신재생에너지 기술 개척… '저탄소 녹색성장' 선두주자

■ KIER(한국에너지기술연구원)

세계적으로 기후변화에 대응하고 이산화탄소의 발생을 줄이기 위한 노력이 당면 과제로 부각되고 있는 가운데 그린산업 시장이 급속도로 성장하고 있다.

▲ 한문희 한국에너지기술연구원장

우리 정부도 세계적인 흐름에 발맞춰 저탄소 녹색성장을 위한 정책 방향을 수립, 앞장 서고 있다. 한국에너지기술연구원(원장 한문희ㆍKIER)은 그린 사업의 핵심인 에너지기술 분야의 산업원천기술 개발 및 성과 확산 등을 통해 ‘국가 성장동력 창출과 국민경제 발전에 기여’를 목표로 삼고 기술개발에 매진하고 있다.

산업, 수송 그리고 건물 부문에서의 에너지 효율향상, 기술 개발 보급, 신재생에너지 기술개발 등에서 개척자로서 역할을 해온 것이다. 최근에는 기후변화 대응 기술개발의 선도까지 영역을 넓히고 있다. 앞으로 세계최고 수준의 기술개발을 통해 세계최고 연구기관 이라는 목표를 달성하기 위해 전략적으로 Global Energy Technology 분야에 연구원의 역량을 집중하고 있다.

● 6대 중점 연구분야

KIER은 제한된 연구인력과 재원으로 글로벌 무한 기술개발 경쟁에서 이기고 나아가 저탄소 녹색 성장을 견인하며 신성장 동력을 창출해 내는 그린허브 역할을 수행하기 위해 6대 중점 연구 분야(태양광, 청청연료, 수소 연료전지, 친환경 건물, 이산화탄소 포집 및 저장, 에너지소재 연구)를 선정하고 세계최고 수준의 3대 중점 기술 개발을 추진하고 있다.

이를 통해 그린에너지기술 가운데 핵심기술을 단기간 내에 세계적 수준으로 올리고 글로벌 리더십을 확보한다는 계획이다.

에너지기술연구원은 에너지기술개발, 보급 확산, 정책 수립 등 크게 세 가지 기능을 담당한다.

에너지 기술개발에 있어서는 ▲태양광, 풍력, 바이오, 연료전지, 수소에너지 등 신재생에너지 기술개발 ▲이산화탄소 포집 증 온실가스 처리 기술개발 ▲청정석탄, 비재래형 연료 등 화석에너지 청정이용 기술개발 ▲산업, 건물, 수송, 전기 등 관련 에너지 효율 향상 기술개발 ▲에너지소재 기술 개발에 역점을 두고 있다. 또 에너지기술의 보급 확산을 위해 시험평가인증과 인력양성, 기술지원, 기술사업화에도 앞장서고 있다. 더불어 국가 에너지 기술정책을 선도하기도 한다.

▲ KIER는 그린 사업의 핵심인 에너지기술 분야의 산업원천기술 개발 및 성과 확산 등을 통해 ‘국가 성장동력 창출과 국민경제 발전에 기여’를 목표로 삼고 기술개발에 매진하고 있다. 사진은 에너지 지급률 100%를 자랑하는 '제로에너지 타운'.

저탄소 녹색성장을 선도하는 그린에너지기술 중심연구기관이라는 비전과 함께 핵심원천기술 개발과 미래전략기술 탐색에 역점을 두고 있다.

에너지기술연구원의 3대 중점기술 분야는 ▲박막태양전지 ▲고분자연료전지용 MEA(분리막전극접합체) ▲이산화탄소 포집용 흡수 공정 등 세 가지다.

박막 태양전지의 경우 소자의 효율을 극대화하는 게 목표다. Si 박막 적층화 기술을 개발해 효율을 11%에서 14%로 높인다는 계획이다. 또 CIGS(구리·인듐·갈륨·셀레늄) 박막을 최적화해 효율을 세계 최고 수준인 20%까지 끌어올리겠다는 야심찬 목표도 세워뒀다. 이와 함께 CIGS 서브모듈 개발도 연구 중에 있다. 구리와 인듐, 갈륨과 셀레늄 등 4가지 화합물로 만든 태양전지인 CIGS는 기존 실리콘 웨이퍼를 이용한 결정질 태양전지 두께의 100분의 1에 불과하다. 때문에 태양전지 제조에 들어가는 소재의 양을 대폭 줄일 수 있다.

특히, 반도체나 디스플레이 등 기존 산업분야에서 이용되는 대량 생산용 박막 제조 기술을 활용할 수 있어 결정질 실리콘 태양전지에 비해 경제성이 뛰어나다. 이 같은 고효율 박막 태양전지 기술이 국내 기업에 이전돼 상용화에 나선다면 수입의존도를 낮추는 동시에 수출효과도 커질 것으로 기대된다.

고분자연료전지용 MEA(분리막전극접합체) 제조기술은 고분자 연료전지 시스템에서 가장 중요한 연료전지 스택의 핵심부품인 MEA의 연속 제조에 관한 기술이다. 이 MEA는 연료전지의 성능 및 수명에 가장 큰 영향을 미치는 부품으로, 전체 재료비의 약 45%를 차지하는 국내 최초 기술로 세계적인 수준에 근접한 성능을 확보하고 있다. 이산화탄소 포집용 흡수공정은 온실가스의 주범이 되는 이산화탄소를 잡아내는 기술로 이를 통해 이산화탄소를 대폭 줄인다는 목표를 세워두고 있다. KIER은 이외에도 ▲태양광 ▲연료전지 ▲친환경건물 ▲이산화탄소 포집 및 저장 ▲에너지소재 등을 6대 중점연구분야로 선정해 국내 에너지 연구를 선도하고 있다.

