|
미래의 기간산업으로 손꼽히는 신재생에너지 사업이 올해에도 정부의 지원이 대폭 향상될 예정이다. 산업통상자원부 전기위원회에 따르면, 지난 2015년에는 신재생에너지 사업의 허가건수가 급증했고 꾸준히 증가할 추세로 보인다. 신재생에너지 가운데 하나인 연료전지는 도심 내 에너지 문제를 해결하는 효율적인 분산형 전원이라는 점이 장점으로 손꼽힌다. 부산대학교 기계공학부의 김용태 교수는 신재생에너지 동력원인 수소 연료전지, 하베스팅 기술 등 미래 산업에서의 상용화를 준비해왔다.
신재생에너지 연구 분야의 산실
부산대학교 기계공학부의 김용태 교수는 ‘첨단파워소스연구실(Advanced Power Sources Lab)’이라는 전기화학을 기반으로 한 직접변환 방식의 대체동력을 연구하는 그룹을 계획했다. 이곳에서는 기존의 연소를 기반으로 한 간접변환 방식의 동력원이 아닌 새로운 방식을 채택한 연구가 진행된다. 첨단파워소스연구실에서 연구를 주관해온 김용태 교수는 연료가 갖는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 직접변환 동력원인 연료전지 및 배터리 관련 연구를 수행해왔다. ‘수소 연료전지’는 수소가 갖는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치로 높은 변환효율과 연료전지 자체로는 온실가스 배출이 전혀 없다는 장점을 갖고 있다. 이는 기존 화석연료의 연소로 다량의 온실가스를 배출하는 모든 열기관을 대체할 수 있는 미래형 친환경 에너지로서 정부 및 기업으로부터 관심을 모았다. 김 교수는 수소연료전지가 기후변화대응 측면에서 유망한 에너지변환장치임에도 다량의 백금을 사용하기 때문에 높은 가격으로 상용화가 지연되고 있음을 언급했다. 이에 연구실에서는 백금 사용량 저감을 통한 수소연료전지 가격 저감을 위한 연구도 병행되고 있다.
연구실 내에서 수소연료전지 연구와 동시에 진행되고 있는 폐열을 직접 전기에너지로 변환하는 열?전기 에너지 ‘하베스터’ 연구도 지속해왔다. 산업계에서 발생하는 폐열 중 100도 미만의 저급 폐열은 재회수하는 방법이 어려웠다. 최근 연구실에서는 저가로 회수할 수 있는 기술개발을 착수했고 가시적인 성과를 거두기도 했다. 현재 전반적인 산업계에서는 다량으로 저급 폐열이 그대로 버려지고 있는 실정이다. 김 교수는 고효율 전기에너지로 변화할 수만 있다면 에너지 문제 해결에 큰 도움이 될 것이라 전망했다. 또한, 그는 나노 다공성 전극을 적용한 전기분해용 전극의 고효율화의 연구를 기획해왔다. 본 사업은 상용화에 근접한 나노기술만을 엄선하여 지원해주는 시의적절한 사업으로 평가받고 있으며 연료전지 및 수전해용 다공성 전극을 개발해 자동차용 연료전지 및 선박용 평형수 처리장치 등에 응용하는 연구를 염두에 뒀다.
산업 분야에 상용화될 에너지원
첨단파워소스연구실에서 진행돼온 일련의 연구는 정부의 지원이 기반이 됐다. 본 연구는 선행연구결과를 기업에 이전하고 이를 기반으로 기술인수기업과 협업으로 연구개발을 진행해 최종 제품의 상용화까지 돕는 ‘나노융합2020사업단’의 ‘우수 연구성과 사업화지원사업’의 지원으로 연구를 진행했다. 수소연료전지 연구도 한국에너지기술평가원 신재생에너지개발사업과 한국연구재단 나노융합2020사업의 지원을 받아 진행해왔다. 현재 수행중인 ‘도약연구사업’은 한국연구재단에서 지원하는 개인기반 기초연구사업으로서 해당 연구 분야의 우수 중견 연구자를 선정해 세계적인 리더로 도약하도록 최대 9년간 27억 원을 지원한다. 본 연구실의 에너지 하베스터 연구는 도약 연구사업의 지원을 통해 수행 중에 있다. 김용태 교수는 기초 연구뿐 아니라 실제 상용화까지 이어져야 하기에 책임감을 갖고 과제를 수행했다. 전폭적인 지원에 따른 책임감은 김 교수가 연구에 몰두할 수 있는 동기부여가 됐다. 그는 최근 여러 산업 분야와 마찬가지로 연구개발에 있어서도 중국의 학문적인 도약을 주시하며 경쟁력을 갖추기 위해 연구의 양보다 질을 추구하는 전략을 선택해야 함을 언급했다. 또한, 그는 수월성 있는 연구를 진행하기 위해서 물질 합성, 물성 분석, 특성 평가에 필요한 장비가 고도화 돼야함을 설명했다.
