제6회 우수리포트 공모대회 우수상 수상작

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소

황경환(공과대학 재료공학부)

* 이 글은 2007년 1학기 ‘과학과 기술 글쓰기’(담당교수: 김재영) 강좌의 리포트이다.

차 례

Ⅰ. 서론

Ⅱ. 여러 가지 대체에너지

Ⅲ. 광전화학적 수소생산의 원리

Ⅳ. 광전화학적 수소생산을 위한 물질

Ⅴ. 이산화티탄계 물질의 한계와 앞으로의 연구과제

Ⅵ. 결론

126

최근 지구 온난화와 유례없는 원유 가격 급등으로 인해 대체에너지에 대한 연구가 활발히 진

행되고 있다. 본 논문에서는 풍력, 조력, 태양광과 같은 여러 가지 대체에너지를 비교분석하여

광전화학적 수소가 여타 대체에너지원들보다 우위에 있음을 보였다. 또, 광전화학적 수소생산의

원리를 설명하였다. 이어서 광 전극 물질이 갖춰야 할 조건이 무엇인지를 살펴본 후 이 조건에

맞는 가장 유망한 물질이 이산화티탄계 물질임을 밝혔다. 마지막으로 현재 상용화되지 못하고

있는 이산화티탄계 물질의 한계와 이를 극복하기 위해 향후 필요한 연구들에 대해 설명하였다.

산업혁명 이후 화석연료의 사용으로 인해 온난화가 진행되고 있고, 특히 20세기

후반부터 세계적인 급격한 경제성장으로 인해 그 속도에 박차가 가해지고 있다. 아

래의 은 최근 천 년간의 대기 중 이산화탄소 농도와 지구의 평균기온을 조

사하여 정리한 것이다. 약 팔백년 간 큰 변화가 없던 이산화탄소 농도와 온도 수치

가 산업혁명 이후에 급격히 증가하고 있다는 것을 알 수 있다. 또 2007년 4월 7일

환경부 보도 자료에 따르면, 2050년에는 온난화로 인한 해수면 상승으로 인해 서남

해안 도시가 바다에 잠길 것이라고 한다. 따라서 환경적으로 안전하고 지속적으로

사용할 수 있는 연료가 시급히 요청되고 있는 실정이다.

대기 중 이산화탄소 농도와 지구의 평균기온

(출처: Basic Research Needs for the Hydrogen Economy)

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 127

미국 내 석유 생산과 소비 예측

(출처: Basic Research Needs for the Hydrogen Economy)

또한 현재 에너지 중 대부분을 차지하는 화석연료의 경우 매장량에 한계가 있다.

화석 연료 중에서도 가장 큰 비중을 차지하는 것이 석유인데, 계속되는 탐사 기술

의 발달로 새로운 유전을 개발하고는 있지만 지속가능한 에너지원이 될 수는 없다.

는 미국 내 석유 생산과 소비를 예측한 자료인데, 현재와 같은 추세로 소

비를 하고 대체에너지를 개발하지 않는다면 심각한 에너지 위기에 봉착할 것임을

예견할 수 있다. 자국 내 석유 생산과 비축의 측면에서 세계에서 손꼽히는 미국의

사정이 이렇다면 에너지의 대부분을 수입에 의존하는 우리나라의 실정이야 말할

필요도 없을 것이다.

또 미국과 달리 우리는 교토의정서에 가입이 되어 있어 2013년부터 온실가스 배

출에 대한 제약이 있을 수도 있는데, 이 경우 전체 에너지 사용량의 5% 이상을 청

정에너지로 대체

해야 한다. 하지

만 현재 우리나

라에서 대체에너

지는 전체에너지

사용량의 1%에도

미치지 못하고

있다. 따라서 풍

력에너지, 조력

에너지, 바이오

매스 에너지와 같

은 여러 가지 대체 에너지 연구에 대한 필요성이 증가하고 있다.

이러한 여러 대체에너지 중에 최근 가장 각광을 받고 있는 것이 수소에너지이다.

연소물이 물로써 친환경적이고, 물로부터 분해할 수 있어 무한한 에너지원인 셈이

다. 하지만 이 수소에너지를 이용하기 위해서는 수소 생산, 수소 저장, 수소-에너

지 전환기술이 요구되는데, 이 중에서도 가장 낮은 수준의 연구 성과를 보이는 것

이 수소 생산 기술이다.

수소를 생산하는 기술은 여러 가지가 있지만, 현재 주로 사용되는 방법은 물을

전기분해하는 것, 그리고 메탄을 화학 반응시켜 수소를 얻는 방법이다. 하지만 이

는 화석연료를 이용하여 수소를 생산하는 것으로써 환경적으로 안전하지도 않고

128

대관령 풍력단지의 모습

(출처: 두산동아대백과사전)

무한하지도 않다. 따라서 여러 친환경적인 수소 생산 기술들이 제안되고 있고, 그

중에서도 가장 유망한 방법은 태양에너지를 이용한 수소 생산이다. 태양에너지는

무한하며, 다른 대체 에너지 기술에 비해 기술이 간단하고 비용도 저렴한 편이다.

이 연구에서는 먼저 다양한 대체에너지들에 대해 살펴본 후 태양수소가 가장 유망한

대체에너지임을 보일 것이다. 이어서 이 태양수소를 생산하는 원리를 간단히 살펴보고

태양수소를 생산하기 위한 여러 물질들을 비교⋅분석한 후 그 중에서 이산화티탄계 물질이 가장 뛰어난 광전화학적 수소생산의 재료라는 것을 보일 것이다. 또한 그것이 현

재에 상용화되지 못하고 있는데 그 한계와 미래에 필요한 연구들을 짚어볼 것이다.

여기서는 풍력, 지열, 조력, 바이오매스, 핵분열 / 핵융합 에너지의 순서로 각각

그 에너지의 장점과 단점을 밝힌 후 태양광-수소에너지와 비교하여 후자가 더 우위

에 있음을 보일 것이다.

