태양-열 구동 지속가능한 화학 시스템 기초연구실(2026년 1월호)

경기도 안산시 상록구 한양대학로 55, 제1과학기술관 

439호 031-400-5504(Office), 031-400-4143(연구실)

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태양열 변환 상호작용으로부터, 지속 가능한 화학 시스템으로

태양-열 구동 지속 가능한 화학 시스템 기초연구실

1. 태양열을 이용한 지속 가능한 화학 시스템의 기초 연구

한양대학교 ERICA 캠퍼스의 태양-열 구동 지속가능한 화학 시스템 기초연구실은 태양 에너지를 새로운 화학 반응의 원동력으로 전환하기 위한 기초과학 연구를 수행하고 있다. 태양은 인류가 가장 오래 활용해 온 에너지원이지만, 태양광을 ‘빛’이 아닌 ‘열’로 변환하여 화학 반응을 구동하는 과정은 아직 충분히 이해되지 않았다. 연구실은 이러한 영역을 정량적, 이론적으로 규명하고, 그 결과를 기반으로 지속 가능한 화학 반응 시스템 을 구축하는 것을 목표로 한다. 탄소중립과 기후위기 대응은 전 세계가 직면한 공동 과제다. 하지만 태양광을 전기나 화학에너지로 전환 하는 기존 기술은 여전히 변환 효율이 낮고, 장기적 안정성에서도 한계를 보인다. 반면, 태양-열 변환은 태양 광의 전 스펙트럼을 활용하여 이론상 90% 이상의 에너지 전환 효율을 달성할 수 있는 잠재력을 지닌다. 그럼에도 불구하고, 빛이 열로 변하고 다시 화학 반응으로 이어지는 구체적 메커니즘은 명확히 규명되지 않은 상태다. 본 기초연구실은 이 간극을 메우기 위해 태양광-열 전환에 대한 메커니즘을 규명하고 제로 에너지로부터 얻은 열에너지를 활용하여 지속가능한 화학시스템을 탐구하려 한다. 

2. 태양-열 구동 화학 시스템의 개념과 필요성

태양-열 구동 화학 시스템(solar–thermal driven chemical system)은 전기에 의존하지 않고 태양광 만으로 화학 반응을 촉진하는 기술이다. 이 시스템은 고가의 전기 인프라나 별도의 에너지 저장장치 없이 자연광으로 작동하기 때문에, 향후 탄소중립 실현과 분산형 에너지 활용의 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만 실제 반응기 내에서는 복잡한 물리적 및 화학적 현상이 동시다발적으로 일어나며, 열의 생성과 이동, 손실 과정을 정량적으로 분석한 연구는 많지 않다. 예를 들어 다공성 탄소소재가 태양광을 흡수해 국소적인 열을 발생시킬 때, 이 열이 반응기 내부의 기체 또는 액체 매질로 어떻게 전달되고, 어떤 경로로 손실되는지는 명확히 밝혀지지 않았다.

본 기초연구실에서는 지속 가능한 태양-열 구동 화학 시스템을 위해, 태양광을 열에너지로 변환시켜 화학반응을 촉진시키는 태양광 흡수체 나노반응기를 설계하고, 이에 대한 이해를 통하여 이론적으로 태양-열 변환 메커니즘을 밝히는 연구를 진행하고자 한다. 나노반응기의 설계는 매질의 국소 가열을 최대화하는 것에 목적을 둔다. 나노반응기는 매질의 유입-배출 속도를 줄여 대류에 의한 열손실을 줄일 수 있고, 기공 내 매질 에 의해 복사열을 재흡수하여 복사에 대한 열손실을 감소할 수 있으며, 기공에서 일어나는 태양광 흡수체와 매질 사이 계면에서의 포논 산란에 의해 전도에 의한 열손실이 감소할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 태양 광 흡수체의 기공 크기, 구조, 형태, 배열에 따라 포논 산란에 영향을 줄 것으로 예상되나 이러한 영역은 미지의 영역으로 남아있으며, 이를 체계적으로 밝혀내는 것이 기초연구실의 연구목표이다. 

3. 나노기공 반응기를 통한 태양-열 메커니즘의 탐구

기초연구실은 나노기공 구조를 가지는 탄소소재를 태양-열 나노반응기로 선택하여 다양한 크기, 형태, 모양, 배열의 나노기공을 가지는 나노반응기를 합성하고, 나노기공 구조가 국소적인 매질 가열, 열손실, 궁극 적으로는 매질 가열 온도에 미치는 영향을 체계적으로 탐구하고자 한다.

