| 초록 |
요약문 I. 제목 에너지 합성용 광화학 나노소재 첨단 기술정보 수집 II. 목적과 필요성 ○ 최근 10년 내에 전 세계적으로 화석에너지 고갈을 대비한 새로운 에너지 기술에 대한 막대한 양의 연구 투자가 이루어지고 있으나, 에너지 변환/제조 및 저장소재 및 장치 분야의 경우 답보상태에 있으며, 에너지 분야의 연구와 조기산업화의 돌파구로 에너지 합성용 나노소재 기술이 부각되고 있음. ○ 에너지 합성 분야에서 궁극적인 목표는 태양광 에너지를 수소와 같은 신에너지로 변환할 수 있는 광화학 나노촉매 소재기술의 확보를 통해 우리나라의 지속적인 경제성장을 뒷받침할 수 있는 에너지 자급기술을 확보하는 것임. ○ 적절한 밴드갭을 갖는 반응성 나노소재를 이용한 광화학적 에너지 합성의 경우 최적의 에너지 추출성능을 갖는 촉매소재, 전극소재에 대한 기술, 에너지 추출 환경/공정에 대한 연구가 필요하며, 바이오매스를 이용한 메탄, 수소를 합성하는 생물종 연구의 경우 최고의 효율을 갖는 생물종의 발굴은 물론 생태계 교란이나 지속가능성에 있어서 연구 필요성이 존재함. ○ 이처럼 구체적인 광화학적 에너지 합성용 나노소재의 연구개발을 위해서는 관련 분야에서 현재 활발히 연구되고 있는 후보 소재군의 합성, 공정, 분석 등에 대한 포괄적이고도 세밀한 연구조사가 필요함. ○ 또한 에너지 합성용 나노소재를 초고압과 같은 극한적인 환경에 노출시켜서 합성하는 기술이나 지속적으로 내구성있게 에너지 합성공정에 적용할 수 있는 나노소재의 내구 신뢰성에 대한 연구정보의 수집도 필요함. ○ 따라서 수소와 같은 신에너지 합성용 광화학 나노소재 관련 국외 선진기관을 방문하고, 활발히 교류함으로써 관련 첨단정보를 수집하고 에너지용 나노소재 연구개발 로드맵 수립, 나노소재 원천특허 기술에 대한 국내 기술정보 수요에 대응하고자 함. III. 사업의 내용 및 범위 ○ 스탠포드 대학을 중심으로 전 세계적인 에너지 위기상황과 기후변화에 대한 해결책을 찾기위한 Global Climate and Energy Project의 연구주제를 살펴보면 수소와 신재생에너지가 중요 부분을 차지하고 있으며, 특히 바이오 수소, 태양광 물분해 등 수소의 생산이 큰 연구주제가 되고 있음. ○ 우리나라의 경우 시급한 산업적 활용 수요에 대응하여 천연가스 개질을 통한 수소의 생산부문에서 상용기술이 출현하기도 하였으나 궁극적인 바이오매스, 광화학촉매를 이용한 물분해 등을 통한 수소의 생산은 아직까지 실험실 수준의 연구단계에 머물러 있음. ○ 따라서 본 연구는 ldquo;지속가능하고 온실가스 배출이 없는 수소 신에너지원 생산 기술개발 rdquo;이라는 궁극적인 목표에 대응하여 구체적인 사업 내용을 아래와 같이 분류하였으며, 관련 선진국들의 기술적 다양성과 우위성을 고려한 기술정보의 수집을 진행하였음 - 에너지 합성용 광화학 나노소재 기술 - 극한환경 하의 새로운 에너지 합성용 나노소재 기술 - 에너지용 나노소재 물성 및 신뢰성 분석기술 - 고효율 광화학적 에너지 변환 기술 ○ 수소 신에너지의 광화학적 생산과 관련된 측면에서 관련 선진국들은 미곡, 일본, 영국 정도로 판단하였으며, 에너지용 나노물질 및 촉매물질의 합성과 관련된 분야는 영국에서 다수의 정보를 수집하였고, 에너지물질의 분석 및 새로운 형태의 에너지 물질 합성방법에 대한 연구의 경우 미국에서 조사를 진행하였고, 일본의 경우 수소차량 등과 같은 상용화에 있어서 수소생산과 관련된 연구자료를 조사하였음 IV. 해외 기술 조사 결과 ○ 종래 화석연료 중심의 에너지 기반을 지속가능성을 고려한 신재생에너지원으로 바꾸려는 일련의 노력 중에 현재 전기차와 수소 신에너지를 연료로 하는 수소자동차가 가장 뚜렷한 산업화의 시작단계에 진입하고 있음. ○ 수소 신에너지 분야의 경우 울산 등에서 수소타운을 통한 실증연구가 활발히 진행되고 있으며, 지속가능성과 효율성의 측면에서 태양광을 이용한 대규모 물분해 공정을 이용한 광화학적 수소 제조가 궁극적으로 확보되어야 하는 병목기술이 되고 있음. ○ 해외 기술정보 조사를 통해 규슈지역 중심의 Hydrogenius 연구소와 수소타운에 대한 정보조사와 함께 일본의 수소제조 