풍력에너지는 바람의 힘으

로 터빈을 회전시켜 전기를 얻

는 방법을 말한다. 풍력발전의

경우 재생 가능한 에너지일 뿐

아니라 태양광발전과는 달리

밤낮을 가리지 않고 이용할 수

있기에 영국, 스페인, 독일과

같은 나라에서는 이미 상당량

의 전기를 풍력발전을 이용해

생산하고 있다. 한 연구에 따

르면 영국에서 10%의 에너지 생산이 풍력발전으로 대체될 경우 3천만 톤의 이산화

탄소와 2백만 톤의 재, 4만 톤의 황산화물, 2만 톤의 질산화물 배출이 줄어들 것이

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 129

라고 한다.1)

하지만 이 풍력발전은 설치할 수 있는 장소가 제한적일 뿐 아니라 경관을 심각하

게 훼손한다. 터빈은 바람이 많이 부는 지역에 설치되어야 하기 때문에 보통 해안

이나 산간에 설치되고, 높이 또한 120 미터에 이를 정도로 높다. 비록 이러한 거대

한 풍력단지가 장관이라고 생각하여 일부러 찾는 관광객도 있다고는 하지만, 전통

적으로 동양 문화권에서 산은 개발의 대상이라기보다는 자연경관으로서 향유의 대

상으로 여겨져 왔다. 따라서 풍력에너지의 조성은 이러한 전통 가치와의 충돌이 예

상된다. 은 대관령 풍력단지의 모습이다.

또한 터빈에서 발생하는 소음의 문제, 야생동물과 조류의 식생에 미치는 문제,

높게 설치된 발전기로 인해 여러 전파를 간섭하는 문제 등도 쉽게 보아 넘길 수만

은 없는 문제들이다.2)

지열에너지란 열의 형태로 지구 내부에 들어있는 에너지를 의미한다. 지열 시스

템은 크게 네 가지로 분류되지만, 현재 이용되는 시스템은 수열 시스템

(hydrothermal system)이다. 보통 화산대 지역에서도 수 킬로미터를 시추해야 하

며, 뜨거운 물이나 증기를 이용하여 발전을 한다. 크게 물만 있는 지대(water-do-

minated fields), 물과 증기가 섞여 나오는 지대(wet steam field), 증기가 나오는

지대(vapor-dominated fields)로 나눌 수 있는데, 두 번째와 세 번째 경우가 전기

를 생산하는 데 있어 그 효율이 더 뛰어나다.3)

지열에너지는 1996년에 전 세계적으로 7173.5MW를 생산하여 전체 전기 생산량

중 0.4%를 생산하였다. 을 보면 알 수 있듯이 다른 대체에너지에 비해 월등

히 많은 양을 생산해 내고 있음을 알 수 있다. 또한 1996년에 10~17%의 효율을 보

여주고 있는데, 현재 태양광발전의 효율이 15% 정도임을 생각하면 나쁘지 않은 수

준임을 알 수 있다.4)

1) I. D. Mays. “The environmental benefits and implications of wind energy.” Rene- wable

Energy. 5 (1994), pp. 537-541.2) Ibid.

3) E. Barbier. “Nature and technology of geothermal energy.” Renewable and Sustain- able

Energy Review. 1 (1997), pp. 1-69.4) Ibid.

130

1994년 재생가능한 에너지원으로부터 생산된 전력량

(출처: E. Barbier(1997))

1994년 재생가능한 에너지원으로부터 생산된 전력량

시설 용량 년간 생산량

MW % GWh %

지열에너지로부터 전기를 다량 생산하는 주요국가의 전기생산량

(출처: E. Barbier(1997))

국가명 (MW)1985 1996. 12 2000

지열발전과 화석연료의 이산화탄소와 황 배출량

(출처: E. Barbier(1997))

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 131

하지만 지열에너지의 가장 치명적인 문제는 우리나라가 지형적으로 지열에너지

를 사용하기 어렵다는 것이다. 지열에너지는 지구 내부의 활동이 활발한 화산대 지

역에서는 경제성이 있지만 그 외의 지역에서는 활용하기 어렵다. 는 1985년

과 1996년의 세계 각국의 지열발전을 통한 전기 생산량과 2000년의 예측 수치이다.

이들 국가는 모두 자국 내에 화산대 지역을 보유하고 있다. 지각 내 활동이 상대적

으로 미약한 우리나라에서는 지열에너지를 활용하기가 어렵다.

또한 지열에너지는 완전한 청정에너지가 아니다. 를 보면, 비록 화석연

료보다는 적지만 지열에너지 또한 상당량의 온실가스와 황을 배출한다는 사실을

알 수 있다. 이는 지구 내부에 있는 증기나 물이 위의 성분들을 포함하고 있기 때

문이다. 또 지구 내부의 물은 암모니아나 수은을 지표의 물에 비해 많이 함유하고

있는데, 이 물이 발전과정 중에 유출된다면 오염을 초래할 수 있다.

게다가 지구 내부에서 많은 증기와 물을 퍼내 발전에 이용할 경우 그 근처의 토

지가 국부적으로 가라앉는 현상이 나타날 수 있다. 뉴질랜드에서는 1964년에서

1974년의 10년간의 지열발전 동안 4.5미터의 지반이 침강하였고, 이탈리아 레르데

렐로 지방에서는 1923년부터 1986년까지의 63년의 발전으로 인해 1.7 미터의 지반

이 침강하였다고 한다.5)

마지막으로 본래 화산활동이 활발한 지대에서 이루어지는 지열발전은 지각에 자

극을 주므로 지진, 화산활동을 촉발시킬 수도 있다. 발전과정에서 나오는 물을 다

시 주입해주는 방법을 통해 지진활동의 촉발과 수질 오염 모두를 막을 수 있다는

연구 결과도 있지만, 기본적으로 위험성을 안고 있다는 것에는 변함이 없다.

