[산업계동향] 신기술ㆍ신제품 개발 소식

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폴리머 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 비교 연구

독일 연구진은 폴리머 태양전지의 전극을 제조할 수 있

는4가지 방법들을 서로 비교하는 새로운 연구를 수행했다.

태양전지의 폭넓은 적용을 위해서 많은 연구들이 수행되 었다. 전 세계의 많은 연구진들은 더 높은 효율을 가진 광발 전 장치를 개발하기 위해서 현재 많은 노력을 기울이고 있 다. 예를 들어, 대부분의 폴리머 태양전지는 한 개 또는 더 이상의 층으로 적층하기 위해서 고진공 공정을 이용한다.

높은 전도성을 가진 금속 후방 전극(back electrode)은 순수한 금속 증착에 의해서 제조된다. 진공 처리 기술을 사 용해서 폴리머 태양전지를 대량 생산하는 것은 불가능하지 않지만, 몇 가지 단점을 가지고 있다: 처리 속도, 장비에 대 한 재정적 투자 등. 이것을 해결하기 위해서는 폴리머 태양 전지 모듈을 제조하는데 가장 적합한 기술적 생산수율, 사 용되는 재료, 처리 속도 등을 개발하는 것이다. 덴마크 공과 대학(Technical University of Denmark)의 연구진은 폴리머 태양전지의 은(Ag) 후방 전극을 프린팅할 수 있는 4가지 서로 다른 롤-투-롤(roll-to-roll) 프린팅 방법을 비

교했다.

이번 연구진은 평상형 스크린 프린팅, 회전 스크린 프린 팅, 플렉소 인쇄술(flexography), 잉크 프린팅을 사용했 다. 이런 프린팅 기술의 경우에, 이번 연구진은 서로 연결된 폴리머 태양전지 모듈의 대면적 제조성을 서로 비교했다.

모든 프린팅 방법들은 더 나은 분석을 위해서 동일한 태 양전지 적층을 가진 주위 조건 하에서 롤-투-롤 처리 방법으 로 수행되었다. 이 연구는 우수한 성능을 가진 폴리머 태양 전지 모듈과 높은 효율을 가진 장치 제조를 달성하는데 프 린팅 방법이 큰 기여를 할 수 있을 것이라는 것을 보여준다.

이번 연구진은 각 방법의 장점과 단점을 분석했고, 그들 의 적용 범위를 제시했고, 이런 데이터를 통해서 권장사항을 만들었다. 연구진은 이 연구결과가 몇 가지 분야에서 폴리머 태양전지에 큰 진전을 이끌 수 있을 것이라고 강조했다.

이 연구를 통해서, 이번 연구진은 가장 적절한 방법으로 양성(良性)의 유기 용매를 고려했고, 물 기반의 잉크가 최 적의 잉크 배합을 가질 것이라고 제시했다. 프린터할 수 있 는 새로운 정공 추출층(hole extraction layer)은 물 기반 의 은 잉크를 사용함으로써 만들어질 수 있을 것이다. 이 연 구결과는 저널 Advanced Engineering Materials에

“ Comparison of Fast Roll-to-Roll Flexographic, Inkjet, Flatbed, and Rotary Screen Printing of Metal Back Electrodes for Polymer Solar Cells”라는 제목 으로 게재되었다(DOI: 10.1002/adem.201300011).

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=60 33&cont_cd=GN

(KISTI 미리안, 2013년11월4일)

비용은 들지 않으면서 효율성은 매우 높은 혁 신적인新태양전지기술

미국의 혁신가들은 실리콘(silicon)으로 만들어진 보다 효율적이면서 낮은 비용을 가진 태양전지를 만드는데 있어 몇 가지 카드(card)를 가지고 있다. 즉, 그들은 몇 가지 기

술 또는 아이디어로 실리콘 기반 태양전지의 비용과 효율 성이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡으려고 한다. 미국의 혁 신가들은 태양광 전지와 모듈 분야에서 혁신을 도모하기 위해 고군분투하고 있는 사람들이다.

