▲ 실리콘과 물의 반응을 통해 고순도 수소와 실리카를 동시에 생산하는 기술 / 기존 실리콘–물 반응에서는 실리콘 표면에 형성된 실리카(SiO₂) 막(좌측 상단의 옅은 회색막)이 물의 접근을 막아 반응이 스스로 멈춘다. 반면 구슬이 충돌하는 볼밀 공정(우측)에서는 충돌과 마찰이 반복되며 실리카 막이 계속 제거되고 새로운 실리콘 표면이 드러나 반응이 지속된다. 이 공정을 통해 100%에 가까운 순도의 수소와 고부가가치 실리카를 함께 생산할 수 있다.(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

처치 곤란 ‘애물단지’로 여겨지던 태양광 폐패널이 고순도 수소를 생산하는 ‘에너지 자원’으로 탈바꿈했다. 수소 생산 효율을 이론적 한계 수준까지 끌어올린 동시에, 고부가가치 소재까지 함께 생산하는 기술이 개발되며 자원순환형 에너지 산업의 새로운 해법으로 주목받고 있다.

UNIST 에너지화학공학과 백종범 교수 연구팀은 폐태양광 패널에서 추출한 실리콘을 활용해 고순도 수소와 실리카를 동시에 생산하는 고효율 공정을 개발했다고 밝혔다.

태양광 패널의 핵심 소재인 실리콘은 물과 반응해 수소와 실리카를 생성할 수 있지만, 실제 반응에서는 표면에 형성되는 ‘실리카 피막’이 물의 접근을 차단하면서 반응이 급격히 저하되는 문제가 있었다. 이로 인해 기존 방식에서는 수소 생산 효율이 이론치 대비 크게 낮았다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 화학 약품 없이도 실리카 피막을 제거할 수 있는 ‘기계화학 공정’을 도입했다. 실리콘과 물을 작은 구슬과 함께 용기에 넣고 회전시키면, 입자 간 충돌을 통해 실리카 막이 지속적으로 제거되며 반응이 유지되는 원리다.

그 결과 상용 실리콘 1g당 약 1,706mL의 수소가 생산되며, 이는 이론적 최대치(1,713mL g⁻¹)의 99.6%에 달하는 수준이다. 일반적인 열화학 방식이 20% 내외 효율에 머무르는 것과 비교하면 최대 5배 이상 높은 성능이다. 폐태양광 패널에서 회수한 실리콘을 활용한 경우에도 약 98% 수준의 효율을 기록했다.

이 공정의 또 다른 강점은 ‘동시 생산’이다. 수소 생산 과정에서 생성된 실리카는 촉매 지지체로 활용 가능한 고부가가치 소재로, 실제 실험에서 니켈 촉매 성능을 향상시키는 효과도 확인됐다. 이산화탄소를 메탄으로 전환하는 반응에서 기존 상용 실리카보다 높은 전환율과 선택도를 보였다.

경제성 측면에서도 주목할 만하다. 부산물인 실리카 수익을 제외하더라도 수소 생산 단가는 기존 방식 대비 수십에서 수천 배 저렴한 것으로 분석됐다. 실리카 판매까지 포함할 경우, 수소 생산 자체가 수익을 창출하는 ‘마이너스 비용 구조’도 가능하다는 평가다.

또한 연속식 공정 적용 시 생산성과 에너지 효율이 더욱 향상되는 것으로 나타나, 대규모 산업 현장 적용 가능성도 높다. 이는 증가하는 태양광 폐패널 문제 해결과 동시에 친환경 에너지 생산을 결합한 ‘일석이조’ 기술로 평가된다.

백종범 교수는 “폐태양광 패널을 단순 폐기물이 아닌 고부가가치 자원으로 전환하는 기술”이라며 “수소 경제와 자원순환 경제를 동시에 실현할 수 있는 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 에너지 분야 최고 권위 학술지 Joule에 3월 27일 게재됐으며, 미래 에너지 기술을 다루는 ‘Future Energy’ 섹션에도 소개됐다.

태양광 보급 확대와 함께 급증하는 폐패널 문제 해결이 글로벌 과제로 떠오른 가운데, 이번 기술은 ‘폐기물 → 에너지’로 이어지는 새로운 산업 생태계 구축 가능성을 제시했다.

논문명은 Reaching the theoretical limit of H2 production from self-limiting silicon-water reaction via dynamic mechanochemistry이다.