조력 에너지는 하루 두 번씩 발생하는 조수 간만의 차를 이용하여 발전을 하는

방식이다. 까다로운 조건으로 인해 대규모 조력발전단지는 프랑스 랑스 강 하구를

비롯하여 몇 군데밖에 존재하지 않는다. 조력에너지는 청정에너지이고, 풍력이나

태양광에 비하면 비교적 변화가 적고 안정적이라는 장점이 있다.

하지만 조력에너지의 경우 해안지방이어야 하고, 조수 간만의 차가 커야 한다는

제약이 있다. 우리나라의 황해가 이 조건을 충족하기는 하지만, 방조제를 건설하

고 터빈을 설치하는 등의 제한이 있어 다음과 같은 몇몇 지역에서 조력발전소의 건

5) Ibid.

132

설이 구상되고 있다( 참조).

국내조력발전 개발계획 (출처: 정종화(2007))

구 분 대조차(m) 연간발전량(GWh) 추진현황

또 조력발전은 온실가스를 배출하지 않는 장점이 있지만, 해양생태계에 심각한

위협이 될 수 있다. 조력발전소 건설을 통해 최고 해수면 높이가 낮아지고, 최저

해수면 높이가 높아지면서 조수 간만의 차가 줄어들고 염분이 증가하기 때문이다

( 참조). 그 예로 위에서 언급한 랑스 조력발전소의 경우 랑송(lanson)이

라는 지역 고유의 물고기가 모두 사라지고 대신 굴의 분포가 늘어나는 변화를 겪게

되었다.6) 점점 늘어나는 환경보존에 대한 관심에 비춰볼 때 이러한 생태계 파괴

문제는 조력발전에 있어서 큰 문제가 아닐 수 없다. 특히 새만금 간척지 개발에서

있었던 논란을 생각한다면 우리나라에서 조력발전의 과정이 그리 순탄치 않을 것

임을 예상할 수 있다.

조력발전소 건설

해수 교환 감소

최고파고의 하강

파고차의 감소

생물 종류의 변화

최저파고의 상승만의 염분 농도

증가

조력발전 계획이 생태계에 미치는 영향

(출처: 정종화(2007))

6) R. H. Charlier. “Sustainable co-generation from the tides: A review.” Renewable and

Sustainable Energy Reviews. 7 (2003), pp. 187-213.

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 133

바이오매스라는 용어는 원래 생태학에서 생물량을 나타내는 용어이지만, 대체에

너지로 일컬을 때에는 “에너지로 이용되는 유기성 자원”이라는 의미를 갖는다.

바이오매스를 이루는 탄화수소는 화학적으로 석유와 마찬가지로 탄소와 수소로 이

루어져 있으므로, 원칙적으로 다양한 화학, 생물공학 기술을 이용하면 에너지원으

로 쓸 수 있을 뿐 아니라 화학제품을 생산하는 데도 사용할 수 있으므로 주목받고

있다( 참조). 또한 바이오매스 에너지를 이용하는 과정에서 각종 유기폐

기물을 처리할 수 있는 것도 장점이다.

바이오매스 ⇒

연료 (바이오연료)

전력(바이오파워)

열원

화학원료(바이오제품)

생물소재

바이오 에너지 기술 분류

(출처: 임영묵(2006))

하지만 기본적으로 바이오매스 에너지는 온실가스를 배출한다는 치명적인 단점

이 있다. 물론, 바이오매스 발전소에서 전기를 생산할 경우에는 온실가스를 포집,

저장할 수 있으나 미래 에너지 사용에 있어 그 비중이 큰 교통수단의 경우에는 이

것 또한 용이하지 않다.

또한 바이오매스는 광합성으로 인해 생성된 에너지인데, 21세기 중반의 에너지

수요를 감당하기에 광합성의 효율은 너무 낮다. 21세기 중반의 에너지 수요는 10

TW 정도일 것으로 예상되는데, 이 정도의 에너지를 바이오매스로부터 생산하기 위

해서는 지구 표면적의 10% 이상이 필요하다고 한다. 이는 현재 농경이 이루어지고

있는 총 면적과 맞먹는다.7) 이에 대해 유엔 또한 2007년 5월 8일 보고서를 발표하

였다. 다음은 이 보고서에 대해 보도한 2007년 5월 10일자 한겨레신문의 보도 내용

중 일부이다.

7) M. I. Hoffert et al., “Advanced technology paths to global climates stability energy for

a greenhouse planet.” Science. 298 (2002), pp. 981-987.

134

보고서는 “바이오연료가 온실가스 방출량을 획기적으로 줄이긴 하지만 전 세계 토지와

수자원에 큰 부담을 줄 수 있다”며 바이오연료 생산 작물들은 최고 수준의 토양과 물, 환

경에 해로운 화학비료를 필요로 한다.”고 지적했다. 보고서는 이어 “단일작물 대량 재배

는 생물다양성을 크게 줄이고 토양 침식 등을 일으킬 수 있다”며, 에너지용 작물이 삼림

을 대체하면 토양이 방출하는 탄소량을 증가시킨다고 밝혔다.

보고서는 또 “바이오연료 생산이 급증하면 농산물 가격 역시 상승해 빈곤층에 부정적

인 영향을 준다.” 며 옥수수 가격이 지난해와 올해 크게 올랐음을 강조했다. 보고서는 “전

세계적으로 식량과 삼림의 필요성 또한 고조되고 있는 상황”임을 상기시키며, 바이오에

너지에 대한 투자가 국가적, 지역적, 국지적 수준에서 새로운 환경⋅사회문제를 일으키지 않도록 세심하게 관리하도록 주문했다. 유엔에너지는 ‘바이오에너지 인증제’도입을 권고

하는 등 관련 산업의 급격한 확대에 제동을 걸기 위한 가이드라인을 제시했다. 다시 말하

면, 바이오매스 에너지는 이상적인 대체 에너지가 되기에는 부족하다.8)

또, 앞에서 서술하였듯이 여러 유기 폐기물을 주원료로 활용하므로 주변 지역에

악취와 같은 영향을 미칠 수 있다. 한국 사회에서는 님비 현상이 특히 극심하게 나

타나는데, 이것 역시 바이오매스 에너지를 널리 이용하는 데에 큰 걸림돌이다.