기초연구실의 선행 연구에 따르면 표면적이 600 & 2,300 m2g-1을 갖는 탄소 구체(Carbon Sphere; CS_600&2300)과 동일한 기공 배열을 가지지만 기공의 크기가 20 & 50 nm로 다른 3D 상호연결된 다공성 탄소(3D interconnected mesoporous carbon; 3DMC_25&50)의 경우, 자연광 조건에서 태양-열 전환에 의한 나노반응기의 온도가 CS_600 (60 ℃), CS_2300 (70 ℃), 3DMC_25 (75 ℃), 3DMC_50 (91 ℃)까지 올라가는 것을 확인하였다. 기공이 잘 발달한 경우 포논산란이 더 높아 온도가 더 올라가는 것은 합리적이지만, 기공이 덜 발달된 3DMC 시료에서 훨씬 온도가 높아지는 것에 대해서는 기존의 연구로 설명이 어렵다. 연구실은 태양광 흡수체의 나노기공 엔지니어링에 따른 국소 가열 온도 및 열 손실의 영향에 대한 기초적인 원천 연구를 수행하여 이러한 차이를 규명하고자 한다. 

4. 응용 분야로의 확장 

기초연구실은 이러한 기초 이해를 바탕으로 실제 응용 가능성을 검증하고자 한다. 대표적인 응용 분야는 직접공기포집과 대기 중 물수확 기술, 그리고 불균일 촉매 반응 제어 연구이다.

1. 직접공기포집(Direct Air Capture; DAC)

현재 상용 이산화탄소 포집 기술은 포집제의 재생 과정에서 많은 에너지를 필요로 한다. 연구실은 태양 열원을 이용해 외부 전력 없이도 포집제의 흡탈착이 가능한 저에너지 직접공기포집 시스템을 개발하고자 한다. 나노기공탄소 기반 반응기가 태양광을 흡수하여 국부적인 온도증가를 나타내면 저농도 환경에서도 자연광만으로 흡탈착을 유도할 수 있다. 유원철 교수는 이를 위한 나노반응기 구조를 설계하고 표면적, 기공 크기와 형태, 구조에 따른 포논 산란 연구를 수행하며, 전형필 교수는 다공성 소재 합성과 기체 흡탈착 메커니즘을 규명하고자 한다. 김용주 교수팀은 계산과학 및 인공지능을 통한 태양-열 변환 메커니즘 구명과 열물성 라이브러리 구축을 수행한다. Michael Tsapatsis 교수팀은 멤브레인 및 흡착제 설계 자문을 제공한다. 이를 통해 태양-열 반응기를 이용해 외부 전력 없이 자연광만으로 포집제의 재생을 유도하여 저에너지 탄소포집 기술의 가능성을 제시한다. 

2. 대기 중 물수확(Atmospheric Water Harvesting; AWH)

현실적으로 지구 환경에 있어 대기 중 물수확 시스템의 도입이 절실한 물부족 지역에서는 상대습도가 낮아 이러한 실제 환경에서도 작동할 수 있는 건조 환경에서 물 회수가 가능한 시스템이 요구되고 있다. 이를 위한 해결책으로 연구실은 합성한 태양-열 반응기를 통해 상대습도 30% 이하 조건에서의 물 분자의 선택적 흡 착과 자연광 조건에서의 물 흡탈착 시스템을 제시한다. 다공성 탄소 표면의 기공 크기와 화학적 기능화를 정밀히 제어하고 열손실을 최소화해 자연광 조건에서의 물 생산량을 최대화할 수 있을 것으로 기대된다. 유원철 교수는 태양열 반응기 설계와 열전달 시스템 구축 및 분석을 수행하며 전형필 교수는 저습 흡탈착 조건에서의 메커니즘 거동과 흡착제-반응기 하이브리드 시스템 구축을 담당하고 김용주 교수팀은 데이터 기반 설계를 통해 기공 구조와 물흡착 성능간의 최적 조합을 규명하고자 한다. Michael Tsapatsis 교수팀은 흡습 소재와 물 탈착 공정의 구조적 자문을 제공한다. 이를 통해 다양한 전문성을 가진 여러 연구팀이 힘을 합쳐 자연 저습 환경에서의 태양열 구동식 대기 중 물수확 장치를 구현하고자 한다. 

