2022년도 에너지환경기술개발사업의 신규과제에 대한 사전공고를 통하여 학·연·산 전문가의 다양한 의견을 수렴하여 반영하고자 하오니 관심 있는 분들의 많은 참여 부탁드립니다.

2022. 12. 29.

한국연구재단

에너지환경기술개발사업('22년도 392.77억원/RFP 18개)

○ PM분야: 에너지환경

○ 사전공고 내역

(단위 : 억 원)

순번	내역사업	과제제안요구서(RFP)명	’22년 예산	선정 과제수	공고형식
1	단계도약형 탄소중립 기술개발	친환경 공정 기반 대면적 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 개발	14.23	1	지정공모 (Top-down)
2
		초고효율 탠덤(다중접합)용 페로브스카이트 태양전지 요소기술 개발	17.78	1
3
		고효율 대면적 초경량·유연 무독성 CIGS 박막 태양전지 기술개발	17.78	1
4
		목질계 바이오매스의 리그닌을 활용한 고부가 화합물 및 바이오연료 생산 기술 개발	14.23	1
5
		수송용 연료전지 MEA 핵심 요소기술 고도화	19.56	1
6
		건물용 연료전지 핵심 원천 기술 개발	19.56	1
7
		고에너지밀도 전고체전지 핵심 원천기술 개발	19.56	1
8
		리튬금속 기반 차세대 고에너지밀도 금속-공기 전지 고도화 요소기술 개발	19.56	1
9	CCU3050	블루수소 생산 현장 적용 고효율 CO2포집 실증공정개발	45	1	품목ㆍ분야 공모형 (Middle-up)
10		저농도 CO2 무포집형 합성가스 생산 실증기술 개발	45	1
11	탄소자원화 플랫폼 화합물 제조기술개발	탄소자원화 플랫폼 화합물 제조 기술개발	61.5	1 (사업단)	지정공모 (Top-down)
12
		탄소자원화 플랫폼 화합물 제조를 위한 탄소발자국 평가 및 기술 활용 전략 수립	4	1
13	바이오매스 기반 탄소중립형 바이오플라스틱 제품기술개발	원스텝-원팟 기반 차세대 생분해성 바이오 플라스틱 소재 개발	6.67	1
14		생분해성 플라스틱 제조용 바이오락톤 소재 기술개발	6.67	1
15		석유계 대체 신규 바이오가소제 생산기술 개발	6.67	1
16	석유대체 친환경 화학기술개발 사업	석유대체 친환경 원료대체 바이오리파이너리 연구단	40	1	품목ㆍ분야 공모형 (Middle-up)
17		폐플라스틱 탄소자원 대상 석유기반 고부가 기초화학물질 대체 생산기술 개발	28.5	1	지정공모 (Top-down)
18
		석유대체 친환경 화학기술 전략센터 구축·운영	6.5	1
합계			392.77	18개 내외

연구자 의견수렴 일정

○ 접수 기한 : 2022.12.29.(수) ~ 2022.1.4.(화) 18:00까지

○ 접수 방법 : 기획마루(https://plan.nrf.re.kr)에 접속하여 로그인 한 후
『참여마당』-『사전공고의견수렴』을 선택하여 해당 연구주제에 의견 접수

문의처

○ 연구주제안내서 및 사전공고 관련

- 단계도약형 탄소중립 기술개발, CCU3050, 탄소자원화 플랫폼 화합물, 바이오매스 기반 바이오플라스틱 : 에너지환경단 문경은(042-869-7864, kemoon83@nrf.re.kr)

- 석유대체 친환경 화학기술개발 : 에너지환경단 송치돈(042-869-7863, scd5271@nrf.re.kr)

별 첨. 2022년 에너지환경기술개발사업 신규과제 사전공고 안내자료 1부.  끝.