먼저 핵분열의 경우 현재 원자력발전소에 사용되고 있다. 이는 우라늄을 수 eV

를 가지는 중성자로 때려주면 우라늄 원자의 핵이 분열되면서 일부의 질량이 에너

지로 변환되는 원리를 이용하는 것으로 현재에도 폐기물의 처리 문제, 재처리하여

핵무기를 생산하는 문제, 원자력발전소/폐기물 처리장 부지선정 문제 등을 낳고

있다.

또한 우라늄 역시 한정되어 있는 자원이다. N. Nakicenovic et al.에 따르면, 지

구에 현재까지 발견된 우라늄은 저장된 양이 340만, 광석에 들어있는 우라늄을 완

벽하게 회수한다고 가정했을 때 1700만 톤으로써 년간 10TW의 에너지를 소비한다

고 가정하면, 전자의 경우 6년, 후자의 경우 30년밖에 버틸 수 없는 양이다.9)

반면 핵융합의 경우 둘 이상의 원자를 융합시킬 때 발생하는 질량손실분을 에너

지로 얻는 방식이다. 이 중, 가장 많이 연구된 것은 중수소와 삼중수소의 융합인

8) 김외현.「유엔, 바이오 연료 폐해 지적」.『한겨레신문』. 2007년 5월 10일.

9) M. I. Hoffert et al., pp. 981-987.

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 135

데, 바닷물은 거의 무한하게 존재하고, 여기서 원료를 얻을 수 있기에, 이 핵융합

또한 무한한 청정에너지로서 각광을 받아 왔다.

하지만 아직은 그 기술이 상용화되기에는 요원하다는 문제가 있다. 핵융합 발전

이 상용화되기 위해서는 다음과 같은 두 가지 조건을 만족해야 하는데, 첫째는 핵

융합을 시키기 위해 필요한 에너지보다 그로 인해 얻는 에너지가 더 많아야 한다는

것이다. 이를 임계 조건이라고 부르는데 경제적 관점에서 보면 손익분기점에 해당

한다. 두 번째 조건은 핵융합을 일으키기 위해서 사용하는 플라즈마의 온도가 충분

히 높아서 추가적인 가열 없이 작동될 수 있어야 한다는 것이다. 일단 핵융합이 일

어나면 그 중 일부의 에너지는 추가적으로 이어지는 핵융합에 쓰이고 남는 에너지

로 발전을 하는 상황이 이루어져야 한다는 것이다. 현재 기술 수준으로는 첫 번째

조건은 충족되었지만, 두 번째 조건을 아직 충족하지 못하고 있다고 한다.10) 또 두

번째 점화조건이 충족되더라도 다른 대체에너지에 비해 높은 초기투자비용, 안정

성과 같은 문제들을 극복하기 위해서는 많은 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 실제로

미국은 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)의 지원을 중단

하기도 했다. 심지어 현재까지 기술발전의 추이로 보아 2050년까지 온실가스를 줄

이는 데 일조할 수는 없을 것이라고도 한다.11)

태양광 수소에너지는 말 그대로 태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분해한 후

이 수소를 다시 연소시켜서 얻는 에너지를 일컫는다. 이 에너지를 상용화하는 데에

는 수소생산기술, 수소저장기술, 수소-에너지 전환기술이 요구되지만, 이 기술들

이 개발된다면 가장 이상적인 에너지원으로 꼽힌다. 그 이유는 다음과 같다.12)

⋅태양광-수소에너지 기술은 재활용이 가능한 에너지원(태양 에너지)과 물을 기반으로 한다.

⋅이 기술은 가솔린, 메탄올, 천연가스와는 달리 생산할 때뿐만 아니라 연소가 될 때도 완전무공해인 연료를 제공한다.

10) 이충환 외.「무한대 청정에너지 공급하는 인공태양 핵융합」 『과학동아』. 192 (2001), pp.

62~85.

11) Ibid.

12) J. Nowotny et al., “Solar-hydrogen: Environmentally safe fuel for the future.”

International Journal of Hydrogen Energy. 30 (2005):521-544.

136

⋅풍력, 조력, 지열에너지와 같은 다른 대안들은 지역적으로 제한이 있는데 비해 태양광은 전 세계적으로 이용가능하다.

⋅작은 규모의 발전이 가능해져서 가정용 수소 생산기가 전기를 공급하고 난방을 하고 교통수단용 연료를 제공할 것이다.

⋅태양광-수소에너지 기술은 다른 대체에너지 기술에 비해 상대적으로 간단하다.

여러 대체에너지의 장단점

에너지 기술 장 점 단 점

광전화학 전지의 전극 물질로는 이산화티탄과 같은 반도체물질이 주로 사용되는

데, 이 반도체 물질 고유의 띠 간격을 넘는 광자(photon)가 전극에 부딪힐 경우 원

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 137

자가 띠(valence band)에 있던 전자가 전도띠(conduction band)로 이동하면서 전

자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성되게 된다. 이 중, 정공은 반도체 전극에서

물을 산화시켜 산소 분자를 생성시키고, 전자는 반대쪽 전극으로 이동하여 물을 환

원시켜 수소를 생성시킨다( 참조).13)

광전화학 전지의 원리

(출처: M. Grӓtzel(2001))

위와 같은 광전화학 원리를 이용해 수소를 생산하려면 에너지 변환 효율이 뛰어

난 광 전극 물질이 필요하다. 이번 장에서는 높은 효율을 얻기 위해 필요한 조건을

살펴본 후에 물질 간의 비교 분석을 통해 이산화티탄계 물질이 가장 우위에 있다는

것을 보일 것이다.