최근 돌파구? 제조업체TetraSun社와 미에너지부의

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미국립재생에너지연구소 간 파트너십(partnership) 생성

? 는 미국 태양광 발전기술 제조를 촉발할 수 있었다. 특히, 이러한 접근방식이 다음 해 조립라인에 적용될 경우 더더 욱 그러하였다. 이러한 태양전지를 제조하기 위한 혁신적 인 디자인(design)과 간편한 건축기술, 그리고 우아한 공 정흐름은 이러한 태양전지기술을 대규모 생산을 가능하게 하는 우선적인 후보군으로 만들고 있다.

태 양 광 발 전 산 업 리 더(leader)인 First Solar社 는 2013년4월TetraSun社를 인수하였다. 그들은 올해의 탑 이노베이션(top innovation)을 위해 열망하는R&D 100 어워드(Awards) 중 하나를TetraSun社와 미국립재 생 에 너 지 연 구 소 에 수 여 하 였 다 고 R&D 매 거 진 (Magazine)을 통해 발표하였다.

태양광 발전기술 인큐베이터 프로그램(PV Incubator Program)의 참여를 유도할 수 있는 잠재적인 파열기술 전 형적으로 실리콘 태양광 전지 제조업체들은 프론트 접점을 만들 수 있는 스크린 프린팅 프로세스(screen printing process)를 활용하여 태양전지에 박막형 은선으로 구성 된 배전망을 더하였다.

대신에TetraSun 태양전지는50마이크론(micron) 폭 의 구리전극을 프론트 접점 위에 설치하고 있다. 이를 통해 금속의 확산현상? 성능을 저하시킬 수 있음- 을 미연에 방 지하고자 하였다. 이러한 새로운 프로세스는 어떤 특별한 설비의 도움 없이 그리고 복잡한 모듈조립이나 비용이 많이 들어가는 투명 전도성 산화물의 필요 없이 전통적인 이형접 합 전지의 성능을 능가하고 있다. 그것은 대량생산이라는 측면에서 비용우위를 더할 수 있는 장점을 가지고 있다.

좀 더 구체적으로 미국립재생에너지연구소 Martha Symko-Davies 연구원? TetraSun社가2010년 지원금 을 수령하였을 때 미에너지부의SunShot 태양광 인큐베 이터 프로그램 기구의 수장이었음? 은“이것은 잠재적으 로 파열기술이다. 그리고 그것은 왜 우리가TetraSun社와 함께 일을 할 것을 결정한 이유이다. 미에너지부의 인큐베 이터 프로그램은 작은 시작으로부터 파열적인 혁신을 지지 하고 있다. 이는 우리들이 아직은 미국에서 혁신을 할 수 있 다는 것을 보여주고 있다. 사람들은 실리콘에서 할 수 있는 것이 아무것도 없다는 것을 생각하였다. 하지만, 수행되어

야 할 상태로 남겨진 것은 남아있다”고 말했다.

Symko-Davies 연구원은 쇼클리 퀘이서(Shockley- Queisser) 효율 제약을 언급하고 있다. 이는 실리콘 태양 전지의 효율성이29%를 초과할 수 없음을 상정하고 있다;

즉, 태양전지에 이르는 광자의29% 이하가 전력으로 전환 될 수 있음을 의미한다. 현대의 단결정질 태양전지는 태양 전지 반사율과 태양전지 표면 위 박막형 와이어(wire)로부 터 발생하는 빛 장애와 같은 실질적인 조건으로 인해22%

이상의 변환율을 달성할 수가 없다. 그것은 분석가들이 TetraSun 태양전지에 열광하는 이유이다. TetraSun 태 양전지는 비용을 낮추기 위해 구리로 은을 대체함으로써 21% 효율을 달성하였다.

TetraSun社는 독특한 아이디어(idea)를 가지고 있다.

