[비즈월드] #1. 첨가제를 포함하는 페로브스카이트 용액, 이를 이용하여 제조된 페로브스카이트 박막 및 이를 이용해 제조된 페로브스카이트 태양전지.

#2. 고체산화물 연료전지의 연료극 기능층 제조용 페로브스카이트 구조 산화물, 이를 포함하는 연료극 기능층 조성물 및 고체산화물 연료전지. 상기 페로브스카이트 구조 산화물은 펠렛 형태로 소결한 후 유발에 넣고 간 뒤 체가름, 밀링 및 건조를 순서대로 진행해 후처리된 것을 특징으로 하는 연료극 기능층 제조를 위한 스크린 프린팅용 조성물.

#1은 한국화학연구원이 2021년 12월 20일 출원(출원번호 제1020210182643호)해 같은해 12월 28일 공개(공개번호 제1020210157457호)한 ‘첨가제를 포함하는 페로브스카이트 용액, 이를 이용하여 제조된 페로브스카이트’라는 명칭의 공개특허 기술에 대한 요약 설명문이다. 이 특허기술은 2020년 1월 13일 선출원(출원번호 제1020200004423호) 됐지만 거절 결정을 받은 같은 이름의 특허를 분할 출원한 것이다. 

여기서 분할출원이란 복수의 실체를 가지는 발명에 관해 하나의 출원을 한 경우, 그 출원의 내용 중 일부에 관해 출원범위를 나눠 별도로 출원을 하는 것을 말한다. 이는 최초 출원이 '1발명 1출원주의 원칙'에 위반돼 등록을 거절 받을 수 있을 경우 이용하게 된다. 또 출원자가 출원 당시 생각하지 못했다가 나중에 스스로 처음 출원을 여러 출원으로 분할하고 싶을 때 이용하기도 한다.

연구원 연구진은 해당 특허 기술을 통해 제조된 페로브스카이트 용액은 특정 첨가제로 C14 내지 C40의 방향족 화합물을 포함으로써 이를 포함해 제조된 페로브스카이트 박막의 광안정성 및 내구성을 향상시키고, 이를 포함하는 페로브스카이트 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킨다고 연구원 측은 설명했다. 또 이 발명을 적용항 태양전지는 안정성, 내구성이 향상되어 수명특성이 우수하며 동시에 광전 변환 효율도 높은 값을 가진다는 사실을 실험을 통해 입증했다는 것이다.

#2는 #1에 앞서 인천대학교 산학협력단이 2021년 11월 8일 출원(출원번호 제1020210152236호)했으며 그해 11월 19일 공개(공개번호 제1020210138529호)한 ‘고체산화물 연료전지의 연료극 기능층 제조용 페로브스카이트 구조 산화물, 이를 포함하는 연료극 기능층 조성물 및 고체산화물 연료전지’라는 명칭의 특허에 대한 요약 설명문이다.

인천대 연구진은 해당 발명의 페로브스카이트 구조 산화물이 연료극 기능층에 적용될 경우, 고체산화물 연료전지가 고온에서 장시간 운전하더라도 성능 저하 없이 내구성을 가질 수 있다고 강조했다. 뿐만 아니라 페로브스카이트로부터 용출되는 나노 금속 입자는 페로브스카이트 모상과의 강한 결합력으로 인해 탄소나 황과 같은 피독성 물질에 활성을 잃지 않는 피독 저항성이 있다. 이와 함께 이 발명의 페로브스카이트 구조 산화물이 연료극 기능층에 적용될 경우 삼상계면의 밀도를 기존보다 크게 향상시켜줄 뿐만 아니라 장기안정성도 확보할 수 있다고 강조했다.

위 두 가지 공개특허는 모두 페로브스카이트 태양전지와 관련이 있다.

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 화합물을 포함하는 태양전지로 저렴한 원소로 화합물을 구성할 수 있고 저온공정이 가능하며 다양한 원소들 조합으로 구현가능한 장점이 있다. 이 태양전지는 국내 연구기관이 세계 최고효율을 연이어 경신하고 있다‘ 한국화학연구원은 2021년 25.2%, 울산과학기술원이 25.6%를 기록했다.

다만 페로브스카이트 태양전지는 광, 열, 수분에 약하다는 단점이 있어 이를 극복하고 상용화를 위한 연구개발이 활발하다.

태양전지 분야의 경우 현재 세계 각국이 급격한 기후변화 대응을 위해 파리기후변화협약(지구 평균온도 상승을 산업화 이전 수준 대비 2도 이내로 억제하기 위해 온실가스 배출량을 단계적으로 감축하자는 국제협약) 비준, 탄소중립 선언 등 저탄소경제를 지향하고 있는 상황에서 태양광발전 중심의 신·재생에너지 발전이 2050년 세계 전력생산량의 56%를 차지할 것(BNEF Bloomberg New Energy Finance 2020 보고서)으로 전망되고 있다.

이런 가운데 페로브스카이트 태양전지 관련 특허출원이 최근 10년 동안 급증하고 있는 것으로 나타났다. 

특허청(청장 김용래)에 따르면, 차세대 태양전지로 유망한 페로브스카이트 태양전지 관련 특허출원은 2011년 3건에 불과했다. 그러나 지속적인 연구개발에 힘입어 2020년 94건으로 연평균 47%나 늘었다.

태양전지 시장은 결정질실리콘 태양전지가 90%이상 차지하며, 이를 중국이 석권하고 있다. 중국은 결정질실리콘 태양전지 가치사슬 중 폴리실리콘 64%, 잉곳 95%, 웨이퍼 99%, 태양전지셀 80%, 태양전지모듈 75% 이상을 차지(출처: PV Infolink, BNEF, 2020년). 

그런데 탄소배출을 줄기 위한 태양전지의 소재인 결정질실리콘 태양전지는 1000℃이상의 고온공정이 필요해 오히려 많은 에너지가 소비되고 제조단계에서 상당한 탄소를 배출되면서 비난의 대상이 되고 있다.

게다가 최근 미･중 분쟁과 글로벌 공급망 재편상황에서 특정 국가에 편중된 공급망은 불안정할 수 있다는 우려도 낳고 있다. 

결국 저탄소경제 상황에서 효율이 떨어지는 산업은 대체제가 필요하며, 이를 극복할 대체재로 페로브스카이트 태양전지를 꼽고 있다.

특허청이 페로브스카이트 태양전지 관련 특허출원 현황을 집계한 결과 출원 주체별 출원 건수는 내국인 출원이 전체 665건의 89%로서 대다수를 차지했다. 이 가운데 대학 315건, 연구소 113건으로 연구기관 출원이 전체의 64%에 달했다.

출원인별 출원건수는 한국화학연구원 46건, 엘지화학 40건, 고려대학교 38건, 성균관대학교 31건, 엘지전자 24건 순이었다.

이규재 특허청 차세대에너지심사과 심사관은 “페로브스카이트 태양전지는 국내 기술 수준이 매우 높고 중국 주도의 결정질실리콘 태양전지를 대체할 유력한 후보이다”면서 “차세대 태양전지 시장의 주도권 확보를 위해서 우리의 높은 기술력을 글로벌 특허출원을 통해 권리화하는 것이 필요하다”라고 말했다.

[비즈월드=정영일 기자 / zprki@bizwnews.com]