13) 태양광으로부터 수소를 얻는 원리를 알기 위해서는 광전화학의 원리를 이해해야 한다. 여기에는

어느 정도 반도체에 대한 지식, 띠 이론에 대한 이해, 기본적인 화학지식이 필요하지만 본문의

특성상 간단히 설명하도록 하겠다.

138

1) 부식/광 부식에 대한 저항

광전화학적 전지의 전극 물질은 상당히 가혹한 조건에서도 견딜 수 있는 안정성

을 요구한다. 이 전극은 전해질 속, 그리고 직사광선 아래라는 혹독한 상황에서 수

십 년을 버틸 수 있는 화학적 안정성을 요구한다.

2) 띠 간격

아래의 그림은 파장에 따른 태양의 빛 에너지를 나타낸 것이다. 각각의 물질은

고유의 띠 간격을 갖는데, 그 띠 간격보다 큰 에너지에 해당하는 빛을 이용할 수

있다. 물 분자를 분해하는 경우 1. 23eV의 에너지가 필요하므로 최대로 활용 가능

한 에너지는 아래 에서 보는 바와 같다. 하지만 실제로 물 분자를 분해하

는 메커니즘 중에 에너지 손실이 있으므로, 실제 띠 간격은 2eV 정도 되는 것이 이

론적으로 최대의 효율을 낼 수 있을 것으로 생각되고 있다.14)

AM 1.5에서 빛의 각 에너지 영역에 따른 광자의 수

(출처: T. Bak et al.(2002))

14) T. Bak et al., “Photo-electrochemical hydrogen generation from water using solar energy:

Materials-related aspects.” International Journal of Hydrogen Energy. 27 (2002), pp.

991-1022.

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 139

3) 평활전위(flat band potential)

평활전위란 전극과 전해질의 띠를 평행하게 만들어주기 위해 가해져야 하는 전

위를 일컫는다.

두 전극을 단순히 이어주었을 때

(출처: T. Bak et al.(2002))

두 전극을 이어주고

바이어스를 가해주었을 때 (출처: T. Bak

et al.(2002))

띠 이론에 대해 간단히 설명하자면 띠 그림에서 전자는 높은 곳에서 낮은 곳으

로, 정공은 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동한다고 할 수 있다. 는 바이어스

를 걸어주기 전인데, 이 때 띠 그림을 보면 수소변환 전위가 전자보다 높은 곳에

있음을 알 수 있다. 이 경우 반응이 진행되지 않는데 처럼 바이어스를 가

해 음극의 전위를 변환시켜주면 반응이 진행된다.

평활전위는 물질의 고유 특성으로 알려져 있다. 은 여러 산화물의 평활

전위를 나타낸 것인데, KTaO3와 SrTiO3를 제외하면 모두 어느 정도의 바이어스를

가해주어야 하고, 이는 광전화학 전지의 효율을 계산할 때 마이너스 요인으로 작용

한다.

4) 비용

앞서 대체 에너지들을 비교하면서 설명하였듯이 기존의 화석연료와 여러 대체

에너지들과 경쟁해야 하고 대량생산되어야 하는 광전화학 전지의 경우, 비용을 매

우 중요하게 고려할 필요가 있다.

140

pH = 2에서의 여러 산화물의 평활전위. x축은 띠 간격을 나타낸다.

(원 출처 : Oriel-Instruments. Book of Photon Tools, 1999. pp. 1-3.)

광전화학 전지의 전극 물질의 후보군으로는 먼저 크게 반도체 군과 이온 결합 화

합물 군이 있다. 이 중 반도체 군은 보다 높은 효율을 보여 주기는 하지만, 비용이

많이 들고 공정이 까다로우며, 부식/광 부식에 취약하다는 단점이 있다. 반면 이온

결합 화합물 군은 상대적으로 낮은 효율을 보이는 대신 저렴한 비용과 부식/광 부

식에 강하다는 것이 장점이다. 아래의 에서 알 수 있듯이 단결정 실리콘

을 이용하는 광기전력 전지(photovoltaic cell)의 경우 굉장히 높은 효율을 보이지

만 매우 비싸다. 반면 비정질 실리콘을 이용한 광기전력 전지나 이산화티탄을 이용

한 광전화학 전지는 효율은 낮은 반면 저렴하다는 장점이 있다. 따라서 현재, 반도

체 군의 경우 우주탐사와 같은 특별한 용도로, 이온 결합 화합물군은 상용화를 목

적으로 연구되는 경향을 보인다.

이온 결합 화합물도 여러 가지가 있는데 그 중에서도 가장 주목받고 있는 것은

이산화티탄이다. 이산화티탄은 연구되고 있는 여러 물질 중 가장 저렴한 편에 속하

며, 화학적으로 안정하여 수십 년 동안 전해질 속에서 직사광선에 노출된다 하더라

도 변형되지 않을 것으로 기대된다. 비록 띠 간격이 3.0eV이고, 평활전위의 문제로

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 141

인해 바이어스를 가해주어야 하지만, 이는 1972년 TiO2의 광전효과가 증명된 이후

의 기술 발전 속도를 고려한다면 곧 극복될 수 있다고 본다.

다양한 광기전력 / 광전화학 전지의 시간에 따른 효율 추이

(원 출처 : L.Kazmerski, Solar-Electric Power: A 2001 Device Overview,

National Center for Photovoltaics, National Renewable Energy

Laboratory, Golden, CO (2001).)

이산화티탄계 물질의 가장 큰 한계는 지나치게 큰 띠 간격과 평활전위의 문제이

다. 이 문제를 해결하기 위해서는 다음과 같은 연구가 절실히 요청된다.

띠 간격을 줄이기 위해 여러 연구가 있었다. 주로 금속 원자를 첨가하기도 했지

만, 최근에는 탄소15)와 질소16) 같은 비금속 원자도 첨가하며 띠 간격을 줄이기 위

15) S. Kahn et al., “Efficient Photochemical Water Splitting by a Chemically Modified

n-TiO2.” Science. 297 (2002), pp. 2243-2245.16) R. Asahi et al., “Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides.”