3. 불균일 촉매 반응의 제어

본 연구단의 장광석 교수팀은 선행 연구를 통해 용매 사용을 최소화한 태양열 기반 페이스트형 스즈키-미야우라 커플링 반응을 구현하였다. 1 sun 조건(1000 W m-2)에서 높은 표면 온도를 나타내는 3D 다공성 탄소 지지체에 팔라듐(3DMC@Pd)을 담지하여 촉매로 활용함으로써, 소량의 용매(2 mL)만으로도 높은 전환율을 달성하였다. Iodobenzene과 phenylboronic acid의 반응에서 62.6 °C의 태양열 조건하에 97.0%의 수율을 얻었으며, 이는 오일배스 조건(63 ℃)에서의 용액상 Pd(OAc)₂(98.8%) 및 3DMC@Pd(99.0%)와 유사 한 효율을 보였다. 또한 1-iodonaphthalene과 1-naphthylboronic acid의 반응에서도 61.1 ℃에서 98.8% 의 높은 수율을 확인하여 공정의 범용성과 재현성을 입증하였다.

이러한 결과는 저용매·고농도 페이스트 환경에서도 Pd 활성점이 안정적으로 작동함을 보여주며, 친환경적·에너지절감형 탄소 기반 촉매 시스템의 가능성을 제시한다. 나아가 열은 화학 반응의 활성화 에너지와 선택성에 직접적인 영향을 미치므로, 본 연구단은 나노 반응기 표면의 미세 온도 분포가 촉매 활성점의 반응 경로를 어떻게 변화시키는지를 실험적으로 규명하고자 한다.

유원철 교수팀은 태양-열 기반 용매 가열 개념을 바탕으로 불균일 촉매 반응 및 나노반응기 설계 제어 연구를 수행하며, 장광석 교수팀은 스즈키 및 챈-람 커플링 반응을 통해 금속 나노입자가 포함된 나노반응기의 반응 메커니즘을 실질적으로 규명할 예정이다. 

5. 실험, 계산, 이론의 융합적 연구체계 

태양-열 구동 지속가능한 화학 시스템 기초연구실은 유기화학, 무기소재, 계산화학, 인공지능, 열유체역학 등 여러 분야의 전문 연구자가 함께 참여하는 융합 연구팀으로 운영된다. 연구실의 강점은 바로 이러한 융합형 연구체계에 있다. 연구팀은 실제 실험 수행을 통해 나노반응기 내에 존재할 수 있는 나노기공의 크기와 모양을 분석한 뒤, 전원자 분자동역학(All-Atom Molecular Dynamics based Chemistry)을 통해 나노기공의 크기와 분포, 형태에 따른 태양-열 변환 메커니즘을 규명하였다. 이를 인공지능 기술과 결합해 나노기공 구조와 열물성에 대한 라이브러리와 생성 모델을 구축한다. 나노기공 크기-모양 분포를 모델에 제공하면, 능동학습을 통해 열물성을 예측할 수 있게 된다. 이러한 열물성 라이브러리 모델을 통해 열물성이 최적화된 반응기 내 나노기공의 크기-모양-분포를 실제 소재에 적용하는 식이다. 이와 같은 융합 연구는 개별 소재의 성능 향상을 넘어, 태양-열 반응의 보편적 메커니즘을 규명하는 학문적 성과로 잇고자 한다. 또한 연구실은 국 가연구재단 기초연구실(BRL) 사업을 통해 안정적인 연구 인프라를 구축하고자 하며, 고성능 분광분석기, 열 분포 관측 장비, 광-열 반응 모사기 등 첨단 장비를 이용해 실험 데이터를 정밀하게 확보하고자 한다. 국내외 연구기관과의 협력도 활발하다. 태양-열 변환 소재 및 반응기 구조에 대한 공동 연구를 통해, 세계 수준의 기초데이터 플랫폼을 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 

6. 지속 가능한 화학 시스템으로의 확장 

태양-열 구동 지속가능한 화학 시스템 연구는 ‘태양의 에너지가 물질과 상호작용하는 방식’을 과학적으로 규명하는 기초 연구다. 이해의 폭이 넓어질수록 우리는 더 적은 에너지로 더 많은 화학적 변화를 일으킬 수 있으며, 이는 곧 지속 가능한 에너지 전환 기술의 근간이 된다. 연구실은 이러한 기초과학의 접근을 통해, 태양-열 변환 연구 분야에서 국제협력적인 연구진행을 통한 학문적 리더십 확보가 목표이다.