분야의 기술수준과 에너지 정책에 대한 자료를 확보할 수 있었으며, 보다 구체적으로 실증단계의 천연가스 개질을 통한 수소생산과 부생수소 이용은 물론 실험실 수준이기는 하지만 광화학적 촉매, 바이오매스, 열분해, 다른 재생에너지원을 이용한 물분해 등 온실가스 배출이 없는 지속가능성에 중점을 둔 연구개발도 지속적으로 이뤄지고 있음을 확인하였음. ○ 태양광의 광자는 직접 물분해를 일으키기에는 낮은 에너지를 갖고 있기 때문에 광촉매가 활발히 연구되고 있으며, 적절한 광촉매의 작동으로 전도대에서 물이 분해되어 수소분자가 만들어지고, 가전자대에서 산소분자가 만들어져야 됨. ○ TiO2 기반의 광촉매 나노소재를 자외선에 높은 물분해 효율을 얻는 연구가 활발히 진행되어 왔으나 최근들어 북미지역에서의 광화학 나노소재 연구는 대부분 가시광선 영역의 광자를 이용하여 물분해를 진행할 수 있는 나노소재의 합성과 분석 연구가 주를 이루고 있으며, 또한 광화학 물분해셀에 있어서 최적의 전극소재와 구조를 형성함으로써 보다 높은 에너지 효율을 얻고자 하는 연구가 진행되고 있음. ○ 뿐만아니라 이러한 에너지 합성소재의 구조분석과 에너지 전환성능을 평가하기 위한 광학적 분석기술과 방사광 가속기 등을 이용한 에너지 합성반응 중의 소재거동 분석에 대한 정보수집이 가능하였음. ○ 특히 고에너지를 갖는 준안정상의 생성이나 고압얼음의 분해를 통한 수소합금생성이나 임계유체 상태의 물을 분해하여 같은 환경 내에 존재하는 금속을 수소화시키는 등의 초고압 환경에서의 새로운 재료합성 연구가 미국 Carnegie 연구소, 리버모어 국립연구소, 워싱턴 대학, 일본 오사카대학, 나고야대학, 이화학연구소 등에서 새롭게 부각되고 있음을 확인할 수 있었으며, 최근 중국에서도 초고압 재료합성 만을 연구하는 HPSTAR라는 거대 연구소를 운용하기 시작하였다는 정보를 확인하였음. ○ 보다 구체적으로 관련 선진연구기관에서 활용하고 있는 하드웨어인 고압셀의 형태, 구성, 기능에 대한 방대한 정보를 확보하였고, 이를 국내 대학과 연구소에 전달할 수 있을 기술수준에 도달하였고, 이를 이용한 다양한 에너지 합성공정이나 새로운 고압 촉매소재 개발에 대한 연구정보를 수집해 오고 있음. V. 활용계획 ○ 기술정보 조사를 통하여 수소와 같은 신에너지의 친환경적인 제조기술, 광화학적 제조에 필요한 전극 및 촉매소재 기술, 나노 광화학소재의 측정 및 분석기술, 극한환경 에너지 합성기술 등을 조사하였음. ○ 이들 수집된 최신 정보기술과 함께 국내 기술현황에 대한 제고를 바탕으로 광화학적 에너지 합성과 관련된 연구개발이 필요한 연구주제의 도출과 함께 국가적인 R D 로드맵의 작성에 활용코자 함 ○ 구체적으로 에너지물질 합성을 위한 극한환경 구현, 제어, 측정-새로운 에너지원 및 에너지소재-산업화 기술을 가진 다양한 산학연이 모여서 중장기 대형 국가 연구개발 사업의 기획을 추진하는 데 활용할 수 있을 것으로 판단됨. ○ 특히 포괄적으로 조사된 신에너지 생산용 광화학 나노 전극소재 및 촉매소재 기술을 바탕으로 국내 연구진들의 경우 보다 손쉽게 고효율의 반응을 일으킬 수 있는 연구 후보물질의 선정이 가능할 것으로 판단되며, 연구개발의 초기 단계에서 일어나는 시행착오는 크게 줄일 수 있을 것으로 판단됨. ○ 신에너지 분야에서 초고압, 초고온의 극한환경을 융합함으로써 물분해 및 수소화물생성과 같은 예상치 못했던 성과물들이 보고되고 있으며, 이러한 극한환경 융합개념을 국내 연구계에 소개함으로써 국내에서도 다양한 ldquo;연구융합 rdquo;이 활발히 일어날 수 있는 계기가 될 것으로 판단됨. ○ 특히 초고온, 초고압과 같은 극한환경에서의 에너지 물질 합성에 대한 국내 연구계의 동향 파악과 함께 수집된 정보기술의 보급을 목표로 ldquo;초고온, 초고압 재료합성 심포지엄 rdquo;을 진행하였음. ○ 이러한 국내의 전문연구자 모임을 통한 연구정보의 교류를 바탕으로 국내에서 관련기술의 공동협의체가 발생할 수 있을 것으로 기대하며, 국외에 구축된 인적 네트웍과의 연계를 통해 국제적인 연구공조를 형성하는 것은 물론 중장기적으로 신에너지 분야 연구에 있어서 국내 전문가들의 기술적 |