142

한 연구가 계속되고 있다. 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell)의 경우

도 이 띠 간격을 줄이기 위한 노력의 일환이다.

아래의 은 이산화티탄 중 루틸(rutile) 상에 금속을 첨가할 경우 에너

지 수준을 나타내는 그래프이다. 그림을 보면 알 수 있듯이 바나듐을 첨가할 경우

앞서 밝힌 이상적인 2eV 정도의 띠 간격을 가지게 된다. 하지만 이 실험은 성공하

지 못했는데, 그 이유는 이번 장의 세 번째 절에서 밝힐 것이다.

루틸 상에 첨가한 금속 이온들의 에너지 수준

(출처: T. Bak et al.(2002))

또 왼쪽의 는 탄소를 첨가하여 긴 파장 대에서 많은 흡수가 일어난 것

을 보여주는데, 이를 띠 간격이 줄어든 결과라고 주장하고 있다.

마지막으로 염료감응 태양전지의 경우 이산화티탄의 넓은 띠 간격을 극복하기

위해 더욱 많은 파장대의 빛을 흡수하는 염료를 이용하는 방법이다. 염료가 빛을

흡수하여 전자를 전극에 주입하므로 좋은 염료가 개발된다면 효율을 높일 수 있다.

하지만 현재까지 개발된 염료는 루테늄계 유기 염료인데 이 염료가 매우 값비싸 실

용성이 떨어진다.17)

Science. 293 (2001), pp. 269-271.17) 이일형 등.『염료감응 태양전지』. 과학기술부: 과천, 2005.

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 143

탄소가 첨가된 경우와 그렇지

않은 경우 이산화티탄의 광흡수 정도를

나타내는 그래프

(출처: S. Kahn et al.(2002))

따라서 더 다양한 원소를 여러 가지

공정 조건에서 실험하여 최적의 첨가

원소를 찾아내는 노력이 필요하다. 또

한 염료의 경우에도 좀 더 저렴하면서

화학적으로 안정되고 넓은 파장대의 빛

을 흡수할 수 있는 염료의 연구가 필요

하다.

일단 광전화학적 반응은 물질의 덩어

리(bulk) 보다는 계면(interface)에서

일어나는 과정이다. 평활전위, 또 본

논문의 수준 상 언급하지 않았지만 분

리(segregation)와 같은 현상을 더욱

완벽하게 이해하기 위해서는 더 많은 계면의 연구가 필요하다. 계면 연구의 예로는

Bikondoa 등이 STM (Scanning Tunneling Microscope)를 이용하여 이산화티탄 표면

의 산소 결함에서 물이 수소와 산소로 분해됨을 보인 예18) 등이 있다.

특정한 재료에서 하나의 성질 변화가 재료의 다른 성질에 영향을 줄 수 있기 때

문에 하나의 변수에 대해서 연구를 하게 되면 에너지 변환 효율(ECE, Energy

Conversion Efficiency)은 오히려 낮아질 수 있다. 결론적으로 고성능의 광 전극

재료들을 찾을 때에는 하나의 변수만 생각해 볼 것이 아니라 고려할 수 있는 여러

변수들의 영향을 염두에 두어야만 한다는 것이다.

크롬 이온 첨가의 TiO2 띠 간격, 그리고 에너지 변환 효율에 대한 영향이 바로 문

제의 복잡성을 알려주는 좋은 예이다. Wilke와 Brauer는 TiO2격자에 다른 원자가의

이온을 혼합하였을 때, 띠 간격이 첨가하지 않았을 때의 3.1eV에서 Mo 첨가의 경우

2.85eV, Cr 첨가의 경우 2eV로 각각 줄어들었음을 보고하였다. 하지만 이 중 Cr 첨

18) O. Bikondoa et al., “Direct visualization of defect-mediated dissociation of water on

TiO2(110).” Nature Materials. 5 (2006), pp.189-192.

144

TiO2의 IPCE 그래프

(출처: A. B. Murphy et al.)

가로 인한 띠 간격 감소 효과는 에너지 변환 효율을 향상시키지 못하였다. 이렇듯

Cr 첨가로 인한 띠 간격 감소로 인해 에너지 변환 효율 향상을 예상했던 것과는 달

리 실제로는 부정적인 효과가 나타난 이 모순된 결과는 다음과 같은 이유 때문인

것으로 생각된다.19)

⋅Cr의 첨가로 전자-홀의 수명이 첨가하지 않았을 때의 90μs에서 첨가하였을 때 30μs로 감소하였다. 그 결과 전자와 홀이 빠르게 재결합하고 결과적으로

에너지 손실이 증가하였다.

⋅Cr의 첨가로 TiO2 광전극의 옴 저항이 증가하였다.

많은 연구 중 광전환 효율(photocon-

version efficiency)을 측정할 때 인공

빛을 사용한다. 대표적인 인공적인 빛 소

스에는 제논 램프가 있다. 이 제논 램프

를 이용하여 측정한 효율은 표준 AM1.521)

에서 측정한 효율과 비교했을 때 상당한

과대평가를 초래했다. 이 현상은 띠 간격

이 큰 TiO2에서 더 두드러졌다.

이런 현상의 이유는 여러 문헌에서 광

전환 효율이 구해져 왔지만, 이 실험값들

이 많은 경우 제논 램프나 다른 인공 빛의 스펙트럼과 AM1.5 광 스펙트럼 간의 차

이를 고려하지 않은 측정값들이기 때문이다. 다시 말하면 제논 램프와 같은 인공

빛에서는 에너지가 좀 더 단파장 쪽으로 치우쳐 있다는 것이다. 따라서 다른 빛 소

스를 통해 측정한 효율들이 제각각이므로 서로 다른 연구에서 나온 효율 결과들을

19) J. Nowotny et al. pp. 521-544.20) A. B. Murphy et al. “Efficiency of solarwater splitting using semiconductor

electrodes.” International Journal of Hydrogen Energy 31 (2006), pp. 1999-2017.21) AM 1.5란 ASTM (American Society for Testing and Materials)에서 정한 기준으로서 AM = 1 /

cos α로 나타내고 여기서 α는 위도를 나타낸다. AM 1.5에 해당하는 위도는 48.2°로서, 이 위

도에서는 빛이 위도 0°에서보다 공기의 층을 1.5배만큼 많이 지나게 된다.