2021년 에너지환경기술개발사업
신규과제 사전공고 안내자료

□ 에너지환경기술개발사업

(단위 : 억 원)

순번	내역사업	과제제안요구서(RFP)명	’22년 예산	선정 과제수	공고형식
1	단계도약형 탄소중립 기술개발	친환경 공정 기반 대면적 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 개발	14.23	1	지정공모 (Top-down)
2
		초고효율 탠덤(다중접합)용 페로브스카이트 태양전지 요소기술 개발	17.78	1
3
		고효율 대면적 초경량·유연 무독성 CIGS 박막 태양전지 기술개발	17.78	1
4
		목질계 바이오매스의 리그닌을 활용한 고부가 화합물 및 바이오연료 생산 기술 개발	14.23	1
5
		수송용 연료전지 MEA 핵심 요소기술 고도화	19.56	1
6
		건물용 연료전지 핵심 원천 기술 개발	19.56	1
7
		고에너지밀도 전고체전지 핵심 원천기술 개발	19.56	1
8
		리튬금속 기반 차세대 고에너지밀도 금속-공기 전지 고도화 요소기술 개발	19.56	1
9	CCU3050	블루수소 생산 현장 적용 고효율 CO2포집 실증공정개발	45	1	품목ㆍ분야 공모형 (Middle-up)
10		저농도 CO2 무포집형 합성가스 생산 실증기술 개발	45	1
11	탄소자원화 플랫폼 화합물 제조기술개발	탄소자원화 플랫폼 화합물 제조 기술개발	61.5	1 (사업단)	지정공모 (Top-down)
12
		탄소자원화 플랫폼 화합물 제조를 위한 탄소발자국 평가 및 기술 활용 전략 수립	4	1
13	바이오매스 기반 탄소중립형 바이오플라스틱 제품기술개발	원스텝-원팟 기반 차세대 생분해성 바이오 플라스틱 소재 개발	6.67	1
14		생분해성 플라스틱 제조용 바이오락톤 소재 기술개발	6.67	1
15		석유계 대체 신규 바이오가소제 생산기술 개발	6.67	1
16	석유대체 친환경 화학기술개발 사업	석유대체 친환경 원료대체 바이오리파이너리 연구단	40	1	품목ㆍ분야 공모형 (Middle-up)
17					지정공모 (Top-down)
		폐플라스틱 탄소자원 대상 석유기반 고부가 기초화학물질 대체 생산기술 개발	28.5	1
18
		석유대체 친환경 화학기술 전략센터 구축·운영	6.5	1
합계			392.77	18개 내외

[참고]

ㅇ PM 및 신규과제 기획위원은 해당 연구주제 신청 및 참여가 제한됨

▣ 사전공고 기간 : 2021.12.29.(수) ~ 2022.1.4.(화) 18:00까지

▣ 사전공고 의견수렴 참여 방법

① 한국연구재단 “기획마루(https://plan.nrf.re.kr)” 홈페이지 접속 후 → 로그인* → 참여마당 탭 하위항목 – 사전공고 의견수렴 → ’22년 에너지환경기술개발사업 신규과제 사전공고 및 의견수렴 게시물 확인(제목 또는 접수중 클릭) → 등록 클릭

※ 로그인 방법 www.kri.go.kr 등록시 아이디와 비밀번호를 사용하고 현재 KRI 미등록자는 신규등록을 하여야 함

② 기획마루에서 개인정보 수집 등 동의하고 진행하기 → 기획마루 상의 의견수렴 양식에 맞춰 제안자의 의견 작성 → 기획마루에 파일 첨부 가능

※ 웹으로 입력/저장 중 에러가 발생할 수 있으니 입력 내용을 다른 파일에 먼저 저장하신 후 복사 및 붙여넣기로 입력

▣ 향후 일정

ㅇ 2022.1월 중(예정) : 2022년 에너지환경기술개발사업_단계도약형, CCU3050, 탄소자원화 플랫폼 화합물, 석유대체 친환경 화학기술_신규과제 공고

ㅇ 2022.3월 중(예정) : 2022년 에너지환경기술개발사업_바이오매스 기반 바이오플라스틱_신규과제 공고

RFP번호	2022-에너지환경-01	공모유형		지정공모형
사업명	원천기술개발사업-단계도약형 탄소중립기술개발
RFP명	친환경 공정 기반 대면적 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

◯ 기후변화 대응, 온실가스 감축 의무 이행, 탄소중립 사회로의 전환 등 국가적 현안 해결의 핵심기술 요소로서 상용화 가능한 차세대 태양전지 원천기술 확보 노력 필요

◯ 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하는 결정질 실리콘 태양전지 대비 우수한 효율, 높은 가격경쟁력, 장수명을 갖는 태양전지가 필요하며, 이를 위해 페로브스카이트 소재 기반의 태양전지 기술 진보가 시급

