장윤희 (yhjang@gist.ac.kr) 2010 GIST Science Camp 2010. 7. 25-29 에너지 위기를 극복할 신소재 개발 장윤희 (yhjang@gist.ac.kr) 광주과학기술원 신소재공학부

에너지 위기 40-60 년 후 에너지 수요는 현재의 2 배로 증가 예상 (13.5 TW → 26 TW) (from Marc Fontecave) 조명 에너지 ~ 전체 에너지 소모량의 약 10% 40-60 년 후 에너지 수요는 현재의 2 배로 증가 예상 (13.5 TW → 26 TW) 특히 중국과 인도의 산업화에 따라 더욱 급한 증가 예상

연료 고갈, 자원 전쟁 위기, 지속 가능 에너지 현재 전체 에너지 소모량의 87%를 화석연료에 의존. 화석연료 매장량 한계: 석유 < 150년, 천연가스 < 600년. 대체 에너지로서 핵에너지가 빠른 성장을 보이나, 한정된 우라늄 매장량 (< 100년) 때문에 한계에 부딪힐 것이 예상됨. 특히 지하자원이 풍부하지 않는 국가의 경우 그 한계는 더욱 명백. 지하자원 무기화, 지하자원 확보를 위한 무력 쟁탈 등 자원 전쟁 예상. 현재 에너지 소모량 분포 (from Wikipedia)

지구 온난화, 기후 변화 위기, 청정 에너지 화석 연료 소모 후 배출되는 이산화탄소가 지구 온난화의 원인으로 지목 받음 – 온실 가스 이산화탄소 감축을 의무화하는 쿄토 의정서, 코펜하겐 협약 통과 (450 ppm 이하 제한) 탄소배출권 시장 형성 무탄소 (carbon-free), 탄소중립 (carbon-neutral) 청정 에너지원의 개발은 환경적, 경제적으로 중요. 적어도 전체 에너지 소모량의 10-20%는 청정에너지로 시급히 대체되어야 함 CO2 380 ppm N2O 0.35 ppm

각종 신재생 에너지원에 내재된 에너지양과 전세계 에너지 사용량 (from Wikipedia) 청정/지속가능 에너지로서의 태양에너지 2050 년 경 전체 에너지 소모(예상)량 28 TW 중 20 TW 청정에너지화 필요 20 TW = 10,000 개 핵발전소 (현재 430 개) = 향후 40 년 간 이틀에 한 개 꼴 건설 필요! 반면에, 80,000-120,000 TW의 태양에너지가 지구상에 도달 수력/풍력/지열 등 다른 신재생 에너지에 비해 압도적으로 많은 양 0.02% 이하의 양만 이용해도 현재 사용하는 화석연료와 핵에너지를 모두 대체 가능 태양에너지 = 가장 유력한 미래에너지원 각종 신재생 에너지원에 내재된 에너지양과 전세계 에너지 사용량 (from Wikipedia)

태양에너지의 흡수, 변환, 저장 화석연료 대체 청정에너지원으로 일상적으로 사용하기 위해서는, 0.02% 이상의 효율로 태양광 흡수  전기/화학적 에너지로 전환  수송이 용이한 “solar fuel" 형태 저장 구현. 진정한 의미의 지속가능 에너지원을 구현하려면, 희귀 원소를 사용하지 않고 지구상 어디에서나 쉽게 구할 수 있는 원료를 이용해서 값싸게 제작해야 함. 광합성 바이오매스  화학연료 (바이오디젤) 광촉매 물분해 수소 연료전지 태양전지 전기 배터리

태양전지 (Solar cell, Photovoltaic cell) 광감응제가 태양광을 흡수하여 여기되면서 생성되는 전자(e-)와 전공(h+)전하 분리 상태를 전기 에너지로 변환 10% 효율의 태양전지 패널을 지표면 0.1-0.2%에 깔면 에너지 소모량 충당 (미국: 3.3 TW 소모, 지표면 1.7%)

태양전지 및 이차전지 (배터리) 아직 상용화 조건을 만족할 태양전지용 물질은 개발되지 않은 실정. 결정형 실리콘 (c-Si) 태양전지: 20% 이상 효율, 제작 단가 너무 높음. 유기태양전지: 저렴, 제작 용이, 플렉시블, 낮은 효율 (< 8%), 짧은 수명. 염료감응형 태양전지: 효율/가격면에서 중간, 전해질 용액 사용으로 인한 응용의 한계, 광감응염료에 필수적으로 들어가는 루테늄 (Ru) 가격이 비싸고 매장량이 적음. 태양광의 간헐적 특성 때문에, 발생된 전기에너지를 저장하는 것이 필수  배터리 가장 널리 쓰이는 리튬 (Li) 이차전지에 최대로 저장되는 에너지 밀도 = ~0.5 MJ/kg 수소, 천연가스, 가솔린에 저장되는 에너지 밀도(120, 50, 44 MJ/kg)에 비해 매우 작음. Li 매장량 제한적 (10-50 Mt) Li 매장 극소수 국가에 제한 Li 가격 큰 폭 상승 (2003년 $350/톤  현재 $6,000/톤)  각종 연료의 에너지 밀도

자연의 이해, 모방, 원리 차용: 인공 광합성 식물/해조류/녹색박테리아 등의 자연 광합성에서는 Pt와 같은 희귀 금속 사용 안 함. Mn, Fe, Ni 등 매장량이 풍부한 값싼 촉매만으로 태양에너지를 화합물로 변환, 저장. 자연의 광합성을 이해, 모방하거나 그 기본원리를 차용  인공광합성

인공 광합성 소재 설계: 태양광 흡수 – 광감응 물질 Maximum photon flux of the solar spectrum @ ~ 685 nm

인공 광합성 소재 설계: 태양광 흡수 – 광감응 물질

Origin of Color -carotene

Quantum Mechanics of a Particle in a Box 1,3,5-hexatriene m 2 Quantized! LUMO 375 nm HOMO A particle of mass m is confined between two walls but free inside. (Case Macro) m = 1 kg, L = 1 m (Case micro) m = me ~ 10-30 kg, L ~ 1 nm = 10-9 m

인공 광합성 소재 설계: 태양광 흡수 – 광감응 물질 Bulk heterojunction solar cell with a tandem-cell architecture Hou, et al., (2008) Macromolecules

퀴즈. 온실 효과와 지구 온난화 짧은 파장 (가시광선, 자외선) 태양광이 대기를 지나 지구상에 도달하는데, 지구상에서 나가는 긴 파장 (적외선) 빛은 이산화탄소 등의 온실 가스에 흡수되어 대기를 완전히 빠져나가지 못하므로, 지표면 온도가 상승하는 현상.

퀴즈 (level 1) 퀴즈 (level 6) 퀴즈 (level 3) 지구 대기 중에 가장 많은 기체 세 가지는? 퀴즈 (level 6) 그럼 왜 이산화탄소만 온실 가스로 중요할까? 퀴즈 (level 3) 지구로 들어오는 태양빛 = 짧은 파장 (가시광선) 지구에서 나가는 빛 = 긴 파장 (적외선) 왜일까?