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 145

비교하기 힘들다.

신뢰할 수 있는 그리고 서로의 결과를 비교할 수 있는 표준 태양 스펙트럼 하에

서의 효율을 구하기 위한 한 방법은 최대 효율을 낼 수 있는 전지 바이어스 전압 하

에서 IPCE (Incident photon conversion efficiency)를 측정한 후 AM1.5 태양 스펙

트럼에 대해서 적분하여 주는 것이다( 참조).

IPCE는 광자가 광전화학 전지에 입사한 후 두 전극 사이를 흐르는 광전류로 전환

되는 효율을 측정한다. 100% IPCE는 각 광자 하나가 광전자 하나를 생성하는 것에

대응한다. 손실은 입사하는 광자의 반사, 전하 운반자들의 재결합(recombi- na-

tion)으로 인해 발생하며 이때는 IPCE가 100%에 이르지 못한다.

여러 가지 대체 에너지를 비교, 분석하면서 왜 광전화학적 수소에너지가 미래의

대체에너지로서 가장 유망한지를 보였다. 또 이 광전화학적 수소 생산에 필요한 물

질의 조건을 살펴봄으로써 비용과 화학적 안정성의 측면에서 이산화티탄계 물질이

현재까지 가장 뛰어나다는 것을 알 수 있었다. 마지막으로, 이산화티탄계 물질의

한계와 앞으로의 연구 과제를 살펴보았다.

하지만 이 보고서에 여러 가지 아쉬움이 남는다. 강의의 목적 상 비전공자들도

이해할 수 있는 수준에서 작성하면서도 최신 기술에 대해 다뤄야 했기 때문에 두

마리 토끼를 잡으려다 두 마리 토끼를 모두 놓친 듯하다. 또 필자가 학부생으로서

전문적인 지식이 깊지 못하여 연구의 한계와 앞으로 연구해야 할 과제를 구체적으

로 제시하지 못한 점도 아쉽다. 그럼에도 불구하고 현재 증가하는 대체에너지에 대

한 관심을 다시 한 번 고조시키고, 그 중에서도 뜨거운 감자라고 할 수 있는 태양

수소와 관련된 기술의 최신 동향에 대해 설명한 것을 이 보고서의 의의라 할 수 있

겠다. 특히 막대한 자금이 대체에너지 개발에 투자되면서 미국의 실리콘 밸리가 현

지에서는 에너지 밸리로 불리는 현재에 이르러서도 국문으로 된 보고서는 찾아보

기 힘들기 때문에 그 의의가 더욱 크다 하겠다.

미국은 정부 차원에서 워크숍을 개최하여 보고서를 발행하고 수소 생산 기술에

146

있어서 11개 핵심과제를 선정하는 등 부산히 움직이고 있다.22) 또 이일형 등에 따

르면 염료감응 태양전지에 관한 논문이나 특허가 대부분 유럽, 미국, 일본 등에 치

우쳐 있다고 한다. 반면 우리나라의 연구는 지지부진하다고 한다.23) 20세기의 석

유 수출국 기구(OPEC)가 21세기에는 태양수소 수출국 기구로 변모할지도 모른다.

즉, 21세기 선진국으로 나아가기 위해서는 대체에너지 입국이 필수인 것이다.

따라서 정부에서는 이 분야의 우수한 연구자들에 대한 지원을 아끼지 말아야 할

것이다. 또 국내의 기업들도 반도체, IT, 디스플레이와 같은 분야에만 묶여 있을

것이 아니라 미래에 엄청난 시장이 열려 있는 이 태양에너지 블루 오션에 대해 과

감한 투자를 해야 한다. 마지막으로 직접적으로 연구를 수행해야 할 과학자, 엔지

니어들은 아직 정확히 알려지지 않은 물질 간 계면의 메커니즘을 규명하고, 태양에

너지를 좀 더 효율적으로 활용하기 위한 연구에 매진해야 할 것이다.

김외현.「유엔, 바이오 연료 폐해 지적」. 『한겨레신문』. 2007년 5월 10일.

이일형 등.『염료감응 태양전지』. 과학기술부: 과천, 2005.

이충환 외.「무한대 청정에너지 공급하는 인공태양 핵융합」. 『과학동아』. 192 (2001), pp. 62

∼85.

임영묵.「바이오매스 재생에너지의 지방정부 도입 타당성 조사 및 제언」.『유기성자원학회 학술

논문발표대회 논문집』. (2006): 118∼130.

정종화, 김양근.「조력발전 기술현황 및 전망」.『한국태양에너지학회지』. 6 (2007): 3∼8.

R. Asahi et al., “Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides.”

Science. 293 (2001), pp. 269-271.

T. Bak et al., “Photo-electrochemical hydrogen generation from water using solar energy:

Materials-related aspects.” International Journal of Hydrogen Energy. 27 (2002), pp.

991-1022.

E. Barbier. “Nature and technology of geothermal energy.” Renewable and Sustainable

Energy Review. 1 (1997), pp. 1-69.

22) U. S. Department of Energy. Basic Research Needs for the Hydrogen Economy. 2nd ed. 2004.23) 이일형 등.『염료감응 태양전지』. 과학기술부: 과천, 2005.

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 147

O. Bikondoa et al., “Direct visualization of defect-mediated dissociation of water on

TiO2(110).” Nature Materials. 5 (2006), pp. 189-192.

R. H. Charlier. “Sustainable co-generation from the tides: A review.” Renewable and

Sustainable Energy Reviews. 7 (2003), pp. 187-213.