연구가 진행 중인 수소 연료전지는 에너지 변환장치로서 응용처가 다양하다는 평가를 받는다. 그 중 각광받는 분야는 자동차 엔진 대체용 연료전지이다. 이 기술이 적용되는 예로 전기자동차를 들 수 있다. 향후 연료전지로 움직이는 전기자동차는 차에 탑재돼 있는 연료전지에서 수소를 직접 변화해 전기에너지를 생산한 후 모터를 이용하기 때문에 배터리전기자동차보다 뛰어난 효율을 보인다. 충전에 있어서도 수소 충전이 빠르게 진행된다는 점이 또 하나의 장점이다. 전기자동차외에도 항공기, 선박과 같은 운송수단의 동력원으로부터 단독주택, 빌딩, 심지어는 대형 발전플랜트를 대체하는 정치형 적용까지 넓은 범위에서 활용될 것으로 기대된다. 최근 선행 연구결과에 따르면, 김 교수의 연구팀은 기존 대비 10배 이상의 내구성 향상을 확인했으며 이를 통해 신재생에너지개발사업에 선정돼 연료전지자동차 메이커에 기술이전을 준비 중에 있다.
|
우수한 인력을 기반으로 촉망받는 에너지 연구개발
첨단파워소스연구실은 정부출연연구소에 파견 나가있는 석사과정 학생 한 명을 제외하면 전원 박사과정 또는 통합과정 학생으로 구성돼있다. 이는 공동의 목표가 동일하게 설정돼 창조적인 연구 분위기를 만들어내는 데 일조했다. 김용태 교수는 본 연구실이 정부 프로젝트의 비중이 월등히 높고 현대자동차 및 삼성전자와 수행하는 산학연구 등도 원천기술 개발 성격으로 진행되기 때문에 대학원의 본질적인 기능에 충실한 연구실임을 언급했다. 독특한 연구실 구성을 갖게 된 이유에 김 교수는 융합학문의 특성이 반영됐기 때문이라고 답했다. 본 연구실에서 다루는 내용은 기존의 내연 및 외연기관 등의 연소기반 동력원을 대체하는 새로운 에너지원에 대한 연구다. 그 틀을 이루는 학문적 기반은 전통적인 기계공학과 재료공학, 화학공학 등의 인접 공학 영역뿐 아니라 물리학, 화학 등의 기초과학 영역까지 확장된다. 이는 학문의 습득량은 많지만 성공적으로 학위를 마치면 차별화된 자신만의 영역을 구축할 수 있기 때문에 학생들은 이 점을 자각하고 학업과 연구에 충실할 수 있는 학문의식을 갖게 됐다.
김용태 교수는 학생들에게 기초과학 공부에 충실해야 한다는 점을 조언했다. 그는 석사과정 이후 회사 연구소에서의 경험을 예로 들며 박사과정에 있었던 자신조차 기초적인 부분에 집중했다고 말했다. 김 교수는 연구를 업으로 한다면 연구목적대상이 공학적이라 하더라도 그 수단은 기초과학에 기반을 둔 심도 있는 지식을 갖춰야 함을 강조했다.
김 교수는 우선 미래형자동차의 대체동력에 관한 연구에 집중할 계획이라고 말했다. 그는 당면한 과제에 있어 최종 연구목표를 달성하고 기대효과를 실현하기 위해 주어진 영역에서 최선을 다하길 바랐다. 또한, 연구실 운영 측면에서는 열정과 호기심이 가득한 대학원생을 받아서 수월성 있는 연구실적을 도출해 해당분야에서 인정받는 실력 있는 전문가를 다수 배출하는 것을 목표로 삼았다. 미래 에너지의 필요성을 인식하고 성과 있는 연구를 위해 노력하는 그의 학문적 열정에서 새로운 에너지원의 상용화가 시작되길 기대해본다.