● 3대 중점 기술

▲고효율 박막 태양전지 기술 이전=지난 2007년 10월 22일 LG마이크론(대표이사 조영환)과 고효율 박막 태양전지 기술 이전 조인식을 연구원내에서 갖고 앞으로 차세대 CIGS(CuInGaSe2구리-인듐-갈륨-셀레늄) 박막 태양전지 실용화 기술 확보를 위한 협력을 강화하기로 했다.

LG마이크론에게 이전한 고효율 CIGS 박막 태양전지기술은 기존 실리콘 웨이퍼를 이용한 결정질 태양전지 두께의 100분의 1에 불과해 태양전지 제조에 들어가는 소재의 양을 대폭 절감할 수 있으며 반도체나 디스플레이 등 기존 산업 분야에서 이용되는 대량 생산용 박막 제조기술을 활용할 수 있어서 결정질 실리콘 태양전지에 비해 경제성을 확보할 수 있는 기술로 평가받고 있다.

태양에너지 변환효율이 17%에 이르는 CIGS 박막 태양전지기술 개발은 선진국 수준에 근접한 태양전지 제조 기술수준을 확보했다는데 의의가 있다. 기존 태양광 모듈에 비해 외관이 미려해 건물일체형 태양광 시스템(BIPV)에 적합하고, 유리 대신 금속필름을 기판으로 사용하면 자유자재로 변형이 가능한 플렉시블 태양전지 구현도 가능하다는 특징을 가지고 있다.

차세대 CIGS 박막 태양전지 실용화 기술 확보를 통해 선진국과의 본격적인 기술경쟁에 돌입할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

CIGS 박막 태양전지기술은 올해까지 전체 태양전지 시장의 10%를 점유할 것으로 예측되고 있으며 전 세계적으로 많은 기업과 연구기관이 치열한 기술개발 경쟁을 벌이고 있다.

▲국내 최초 연료전지 핵심부품 MEA 양산화 공정 개발=전 세계가 차세대 녹색산업을 선점하기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있는 상황에서 '연료전지'는 그 어떤 연구 분야보다 '총성없는 전쟁'을 치르고 있다.

특히 수소와 산소의 반응을 통해 실제 전기가 만들어지는 MEA(막전극접합체Membrane-Electro de Assembly)는 연료전지의 핵심부품으로, 개발이 어려운 첨단 기술 분야 중 하나이며 W.L. Gore, 3M, DuPont 등 소수의 세계적인 거대 기업만이 초기 양산기술을 확보하고 있다.

한국에너지기술연구원은 지난해 10월 공정 자체가 극비로 취급되고 있는 MEA 양산을 위해 지난 3년간 노력한 결과, 핵심기술인 슬러리 균질화와 박막 균일 코팅, 전사기술을 확보했으며 MEA 시험 생산에 성공적으로 적용, 양산화 공정기술을 국내 최초로 개발했다. 양산화 공정을 통해 생산된 MEA는 자체 설계한 50kW급 연료전지 스택에 적용됐으며 독자 개발한 하이브리드 제어 시스템과 함께 25인승 연료전지버스 FCB(Fuel Cell Bus)에 장착, 시험 운전을 성공적으로 마쳤다. 국내기술로 제작된 MEA 및 연료전지 스택이 장착된 차량은 이번이 처음이다.

MEA 제품의 신뢰성 및 성능에 큰 영향을 주는 '슬러리 균질화' 기술은 MEA 양산 공정의 핵심 기술 중 하나로 촉매 파우더 및 바인더를 혼합하여 잉크 형태의 촉매 슬러리를 만드는 기술이다. MEA 성능 및 신뢰성이 이 단계에서 결정되며 MEA 양산 공정의 핵심 원천 기술 확보라는 측면에서 큰 의의를 지닌다.

세계 연료전지 시장을 예측한 자료인 'World Fuel Cells to 2013 (출처Freedonia Group Inc. 2009)'에 따르면 2013년경 약 23조원 규모의 연료전지 시장이 예측되며 이 경우 약 5조원 규모의 MEA 수출 시장에서 유리한 위치를 차지할 수 있을 것으로 예상된다.

국내 연료전지 개발의 발원지로 25년 이상 연료전지 연구를 주도하고 있는 연구원은 그동안 국내 최초 이동전원용 연료전지, 근거리 이동용 플러그인 연료전지·배터리 하이브리드 자동차, 가정용 연료전지 시스템 등을 개발해 왔으며 다양한 연료전지 기술개발과 적용, 인력 양성과 보급에 이르기까지 중추적인 역할을 다하고 있다.

▲ CO2 포집용 흡수공정=오는 2013년 세계 최고 수준의 원천기술(저 포집 에너지기술)을 확보하고 2020년까지 상업화 기술을 개발해 CCS 기술을 신성장 동력화 할 방침이다. /배문숙 기자 moons@