하지만, 미국립재생에너지연구소의 측정 및 묘사를 할 수 있는 능력은 이를 실용적으로 만들 수 있다. 이에 대해 미국 립재생에너지연구소 선임연구원인Mowafak Al-Jassim 연구원은“이러한 차이는 실리콘의 경우 많이 떨어지기 때 문에 모든 구성부품의 비용은 중요한 것이 되었다. 특히, 당 신이 이러한 물질의 면적과 성능에 대해 말할 때 비용은 더 욱 중요하게 된다. 우리는 수GW의 전력을 생산하기 위해 이러한 태양전지판을 충분히 만들기 위해 노력하고 있다.

그것은 많은 은을 필요로 하게 된다. 우리는 이러한 은을 동 등한 성능을 가진 전도체로 대체할 필요가 있다. 물론 대체 가 될 전도체는 은보다 그 비용이 매우 저렴한 편”이라고 말했다.

경비업무: 결점을 발견하고 그를 치료할 수 있는 치료법 을 개발하기

구리는 좋은 전도체이자 연결장치이다. 하지만, 은과는 달리 구리는 전기가 놓이는 곳에 잘 머물러 있지를 않는다.

연구진들은 구리의 분산을 조절할 수 있는 방법을 찾아야 만 했다. 따라서 구리는 태양전지와 모듈(module)을 강등 시키고 등급을 하락시키지는 않는다. Al-Jassim 연구원의 역할은 구리를 사용해야 한다는 새로운 연결장치를 특징화 하는 수단을 개발하는 것이다. 그는 이러한 전지접촉기의 전기적 특성을 분석하고 최적화하기 위해 정전(靜電) 용량 을 스캐닝(scanning)하는 것으로 변환을 하였다.

미국립재생에너지연구소와TetraSun社는 이 기술을

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완벽하게 완료했기 때문에 이들 조직들 간 파트너십 (partnership)은 장거리 체스(chess)와 유사하였다. 그 들은 이메일(email)과 서로 오가면서 협력을 하였다.

TetraSun社는 샘플(sample) 하나를 보내었다. 그리고 미국립재생에너지연구소는 이 장비에 장착되어 있는 구리 의 균등성과 지속성을 실험하게 될 것이다.

처음 몇 번 현미경을 통해 구리를 유심히 관찰한 미국립 재생에너지연구소 연구진들은 리본(ribbon)이 아니라 구 슬을 볼 수 있었다. 그로 인해, 태양전지의 열악한 성능을 유발할 수 있는 심각한 결함인 구리의 단절을 보여주고 있 다. 이는 오락가락 하는 말이었다. 그들은 거대한 실리콘 웨 이퍼(wafer)의 작은 부분의 실험을 하였다? CD 케이스 (case)보다 더 큰156 밀리미터(millimeter)의 면적을 가 지고 있음.

이와 관련하여Al-Jassim 연구원은“우리는 이러한 결 과를TetraSun社에 보고하였다. 그들은 그러한 모든 단절 현상을 관측하였으며, 다른 접근방식과 치료법을 추구하고 자 하였다. 우리는 이를 다시 검증하였다. 그리고 그 결과를 다시 이메일을 활용하여 보고하였다. 결국, 우리는 우리가 관측하고자 그리고 보고자 하였던 것을 가질 수 있었다”고 언급했다.

이러한 구리선이 인간의 머리카락 넓이의25분의1 정 도 된다고 말하고 있는Al-Jassim 연구원은“이는 매우 힘 든 과정이었다. 왜냐하면, 우리는 태양전지의 다양한 영역 에서 나온 수많은 부품을 표본조사하여야 했기 때문이다.

하지만, 그것은 미국립재생에너지연구소가 관심을 가지고 있는 분야이다? 특히, 우리가 나노(nano) 크기로 측정하 고 있을 때 이상의 연구결과는 더욱 중요하다”고 말했다.

뿐만 아니라, 미국립재생에너지연구소는TetraSun社 로 하여금 태양전지 효율성을 증가시키는데 도움을 줄 것 이다. 그러는 동안 산출량을 증가시키는 것을 유지하게 될 것이다. 좀 더 구체적으로Al-Jassim 연구원은“우리는 그 들에게 왜 이러한 좋은 태양전지가 좋은 이유를 말하였다.

