포항공과대학교 환경공학부 박사과정 장점석 (jangjs75@postech.ac.kr)

수소가 미래의 에너지원이 될 것이라는 것은 꼭 130년 전, 프랑스의 소설가 쥘 베른 (Jules Verne)의 “신비의 섬 (1874년)”이라는 공상 과학소설에서 처음 언급 되었다. “... water will one day be employed as fuel, ... hydrogen and oxygen which constitute it, used singly or together, will furnish an inexhaustible source of heat and light, of an intensity of which coal is not capable." (언젠가 물이 연료로 이용될 것이다. 물을 이루고 있는 수소와 산소는 각자 단독으로 혹은 둘이 함께 사용되어, 석탄이 따라가지 못할 정도로 강렬하고 고갈되지 않는 열과 빛을 내게 될 것이다) 1. 에너지 위기 극복의 근본적인 대비가 필요하다 프린스턴대 석유지질학 교수 케니스 S. 데피에스는 그의 저서「파국적인 석유위기가 닥쳐오고 있다.」에서 “21세기는 보이지 않는 에너지 전쟁의 시대가 도래할 것이다.”라는 에너지 위기성을 언급한 바 있다. 많은 사람들은 21세기에 예상되는 에너지 자원고갈의 심각성과 환경문제가 나와는 전혀 관계없는 것처럼 느끼며 살아가고 있다. 하지만, 이런 상황은 머지않은 바로 우리의 현실로 다가오고 있다. 보고에 따르면, 주요 에너지원의 가채 년수(2002년 기준)는 석유 40.6년, 천연가스 60.7년, 석탄 204년으로 수십 년 내에 화석에너지원 고갈이 문제될 것으로 추정하고 있다. 따라서, 에너지의 안정적 확보를 위한 대책 마련과 함께 미래 에너지 개발에 관한 근본적 대비가 필요하다. 2. 아름다운 수소에너지 사회 도래 인류학자들은 21세기의 에너지원이 수소가 될 것이며, 머지않아 수소에너지 사회가 도래할 것이라고 주장한다. 왜 그런가? 물음에 대한 해답은 인류의 연료역사를 통해 확인할 수 있다. 인류가 사용한 연료는 나무, 석탄, 석유, 천연가스 등으로서 고체, 액체, 기체 연료로 변천해가고 있다. 연료는 주로 탄소와 수소 성분으로 이루어지는데 고급연료로 변함에 따라 탄소보다는 수소가 많이 함유되는 구성을 이룬다. 궁극적으로는 탄소가 전혀 없이 순수한 수소만이 미래의 연료가 되리라는 예측이 가능하다. 수소는 탄소를 전혀 포함하지 않는 연료이므로 연소하면 무공해 물질인 물만을 만든다. 이 물은 다시 태양에너지, 수력, 풍력 등 재생가능 에너지원에 의해 분해 될 수 있으므로 수소는 무한대의 완전 무공해 사이클을 이루는 에너지로 사용될 수 있다. 이러한 수소의 특성은 이상적인 미래 에너지 형태로서 “아름답다”고 표현할 수밖에 없다. 3. 태양에너지를 이용 수소제조 기술 현재 태양에너지를 유용한 수소에너지원으로 전환하는 방법은 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 자연의 광합성이 그 첫 번째로 자연 광합성을 모사한 인공 광합성에 의하여 바이오매스를 제조하여 수소로 전환시키거나 미생물을 활용하여 직접 수소를 제조하는 기술들이 연구되고 있다. 두 번째는 태양광 발전(Photovoltaic, PV) 설비를 이용하는 것으로 빛에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 상이한 반도체 물질을 접합시켜 그 계면에서 발생한 전위 사면을 이용하여 전류를 외부회로로 흐르게 하고 이 과정에서 전력을 얻는다. 이렇게 얻어진 전기로써 물을 전기 분해시켜 수소를 얻는다. 세 번째 방법으로는 반도체 전극, 분말, 콜로이드 등을 빛에너지 흡수에 이용하여 직접 물 분해에 의한 수소제조와 같은 광화학 반응을 야기 시키는 광촉매를 들 수 있다. 이에 관한 연구는 1972년에 Fujishima와 Honda가 TiO2 단결정 전극에 빛을 조사하면 물이 수소와 산소로 분해된다는 사실을 처음으로 보고함으로써 시작되었으며, 이후 광촉매를 이용하여 수소를 제조하는 연구는 엄청난 잠재성 때문에 폭발적으로 증가하였다. 최근 들어 연료전지의 필요성이 부각되면서 수소제조에 대한 연구가 활발히 진행되어 있으며, 이를 실용화하기 위하여 본 실험실과 많은 연구자들이 끊임없이 노력하고 있다. 광촉매와 태양빛을 이용하여 물로부터 수소를 제조하는 원리는 다음과 같다. 태양으로부터 특정 파장의 빛에너지를 받으면 광촉매내에서 전자와 정공이 생성된다. 생성된 전자와 정공은 표면으로 이동하여 각각 산화 반응과 환원반응이 일어난다. 즉, 전자와 수소양이온이 결합하여 수소를 생성하고, 정공과 수산화음이온이 결합하여 산소를 생성한다. 그림. 수소발생 원리

4. 이 시대가 요구하는 사명 태양에너지(광촉매)를 활용하여 물에서 수소를 제조할 경우 사실상 무한정한자원이며, 재생 가능하다. 전기에너지나 열에너지에 비하여 액체수소나 고체 수화물 형태로 저장 및 수송이 가능하다. 따라서 기존의 화석연료를 대체하여 공급시스템에 큰 변화 없이 활용될 수 있으며 연료전지를 활용한 발전, 초음속 비행기 연료, 촉매연소용 연료, 자동차 연료 등에 널리 응용될 수 있다. 그러나 이의 실용화를 위해서는 아직도 해결해야할 많은 문제점들이 많다. 먼저, 태양에너지로부터 수소를 제조하는 가격이 낮추어져야하고, 효율이 높아져야 한다. 또한, 수소를 이용하는 제품들이 기술의 발전으로 인해 더 많이 개발되어지고, 이를 사용하는 소비자도 더 많아져야한다. 이를 극복하기 위하여 나와 여러분들은 수소에너지에 대한 이해와 관심을 가지고, 수소에너지 제조에 대한 기술을 개발하기 위하여 부단히 노력해야 한다. 그림. 수소에너지를 이용한 응용 사례