M. Grӓtzel. “Photoelectrochemical Cells.” Nature. 414 (2001), pp. 338-344.M. I. Hoffert et al., “Advanced technology paths to global climates stability: energy for

a greenhouse planet.” Science. 298 (2002), pp. 981-987.

S. Kahn et al., “Efficient Photochemical Water Splitting by a Chemically Modified

n-TiO20.” Science. 297 (2002), pp. 2243-2245.

I. D. Mays. “The environmental benefits and implications of wind energy.” Renewable

Energy. 5 (1994), pp. 537-541.

A. B. Murphy et al., “Efficiency of solarwater splitting using semiconductor

electrodes.” International Journal of Hydrogen Energy 31 (2006), pp. 1999- 2017.

J. Nowotny et al., “Solar-hydrogen: Environmentally safe fuel for the future.”

International Journal of Hydrogen Energy. 30 (2005), pp. 521-544.

U. S. Department of Energy. Basic Research Needs for the Hydrogen Economy. 2nd ed. 2004.

148

심사평우수상

황 경 환 (공과대학 재료공학부)

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소

흔히 ‘이과(理科)’는 ‘문과(文科)’와 대비하여 글쓰기가 그다지 중요하지

않은 것처럼 오해하곤 한다. 그러나 아무리 훌륭한 연구결과를 얻었다고 하더라도

이를 적합한 모습의 글로 발표하지 않는다면 아무 소용이 없게 된다. 특히 연구결

과가 매우 독창적이거나 새로운 것이라면 더욱 상세하고 친절한 글로 이를 서술해

야 한다. 그래야만 그 연구의 내용을 더 많은 독자가 더 잘 이해할 수 있게 될 터이

기 때문이다. 게다가 상당히 전문적인 성격을 띠고 있는 내용의 글을 소수의 전문

가들만 알아볼 수 있도록 쓴다면 자칫 그 연구를 알아줄 수 있는 잠재적인 다른 연

구자들을 처음부터 독자의 테두리에서 배제해 버리는 셈이 된다.

이와 같은 맥락에서 황경환의 글은 ‘이과생’이 써야 하는 좋은 글의 한 모범을

보여주고 있다. 이 글은 광전화학적 수소가 가장 유망한 대체에너지라는 주장을 비

교적 충실한 근거를 제시하면서 전개하고 있는 논문으로서, 글의 구성이나 서술이

매끄럽고, 글쓰기의 필요한 요소들을 잘 갖추고 있다. 주요 대체에너지 후보들을 비

교하여 분석하고, 이산화티탄계 화합물을 이용한 광전화학적 수소생산이 우월한 점

을 잘 논증했다. 참고문헌의 활용이 적절하며, 결론도 비교적 참신하게 전개하고 있

다. 전문적인 내용을 알기 쉽게 설명하려고 애쓴 노력이 뚜렷하다. 그림이나 표와

같은 시각자료를 효과적으로 이용하여 일목요연한 느낌을 주는 것도 이 글의 장점

중 하나이다. 사소할 수도 있지만, 제출한 글의 본문과 소제목과 그림 설명 등에 보

이는 글꼴 및 글자크기의 섬세한 선택으로부터 글쓴이의 심미안을 엿볼 수 있다.

가장 유망한 대체에너지로서의 광전화학적 수소 / 황경환 • 149

특히 이런 내용의 글은 관련 분야의 기술발전현황(status of art)을 주르륵 나열

하고 마는 상투적인 보고서에 그치기 쉽다. 가령 대체에너지에는 어떤 것이 있으며

그 장단점은 무엇이고 비용이나 전망은 어떠한지를 잘 정리해 놓는 식이다. 어떤

경우에는 이렇게 특정 기술의 발전현황을 조감할 수 있는 글도 좋은 글로 평가할

수 있을 것이다. 그러나 이런 종류의 글에서도 글쓴이의 독특한 관점이나 강조점이

잘 드러나게 하는 것이 바람직하며, 이는 과제로 제출하게 되는 리포트에서도 마찬

가지이다. 황경환의 글은 대체에너지 기술을 나열하는 단계를 넘어서서 적극적으

로 광전화학적 수소를 이용한 기술의 우월성을 주장하고 설득했다는 점을 높이 평

가할 수 있다.

아쉬운 점을 지적하자면, 먼저 내용의 무게에 비해 전체의 분량이 적다는 점을

들 수 있다. 전문적인 성격의 글이 짧아지면 그만큼 글의 가독성이 줄어들게 된다.

글의 내용을 얼마나 상세하고 친절하게 서술할 것인지는 글의 독자를 어떤 사람으

로 상정하는가에 따라 달라진다. 가령 셋째 절 ‘광전화학적 수소생산의 원리’는

매우 짤막하게 처리해 버렸는데, 이 부분을 더 자세하게 다루었더라면 독자가 광전

화학적 수소생산이 대체에너지로서 왜 유리한지 더 잘 알 수 있었을 것이다. 또 그

림이 많이 나오는데, 그림에 대한 설명이 별로 없고 단지 “그림 3 참조”와 같이

처리해서 그림에서 말하는 내용을 파악하기가 쉽지 않다.

다윈의 종의 기원은 아름답고 설득력 있는 문장으로 정평이 나 있으며, 잘 알려진 논문들이 깔끔하고 잘 정돈된 문체로 유명한 경우가 많다. 대학 교육에서 리

포트를 통한 글쓰기의 훈련이 얼마나 중요한지는 새삼 다시 강조할 필요도 없겠지

만, 이공계 및 의약학계에서도 제대로 규칙을 지키면서도 자신의 창의적인 사고를

적절하게 글로 잘 표현할 수 있는 능력이 매우 중요하다. 앞으로 이 글과 같이 잘

갖추어진 ‘이과’ 리포트가 많이 나오게 되길 희망한다.

김재영(기초교육원 과학과 기술 글쓰기 전임대우 강사)