AI와 플라즈마 기술로 폐태양전지를 수소와 나노실리콘으로 바꾸는 미래 기술

 AI와 플라즈마 기술로 폐태양전지를 수소와 나노실리콘으로 바꾸는 미래 기술

1. 개발 배경

: 폐태양전지 리사이클링 공정에서 실리콘 파우더(대량 부산물)가 다량 발생하고 있으나, 현재는 부가가치가 낮거나 처리비용이 수반되는 경우가 많다. 또한 수소의 안전한 저장·운송은 수소경제 확산의 핵심 장애요인으로, 화학적 수소저장체(chemical hydrogen carrier) 기반 기술이 요구되고 있다.
본 과제는 부산물 실리콘을 플라즈마 용해로(고온·급냉/응축) 기반 나노 분체화하여 반응성을 극대화하고, 다음 두 단계 순환반응을 통해 NaBH₄ 기반의 수소 생산-재생 시스템를 구축하는 기술을 개발하고자 한다.

반응 1(NaBH4합성)   : NaBO₂ + 2Si + 4NaOH → NaBH₄ + 2Na₂SiO₃ ^※

반응 2(수소생산)       : NaBH₄ + 2H₂O → NaBO₂ + 4H₂

즉, NaBO₂는 반응2에서 재생되고, 이를 다시 반응1에 투입하여 NaBH₄를 재합성하는 순환형 공정을 개발하고자 함.

※ Na₂SiO₃ = Na₂O•SiO₂

 

2. 연구분야

2.1 플라즈마 용해-기화-응축 기반 나노 Si 제조

: 플라즈마 기반 나노 Si 분체 제조

: Si 파우더를 플라즈마 고온 영역에서 순간 용융/기화시키고, 급랭·응축을 통해 나노 분체화

- 원료 Si 파우더의 산화층/불순물(금속, 탄소, 유기물) 영향 최소화 공정

- 플라즈마 전력, 가스(Ar/N₂/H₂ 혼합 가능), 체류시간, 냉각속도, 응축부 설계를 통한 입도 제어

- 나노분체의 비표면적/표면산화도 제어(반응성에 직결)

 

2.2 나노 Si를 이용한 NaBH₄ 재생(반응1)

: 반응1은 NaBO₂(메타보레이트)를 NaBH₄로 환원하는 단계

1) Si의 반응성과 NaOH 농도/온도/혼합이 성능을 좌우함

2) 나노 Si 적용 차별성

- 동일 질량 대비 표면적 증가 → 반응속도 증가, 저온화 가능성

- 혼합/분산이 핵심이므로, 나노 Si의 응집 방지(분산기술)와 슬러리 공정 설계가 중요

- AI를 이용한 열역학적 데이터를 활용한 NaBH₄ 합성 수율(또는 전환율) 향상

 

2.3 NaBH₄ 가수분해 기반 수소 생산(반응2) 및 순환

: 반응2는 NaBH₄로부터 수소를 생산하며 생성물 NaBO₂가 다시 반응1 원료로 재투입함

1) 수소 발생 반응의 발열/안전 제어(온도 상승 시 폭주 위험)

2) 수소발생 속도 제어(촉매 사용 여부, 물 주입 방식, 농도 제어)

3) 생성 NaBO₂의 회수/정제(불순물 누적 방지)

- 수소 발생량(이론 대비) > 90%이상

- 발생속도/온도 안정 제어순환반응 성능향상 수율

- 부산물 실리콘 기반 수소 제조의 경제성(원가/탄소저감) 평가 및 파일럿 스케일업 설계(개념설계)

 

3. 연구개발 추진전략 및 세부 수행내용

3.1 전체 공정 구성(개념)

1) 폐태양전지 부산물 Si 파우더 전처리(건조/분급/불순물 분석)

2) 플라즈마 용해로 투입 → 나노 Si 제조(응축/포집)

3) 반응1: NaBO₂ + 나노 Si + NaOH 반응으로 NaBH₄ 합성

4) NaBH₄ 정제/농축(필요 시 결정화 등)

5) 반응2: NaBH₄ 가수분해로 H₂ 생산 → NaBO₂ 회수

6) NaBO₂를 반응1로 재투입(순환)

 

3.2 세부과제(Work Package)

1) 원료 Si 파우더 특성분석 및 전처리 표준화

: 성상 - 입도, 산화도, 금속불순물(Ag/Cu 등), 탄소/유기물

: 전처리 - 분급, 세정(필요 시), 건조, 저장(산화 억제)

2) 플라즈마 기반 나노 Si 제조 공정개발

: 주요 변수 - 플라즈마 전력(kW), 가스 유량/조성, 투입속도, 응축부 온도, 포집 방식

: 산출물 - 평균입도/분포, BET 비표면적, 표면산화도(XPS), 결정성(XRD)