그리고 나쁜 것은 왜 나쁜지에 대한 이유도 언급하였다. 이 는 실제로도 과학적인 탐색 자업이다. 이것은 정말 쉬운 일 이 아니다. 하지만, 미국립재생에너지연구소는 이러한 테 스트를 하기에 제대로 설비를 갖추고 있다”고 말했다.

뿐만 아니라, 미국립재생에너지연구소가TetraSun社의 태양전지 신뢰성을 검증하기 위한 테스트를 수행하였다:

태양전지가 섭씨85도이 온도에 노출되는 곳에서 축축 한 열 테스트를 실시하였음. 이는1,000시간 동안 상대

적 습도85%에서 열 테스트를 실시하였음.

태양전지가 섭씨 영하40도에서85도 사이에서200번 의 순환을 하는 동안 발생하는 현상을 검증하는 열-사이 클링 테스트를 실시함.

태양전지가 자외선 정량에 노출되는 곳에서 자외선 테 스트를 실시하였음.

이전보다 더 중요한 절약(감소)의 극대화

태양전지로부터 절약을 할 수 있는 중요성은 지난5년 동 안 급소도로 증가하였다. 왜냐하면, 제조업체들이GW 규 모로 태양광 발전설비를 증가시키고자 하였기 때문이며, 특히, 중국의 태양광 발전산업이 비용과 수익을 낮추었기 때문이다.

최근 기업들은 항상 그들 태양전지의 효율성을 개선시키 기 위해 비용을 증기시켜야만 했다. 이에 대해Al-Jassim 연구원은“TetraSun社는0.2% 정도라도 효율성을 개선 시킴과 동시에 비용을 감소시키는 것을 유지할 수 있었다.

이는 매우 중요한 일”이라고 말했다.

미 국 립 재 생 에 너 지 연 구 소 의 Harin Ullal 연 구 원 ?

TetraSun社와의 연구를 관리하였음? 이18개월만에

20$ 효율성을 달성하는 것은 일반적인 것은 아니다? 그리 고 태양전지의 파열기술을 보여주고 있다. 좀 더 구체적으 로 그는“그것은 스크린 프린팅 실리콘 태양전지의 효율성 이17%에서19% 정도 증가하였다. 그리고 이를 비교하여 그 결과를TetraSun社에 알려주었다”고 말했다.

Ullal 연구원은 프론트 접점선 위의 물질을 값비싼 은에 서 풍부하고 저렴한 구리로 대체하는 것과 함께 이러한 새 로운 기술은n-형 실리콘 웨이퍼를 사용하고 있다. 이는n- 형 웨이퍼에게 전도성 전자 과잉을 제공하고 있는 불순물 로 덮여져 있다(그와는 달리, p-형 태양전지는 전자보다 더 많은 전자 구멍을 가지기 위해 가득 차 있다). n-형 웨이퍼 들은 보다 일반적인 형태인p-형 웨이퍼 대비 태양전지 효 율성을 개선시킬 수 있다. p-형 웨이퍼는 광유도 강등을 경

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험할 수 있다. TetraSun 태양전지 구조 설계, 부식저항성, 그리고n-형 실리콘 도핑(doping: 반도체에 불순물을 첨 가하여 전기적 특성을 얻기) 물질 선택에서의 혁신은0.2%

보다 더 많은 효율성을 획득할 수 있게 해줄 것이다.

이에 대해Ullal 연구원은“2020년, 이 기술은 미에너지 부의SunShot 목표에 도달할 가능성이 높다. 미에너지부 의 목표는 태양광 발전시스템의 경우1와트(watt)당1달 러의 비용절감을 목표로 하고 있으며, 전력생산의 경우 1kWh당6센트(cent)가 비용절감에 도달할 수 있을 것”이 라고 말했다.

