[신기술] UNIST, 폐태양광 패널 규소로 고효율 수소 생산

규소–물 반응 제어로 수소 생산 효율 99.6％ 달성

기계화학 공정으로 실리카 피막 제거해 생산성 향상

수명을 다한 1세대 태양광 발전 폐패널이 급증하는 가운데, 태양광 폐패널의 규소(Si)를 활용해 고순도 수소(H₂)와 고부가가치 화학소재를 동시에 생산할 수 있는 기술이 개발됐다. 2차 환경 오염 우려로 매립이 어렵고 고온 소각 또한 쉽지 않은 태양광 폐패널을 경제적이면서도 친환경적으로 처리할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 박종래) 에너지화학공학과 백종범 교수 연구팀은 폐태양광 패널의 규소를 활용해 고순도 수소와 고부가가치 산업용 소재인 실리카(SiO₂)를 동시에 생산하는 고효율 공법을 개발했다.

규소는 물(H₂O)과 반응해 수소와 실리카를 생성할 수 있다. 그러나 반응이 시작되면 규소 표면에 형성되는 실리카 피막이 물의 접근을 차단해 반응이 중단된다. 이로 인해 수소 생산량은 이론적 최대 생산량에 크게 못 미쳤다.

연구팀은 강한 약제를 사용하지 않고도 이 실리카막을 제거할 수 있는 공법을 개발해, 기존 대비 최대 5배 많은 고순도 수소를 생산하는 데 성공했다. 규소와 물을 작은 구슬이 포함된 용기에 넣고 회전시키면, 구슬과 규소 입자가 서로 충돌하면서 실리카 보호막을 반복해서 파괴·제거하는 원리다.

그림1. 규소와 물의 반응을 통해 고순도 수소와 실리카를 동시에 생산하는 기술

실험 결과, 상용 규소 1g당 약 1천706mL의 수소가 생산됐다. 이는 이론적 최대 생산량인 1천713mL g-1의 99.6％에 해당하는 수준이다. 일반적인 열화학 방식이 이론 최대치의 약 18〜28％에 머무는 것과 비교하면 최대 5배 높은 수소 생산 효율이다. 또 폐태양광 패널에서 직접 얻은 규소 분말을 이용한 실험에서도 이론적 최대치의 약 98%에 이르는 수소 생산 성능을 보였다.

함께 생산된 실리카 역시 촉매 지지체로서 우수한 성능을 나타냈다. 지지체는 촉매의 금속 입자를 균일하게 분산시키고 고정하는 역할을 하는 물질이다. 생산된 실리카를 사용한 니켈(Ni) 촉매는 이산화탄소(CO₂)를 메탄(CH₄)으로 전환하는 반응에서, 상용 실리카를 사용한 촉매보다 더 높은 이산화탄소 전환율과 메탄 선택도를 확인했다. 

경제성 측면에서도 경쟁력이 높다. 부산물인 실리카의 수익을 제외하고도 해당 공정의 수소 생산 단가는 기존 열화학 방식 대비 수십에서 수천 배까지 저렴한 것으로 나타났다. 여기에 실리카 판매 이익까지 반영할 경우, 수소 생산 과정에서 오히려 수익이 발생하는 ‘마이너스 비용 구조’도 가능하다는 분석이다. 또 끊임없이 기계를 돌리는 연속식 공정에서 생산량과 에너지 효율이 훨씬 뛰어나, 향후 대규모 산업 현장에 바로 투입하기에도 수월하다. 

백종범 교수는 “태양광 폐패널에서 나오는 규소를 활용해 친환경적으로 수소를 생산하면서 산업적으로 활용 가능한 실리카까지 얻을 수 있다는 점이 기술의 장점”이라며 “처치 곤란인 폐태양광 패널을 고부가가치 자원으로 탈바꿈시켜 자원 순환 경제를 구축하는 데 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 『줄(Joule)』에 ‘동적 기계화학을 통한 자기 제한적 규소-물 반응에서의 수소 생산 이론적 한계 도달(Reaching the theoretical limit of H₂ production from the self-limiting silicon-water reaction via dynamic mechanochemistry)’ 이라는 제목으로 3월 27일 온라인에 게재됐다.

또한 공법의 핵심인 기계화학 공정은 ‘퓨처 에너지(Future Energy)’ 부문에 4월 3일 소개됐다. 아울러 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 등의 지원으로 이뤄졌다.

[『워터저널』 2026년 5월호에 게재]