3) 반응1(재생) 공정 최적화 및 메커니즘 규명

: 변수 - NaOH 농도, NaBO₂:Si 몰비, 반응온도(°C), 교반/분산, 반응시간

: 성능지표 - NaBH₄ 생성량(정량분석), 부산물 Na₂SiO₃ 형성, 불순물 영향

4) 반응2(수소발생) 반응기 및 제어기술 개발

: 목표 - 수소발생량/속도 제어, 안전성 확보(온도/압력/역화 방지)

: 성능지표 - H₂ 발생량(이론 대비), 발생속도, 안정운전 시간

5) 순환공정(Closed-loop) 평가 및 스케일업 설계

: 순환 실험 – 성능적정화(불순물 누적, 용액 성상 변화) 규명

: 경제성/환경성 평가

: 파일럿 (NaBH₄) 설계안 도출

6) AI(인공지능) 적용

: AI 기반으로 공정변수별 실험최적화를 위한 열역학 데이터적용 및 해석

- 입력: 플라즈마 운전조건 + 나노 Si 특성 + 반응1/2 조건

- 출력: 나노 Si 입도/산화도 예측, NaBH₄ 수율 예측, H₂ 발생속도/온도상승 예측

- 방법: DOE(실험계획) + Bayesian Optimization/랜덤포레스트 등으로 최적조건 탐색

- 기대: 실험횟수 절감, 최적조건 조기 도출, 스케일업 변수 민감도 파악

 

4. 추진일정

4.1 일정계획

기간	개발내용	비고
1~3M	원료분석/전처리 표준화, 플라즈마 기초조건 도출(착수)
4~9M	나노 Si 제조 조건 최적화, 반응1 스크리닝
10~15M	반응1 고도화 및 수율 향상, 반응2 반응기 시제품
16~21M	순환공정 통합/연속운전 검증, AI 최적화 고도화
22~24M	파일럿 설계/사업화 패키지(특허, 시제품, 공정도) 완성

 

 

4.2 수행체계 및 장비구축

1) 수행체계

- 주관(다이나믹 인더스트리 기업부설연구소) - 플라즈마 나노 Si, 공정통합, 시제품 제작

- 공동(지역대학/연구소) - 분석(XRD/XPS/TEM), 반응 메커니즘, 촉매/반응기 자문

- 참여(지역기관) - 실증부지/인허가/안전관리, 사업화 연계

2) 장비(20억-추정)

- 플라즈마 용해로(분체 투입/응축·포집 포함), 집진/필터

- 분체 특성 분석: 레이저입도, BET, XRD/XPS/TEM(외부활용 가능)

- 반응기: 내알칼리 반응기(반응1), 수소발생 반응기(반응2), 가스유량계/GC

- 안전: 수소 누설감지기, 배기/환기, 방폭전기, 압력안전밸브, 소화설비

 

5. 기대 및 파급효과

5.1 사업화 모델

: 나노 Si 소재 판매(소재사업)→플라즈마 나노 Si를 배터리/복합재/기능소재로 분기 판매(리스크 분산)

: NaBH₄ 재생 + 수소발생장치사업→“NaBH₄ 카트리지 + 현장 수소발생기” 패키지로 납품(산업용)

: 자원순환형 수소 생산 서비스(운영사업)→관내 연구 및 산업단지 내 실증 → 지자체/공공기관에 공급

 

5.2 관내 연구 및 정책과 연계

: 폐태양전지 부산물의 자원순환 고부가화(탄소중립)

: 플라즈마 기반 첨단공정(뿌리·소부장 공정기술 고도화)

: AI 기반 공정최적화로 스마트 제조혁신

: 수소 저장체 기반 지역 분산형 에너지 모델 제시

 

5.3 파급효과 및 기대효과

: 자원순환

  → 폐태양전지 부산물 Si의 고부가 소재화(나노 분체)

→ 나노 Si 제조–NaBH₄ 재생–수소 생산의 통합 순환공정 확보

→ CO₂ 저감 : 부산물 절감 + 고부가 제품 매출(소재/장치)

: 에너지 → NaBH₄ 기반 수소 저장·운송 및 현장 수소 생산 기술 확보

: 지역/정책

→ 관내 연구 및 자원순환/친환경/신소재와 정합, 기업 부설연구소 역량 강화

→ 관내 연구 및 산업단지 내 연구소의 핵심 아이템으로 자리매김, 산학연 연계 확대

: 사업화 → 나노 Si 소재 판매 + 수소발생기/카트리지(수소팩) 응용으로 확장