향후 기초연구실의 최종 목표는 태양-열 현상의 과학적 이해를 통해 에너지와 환경 문제의 해결에 기여하는 것이다. 나노기공 반응기에서 일어나는 열 전달 메커니즘의 규명은 실험적 성과를 넘어 탄소포집, 물수확, 선택적 촉매 반응 등 다양한 응용 분야로 확장될 수 있는 기초 토대가 될 수 있어 지속 가능한 화학 산업에 기여할 것으로 기대된다.

기초연구실은 앞으로도 실험-계산-이론을 아우르는 융합 연구를 통해 태양-열 변환 현상을 정량적으로 해석하고, 고효율·무탄소형 화학 시스템을 구현하기 위한 연구를 진행할 계획이다. 이러한 노력을 통해 태양의 에너지를 보다 효율적으로 활용하고, 지속 가능한 발전을 위한 기초과학적 규명을 하고자 한다. 

한양대학교 ERICA 캠퍼스

태양-열 구동 지속가능한 화학 시스템 기초연구실 

유원철 연구책임자 / 한양대학교 ERICA 캠퍼스 에너지바이오학과 교수 

한양대학교 ERICA 캠퍼스 에너지바이오학과의 유원철 교수가 이끄는 본 연구실은 지속 가능한 화학 시스템 구축을 목표로 다학제적 연구를 수행하고 있습니다. 연구실 장인 유원철 교수는 무기소재화학, 다공성 탄소소재 및 나노반응기 설계 분야의 전문 가입니다. 이와 함께 다공성 소재 합성과 가스 흡착-탈착 전문가인 전형필 교수, 태양- 열 구동 불균일 촉매 반응 전문가인 장광석 교수가 공동연구원으로 참여 중이며, 국내 공동연구팀으로 고려대학교의 계산화학 및 인공지능 전문가인 김용주 교수 연구팀이 참여, 국제 공동연구로는 미국의 Johns Hopkins 대학의 멤브레인, 흡착제, 촉매 전문가인 Michael Tsapatsis 교수 연구팀과 공동연구를 진행하여 시너지를 내고 있습니다. 본 연구실은 실험적 합성, 계산화학, 인공지능 해석을 융합하여 태양-열 변환 메커니즘을 규명하고, 이를 기반으로 미래 사회에 기여할 새로운 화학 시스템을 개 발하는 데 연구 역량을 집중하고 있습니다. 

대표 연구성과 

1. Heo, I.; Kang, M. S.; Kim, J.; Lee, C.; Kim, H. S.; Lim, D.-H.; Yoo, W. C.* Temperature-Induced Morphology Control of Fe-Polydopamine Coordination Complexes and Their Derivatives for Energy Storage Applications. Nano Lett. 2025, 25, 14982.

2. 2. Kim, M. S.; Heo, I.; Kang, M. S.; Jeon, B. G.; Cho, K. K.*; Yoo, W. C. ; Lee, K. H. Redox-Enhanced Ionogels for Stretchable High Energy Density Electrochemical Capacitors. Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2421206.

3. Kang, M. S.; Heo, I.; Park, S. H.; Bae, J.; Kim, S.; Kim, G.; Kim, B.-H.; Jeong, N. C.*; Yoo, W. C.* Time-Efficient Atmospheric Water Harvesting using Fluorophenyl Oligomer in MOFs. Nat. Commun. 2024, 15, 9793.

4. Kang, M. S.; Heo, I.; Cho, K. G.; Kyung, H.; Kim, H. S.; Lee, K. H.*; Yoo, W. C.* Coarsening-induced Hierar-chically Interconnected Porous Carbon Polyhedrons for Stretchable Ionogel-based Supercapacitors. Energy Storage Mater. 2022, 45, 380.

5. 5. Kang, M. S.; Heo, I.; Kim, S.; Yang, J.; Kim, Ja.; Min, S.-J.; Chae, J.; Yoo, W. C.* High-Areal-Capacity of Mi-cron-Sized Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries by Using Wrinkled-Multilayered-Graphenes. Energy Stor-age Mater. 2022, 50, 234-242.

6. Cho, K. G.; Kim, H. S.; Jang, S. S.; Kyung, H.; Kang, M. S.; Lee*,K. H.; Yoo, W. C.* Optimizing Electrochem-ically Active Surfaces of Carbonaceous Electrodes for Ionogel Based Supercapacitors. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2002053.