부터 Advanced Materials지 속표지 논문에 게재했고, 최초의 저온 재생 수분 흡착제 미국특허를 등록하여 차세대 수분 흡착제 기술을 이끌고 있다. 현재까지 저온 재생 수분 흡착제 특허를 포함해 13편의 MOF 물질 및 응용기술 관련 미국특허를 등록해 특허기술 포트폴리오를 구축하고 있으며, 수분 흡착제 합성 및 수분 응용기술 일부에 대해 기술이전 및 사업화를 진행 중이다.
< 장종산 박사팀의 ‘혁신적 MOF 수분 흡착제 및 에너지 절약형 흡착식 냉방 제습 기술’ >
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| 신규 지르코늄계 흡착제 MIP-200의 기공구조 및 수분 흡착 냉방시스템 |
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(a) 수증기 상대압력 P/P0 = 0.01의 저압에서 물 분자의 선택적인 흡착 자리; (b) 수증기 상대압력 P/P0 = 0.2에서 MIP-200 흡착제의 6각형 미세기공에 포화된 물 분자들의 상태; 색깔 Zr 원자, 연록색; 탄소 원자, 회색; 산소 원자, 붉은색; 수소 원자, 흰색
 MIP-200 흡착제 미세기공 내에서 수분 흡착과정에 대한 전산모사 결과: |
서장원 박사팀은 세계선도형 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지 기술을 통해 1㎠ 소자 페로브스카이트 태양전지의 효율을 세계 최고 수준인 20.9%까지 끌어올렸으며(Progress in Photovoltaics, solar cell efficiency table 등재), 동시에 우수한 장기 안정성을 확보하였다. 또한, 2018년 국가연구개발 우수성과 100선(과기정통부, 최우수)에 선정된 바 있다.
연구팀은 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트 소재를 집중적으로 연구해왔으며, 고효율화 기술력을 바탕으로 단위소자에서부터 대면적 모듈에 이르기까지 성능을 높이기 위한 연구에 매진하고 있다. 인증효율은 0.1㎠ 단위소자 22.7%(NREL차트 등재, 2017.10), 1㎠ 소자 20.9%(Progress in Photovoltaics, solar cell efficiency table 등재, 2018), 90㎠ 모듈 17.1%를 받아서 세계수준의 고효율화 기술을 선보이고 있다.
연구팀은 태양전지의 효율 향상을 위한 연구를 계속하는 한편, 상용화를 위해 페로브스카이트 소자의 내구성 확보에도 힘을 쏟았다. 20% 이상의 고효율 소자에서 고온 (60℃)에서 500시간, 광조사 하에서 300시간 이상 우수한 장기 안정성을 보였고 이에 대한 연구결과는 2018년 Nature Energy지*에 게재하였다. 최근에는 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 대면적 모듈 제조 기술을 바탕으로 가볍고 유연한 태양전지를 개발에 힘쓰고 있다.
* 임팩트 팩터(Impact factor) : 46.859
< 서장원 박사팀의 ‘세계선도형 고효율‧고안정성 페로브스카이트 태양전지 기술’ >
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(위 왼쪽) spiro-OMeTAD를 도입한 페로브스카이트 태양전지와 DM을 도입한 태양전지의 에너지 변환 효율, (위 오른쪽) 각 해당 태양전지의 온도별 (60∘C, 70∘C, 80∘C) 열 안정성 비교, (아래) DM을 도입한 페로브스카이트 태양전지의 60∘C에서 장기 열 안정성 |
화학(연) 김성수 원장은 “기존 우수성과 제도를 전면 개편하여 2018년부터 KRICT 혁신기술 및 세계적 혁신기술 선정제도를 운영하고 있다. 향후 세계적 혁신기술 선정대상에 대해 장기적, 안정적으로 성과를 창출할 수 있도록 기관 차원의 지원을 확대해 나갈 것이며, 화학(연)에서 운영 중인 미래시드사업*과 수월성 연구그룹 육성사업**에 연계하여 세계적 혁신기술로 도약할 수 있는 유망기술과 연구그룹 육성을 강화해 나갈 계획이다”라고 말했다.
* 미래시드사업: 신진연구자 연구역량 강화 및 R&R 기반의 신규 연구 분야 발굴·사전 타당성 검토를 위한 연구지원 사업
** 수월성 연구그룹 육성사업: 연구성과계획서의 매우 도전적 성과목표 또는 대표지표 및 세계적 수준의 연구그룹으로 육성이 필요한 연구 분야 지원을 통한 세계적 수준의 혁신적 연구성과 창출 및 우수 연구그룹 육성을 위한 연구지원 사업