TetraSun社를 위한 연구팀을 이끌고 있는 사람은 Oliver Schultz-Wittmann 연구원, Denis DeCeuster 연구원, Adrian Turner 연구원, 그리고Doug Crafts 연 구원들이다. Al-Jassim 연구원, Symko-Davies 연구원,

그리고Ullal 연구원과 함께 미국립재생에너지연구소 연구

팀에는Peter Hacke 연구원, Chunsheng Jiang 연구원, 그리고Richard Mitchell 연구원 등이 포함되어 있다.

First Solar社는 카드뮴 텔루라이드(cadmium telluride) 태양전지와 관련하여 전세계적인 명성을 가지고 있다. 이 는 주기율표 중 두 번째와 여섯 번째에서 나온 것들이다. 그 러한 원소들은 파운드(pound)당 비용이 매우 높은 편이 다. 하지만, 그들이 가격적인 측면에서 실리콘에 이의를 제 기할 수 있는 그러한 박막형 태양전지를 필요로 하게 될 것

이다. 하지만, 오늘날 실리콘은 태양광 발전시장에서 가장 높은 시장점유율을 지속적으로 움켜잡고 있다. TetraSun 社를 인수합병한First Solar社는 박막형 태양전지와 실리 콘 태양전지 모두에서 두각을 낼 자세를 취하고 있다.

First Solar社 최고경영자인Jim Hughes 사장은 지난 4월First Solar社가TetraSun社를 인수하였다고 말하였 다. 인수를 한 이유는First Solar社의 결정질 실리콘 태양 전지들이 보다 간단한 디자인을 사용하여 고효율성을 달성 할 수 있으며, 작은 프로세스 단계만을 필요로 하고 전통적 인 다결정질 실리콘 태양전지보다 폭넓은 내성(저항력)을 가 지고 있기 때문이다. Hughes 사장은TetraSun社의 기술 이 거대한 포맷(format)의 웨이퍼를 사용하여 비용을 감소 시킬 수 있으며, 값비싼 은과 투명 전도성 산화물에 대한 필 요성을 제거함으로써 비용을 감소시킬 수 있다고 말하였다.

R&D 100 어워드의 상을 수여할 것이라는 발표를 한 Hughes 사장은“이러한 혁신적인 기술은 고효율적 솔루 션(solution)을 선호하는 태양광 발전시장의 반을 개방할 것이다. 이는 지금까지First Solar社가 지배하였던 그런 영역이 아니었다. 카드뮴 텔루라이드 태양전지를 선도하고 있는First Solar社 시장에TetraSun社의 옵션(option) 을 추가하는 것은 우리들에게 상업용 적용을 가능하게 만 들기 위해 서로 다른 영역의 한쪽 끝과 다른 한쪽 끝을 잇는 독특한 솔루션을 제공해주게 될 것”이라고 말했다.

그림 1. 미국립재생에너지연구소 선임연구원인 Mowafak Al-Jassim 연구원은 미국립재생에너지연구소에 카드뮴 텔 루라이드 관련 실험실에서 TetraSun 태양광 전지를 포함 시키고 있다. TetraSun 태양전지는 증가된 효율성과 낮은 비용을 결합시키고 있으며, 그로 인해 태양전지를 위한 일반적인 규칙을 깨뜨리게 되었다.

그림 2. 미국립재생에너지연구소는 TetraSun 태양전지와 제작을 한 태양광 모듈과 관련한 신뢰성 측정과 특성화 를 수행하였다. 미국립재생에너지연구소 연구진들은 측정 된 태양광 모듈에 수정을 개발하고 수행하기 위해 관련 기업 기술팀과 협력을 하였다. 그로 인해, 개선된 제품 성 능과 신뢰성에 기여를 할 수 있게 되었다.

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끝으로Ullal 연구원은 다음과 같은 언급을 하였다. 그는 종종 효율성 개선을 제안하고 있는 기술적 진보에는 보다 복잡하고 비용이 많이 들어간다고 말하였다. “태양전지 효 율성과 비용을 개선하는 것과 관련하여 태양광 발전산업 내 엄청난 초점이 있어왔다. 이러한 기술은 매우 특별하다.

왜냐하면, 이는 성능과 생산비용 모두를 동시에 개선할 것 을 제안할 수 있기 때문이다.”

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=24 2275&cont_cd=GT

(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』, 2013년11월18일)

반도체 물질을 녹이는 용매 발견

다양한 반도체 소재를 녹여 용액으로 만들 수 있는 용매 가 미국 서던캘리포니아대학(University of Southern California) 리차드 엘 브루체리(Richard L. Brutchey) 교수 연구진에 의해 개발되어 기존의 진공증착기법 (vacuum deposition methods)을 기반으로 하고 있는 반도체 제조기술 전반에 걸쳐 획기적인 변화가 예상된다.

현대 최첨단IT장치의 핵심을 담당하고 있는 반도체는 진공증착기법을 기반으로 하는 제조기술로 제작되고 있다.

진공증착기술은 매우 효과적인 제조기술이지만 고진공 장 치를 운용해야 하기 때문에 비용이 많이 들고, 에너지 소비 도 많다. 하지만 용액공정(Solution-phase processing) 은 분무(스프레이) 방식을 통해 저렴하고 손쉽게 반도체 박 막을 만들 수 있다. 복잡한 과정을 거쳐야 하는 진공증착 공 정과 비교할 때 용액공정 적용은 반도체 제조공정 자체에 일대 혁신을 불러일으킬 것이 분명하다.

하지만 반도제 소재를 녹일 수 있는 적당한 용매가 절대 적으로 부족하다는 점이 문제다. 현존하는 가장 효과적인 용매 중 하나는 히드라진(hydrazine)인데, 이 물질은 독성 과 폭발성이 강해서 사용에 따른 안전성에 문제가 있다. 브 루체리 연구진은 상대적으로 독성이 매우 약한 반도체 용해 용 용매를 발견했다. 두 가지 유기화합물 성분으로 이루어 진 반도체 용해용 용매는 가열을 하거나 압력을 가하지 않 고 일반적인 보통의 환경에서 반도체 소재를 녹일 수 있다.

1,2-에틸렌디아민(1,2-ethylenediamine)과 1,2-에 탄싸이올(1,2-ethanedithiol) 혼합물로 이루어져 있는 반

도 체 용 해 용 용 매 는 총 9종 의 칼 코 게 나 이 드 계 (chalcogenides) 반도체 소재를 녹일 수 있다. 이 용매로 녹일 수 있는 칼코게나이드계 반도체 소재는V2VI3의 일반 식 으 로 나 타 낼 수 있 는 이 성 분 반 도 체(binary semiconductors)다. V는 비 소(arsenic), 안 티 몬 (antimony) 또 는 비 스 무 스(bismuth)이 고, VI는 황 (sulfur), 셀레늄(selenium) 또는 텔루륨(tellurium)이다.

두 유기물질을 혼합한 용매는 칼코게나이계 반도체 소재 에 대한 용해도가 매우 좋아서As2S3, As2Se3, As2Te3, Sb2S3, Sb2Se3, Sb2Te3는21~32%(무게 기준) 수준의 고 농도 용액 제조가 가능했고, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3는 대략 1~10% 농도의 용액을 제조할 수 있었다. 반도체 제조공정 에 적용 가능성을 확인하기 위한 테스트를 진행한 결과, 고 품질 반도체 박막을 제조하는데 성공했다. Sb²Se3와Bi2S3

를 스핀코팅한 후 빠르게 열을 가해 용매를 증발시키는 방 식으로 반도체 박막을 제조한 후X-선과 현미경 및 분광학 장치를 사용해서 박막의 품질을 확인했다.

이상의 연구 성과는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는‘미국화학회저널(Journal of the American Chemical Society)’ 최 신 호 에 게 재 되 었 다.(Alkahest for V2VI3 Chalcogenides: Dissolution of Nine Bulk Semiconductors in a Diamine-Dithiol Solvent Mixture. David H. Webber and Richard L.

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Brutchey . Am. Chem. Soc., 2013, 135 (42), pp 15722?15725 DOI: 10.1021/ja4084336 e-mail:

[email protected])

NMR이 그려낸 촉매반응기 온도 지도

미국 캘리포니아대학(University of California, Los Angeles) 루이스 보차드(Louis Bouchard) 연구진이 분 광학 기법을 이용해서 물리적 접촉 없이 촉매반응기 내부 의 온 도 분 포 를 측 정 하 는 온 도 매 핑(temperature mapping)기술 개발에 성공했다. 보차드 연구진이 개발한 온도 매핑기술은 핵자기공명분광학(NMR) 기법을 이용해 촉매 반응기 내부의 온도 분포를 측정해서 온도 지도로 만 들어내는 기술로 촉매반응기 설계 및 최적화 기술 발전에 크게 기여할 것으로 예상된다.

촉매반응의 효율을 높이려면 촉매반응기의 설계가 무엇 보다 중요하다. 촉매반응기(catalytic reactors)의 구조 최적화 과정은 이런 이유에서 반듯이 거쳐야할 과정이다.

촉매반응기 내부에서 일어나는 화학반응 정도는 반응기 내 부의 온도 분포로 나타난다. 즉 온도 분포를 측정하면 반응 기 내부에서 일어나는 화학반응에 대한 정보를 얻을 수 있 는 것이다. 따라서 반응기 내부의 온도 분포를 정밀하게 측 정해서 시각화하는 온도맵핑 기술은 촉매반응기 설계와 최 적화에 매우 유용하고 중요한 도구이다.

촉매반응기의 내부 온도 분포는 보통 온도센서를 내부에 삽입해서 측정한다. 하지만 촉매반응기에서 일어나는 화학 반응은 고체와 기체 사이에서 일어나는 반응이 대부분이기

때문에 온도센서를 삽입하면 센서가 기체의 흐름을 방해해 서 측정값에 정확도를 회손 하는 결과를 초래한다. 따라서 물리적 접촉 없이 촉매반응기 내부의 온도 분포를 확인할 수 있는 측정기법의 개발이 필요했다.

만약 촉매반응기의 크기가 매우 크다면 작은 온도센서를 삽입한다고 해도 큰 문제가 되지 않을 것이다. 센서가 기체 의 흐름에 영향을 준다고 해도 그 효과가 그리 크지 않을 것 이기 때문이다. 하지만 최근 들어 많이 연구되는 마이크로 반응기(microreactors)에선 상황이 달라진다. 센서에 의 한 영향을 무시할 수 없는 상황이 되는 것이다.

새로운 온도 매핑기술은 마이크로반응기에 나타나는 자 기장 변화율(magnetic field gradient)을NMR로 읽어서 온도를 측정하는 방식이다. 온도가 높은 기체 분자는 움직 임이 빠르기 때문에 상쇄되지만, 온도가 낮은 기체 분자는 상대적으로 움직임이 느려서 자기장 변화율에 영향을 받게 된다. 따라서 이러한 기체 분자의 움직임과 자기장 변화율 의 상관관계를 읽어내면 특정 위치의 온도 측정이 가능해 지는 원리다.

이 기 법 을 이 용 해 서 보 차 드 연 구 진 은 프 로 필 렌 (propylene)과 수소가 반응해서 프로판(propane)으로 환원되는 수소화반응(hydrogenation) 과정에서 나타나 는 촉매반응기 내부의 온도 분포 변화를1밀리미터 단위로 구분할 수 있는 온도 지도를 만들어내는데 성공했다. 온도 지도를 보면 촉매반응기 내부에 뜨거운 부분(hot spot)과 차가운 부분(cold spot)의 분포를 한눈에 알 수 있다. 화학 반응이 일어날 때 촉매반응기 내부에 온도 분포가 어느 한 쪽으로 편중되지 않고 고른 것이 가장 이상적이다.

이상의 연구 결과는 저명한 과학잡지‘네이쳐(Nature)’

최 신 호 에 게 재 되 었 다.[Thermal maps of gases in heterogeneous reactions. Louis-S. Bouchard et.

al., Nature 502, 537-540 (24 October 2013) doi:10.1038/nature12568]