◯ 국내 페로브스카이트 태양전지 분야의 세계 최고 기술우위 유지와 발 빠른 상용화를 위해 페로브스카이트 태양전지의 친환경 공정 기반 대면적 Pb-free 페로브스카이트 태양전지의 모듈화 기술 및 안정성 증대 기술 개발이 필요

- 단일접합 Pb 기반 페로브스카이트 태양전지 기술은 세계적으로 가장 높은 광전변환효율(25.5%)을 기록하는 등 우수한 성과를 달성하고 있음. 하지만, 실제 양산을 위해서는 인체/환경에 무해한 친환경 소재 및 공정에 대한 기술 도약이 필요

- 현재 25% 이상의 고효율 페로브스카이트 태양전지는 0.1cm2 소면적 소자에서 얻은 효율이기 때문에 상용화를 위해서는 대면적 공정기술, 모듈화 기술, 대면적 모듈의 고효율화 핵심기술 개발 요구

- 또한, 박막 태양전지의 UV 전처리 시험, 온도 사이클 시험, 습도-동결 시험, 고온 고습 시험 등을 모두 충족하는 고안정성 기술 확보가 매우 중요

□ 기획 주안점

◯ 친환경 공정기반 고효율-고안정성 대면적 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 기술개발은 페로브스카이트 태양전지의 상용성을 고려한 소재-공정-소자-모듈에 이르는 전주기적 개발에 대한 연구 목표와 내용 제시가 필요

◯ 고효율과 동시에 안정성을 갖는 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 소재-소자 기술 개발과 상용성을 고려한 대면적 모듈화 공정 기술, 환경적 유해성을 극복하고 안정성을 향상시키기 위한 기술 개발이 기획의 중요 지표에 해당

- (친환경 소재-소자) 효율 16%이상을 나타내는 친환경 소재 및 용매 기반 Pb-free 단위소자 제작 기술 개발

- (친환경 대면적 공정) 친환경 양산이 가능한 용액 공정기반의 대면적 공정 기술개발 및 효율 11% 이상을 나타내는 대면적 Pb-free 모듈(≥200 cm2) 제작 기술 개발

- (모듈 안정성) 상용화 가능한 수준의 안정성 테스트인 KS C IEC 61646 기준(UV 전처리 시험, 온도 사이클 시험, 습도-동결 시험, 고온 고습 시험)을 충족하는 기술 개발

1. 연구목표

ㅇ 최종목표 : 상용성을 고려한 친환경 공정 기반 세계 최고 수준의 고효율 고안정성 대면적 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 개발

ㅇ 연차별 목표

[ 1차년도 ('22, 8개월) ]

- (친환경 소재-소자) 고효율 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 소재 및 소자 기술개발

- (친환경 대면적 공정) 친환경 대면적 페로브스카이트 박막 제작 기술 개발(상업적 공정에 허가된 용매에 기반한 대량 생산이 가능한 공정 기술 적용)

[ 2차년도 ('23, 12개월) ]

- (친환경 소재-소자) 고효율 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 소재 및 소자 기술개발

- (친환경 대면적 공정) 친환경 대면적 모듈화 공정기술 개발(모듈 생산관련 요소 기술 개발)

- (모듈 안정성) Pb-free 페로브스카이트 소자 및 모듈의 고안정성 기술 개발

[ 3차년도 ('24, 12개월) ]

- (친환경 소재-소자) 고효율 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 소재 및 소자 기술개발

- (친환경 대면적 공정) 상용화 수준의 안정성을 갖춘 친환경 페로브스카이트 태양전지 모듈 프로토타입 개발

- (모듈 안정성) 상용화 가능한 수준의 KS C IEC 61646 기준을 모두 충족하는 안정성 기술개발

2. 연구내용 및 범위

ㅇ 연차별 연구내용 및 범위

[ 1차년도 ('22, 8개월) ]

1) (친환경 소재-소자) 고효율 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 소자-모듈 기재 및 소자 기술 개발

- 페로브스카이트 소재 안정화를 위한 고품질 전구체 합성, 조성 다변화 및 첨가제 개발

2) (친환경 대면적 공정) 대면적 박막화 상용성 공정기술 개발

- 환경 친화성 용매 스크리닝 및 박막화 공정 개발

[ 2차년도 ('23, 12개월) ]

1) (친환경 소재-소자) 고효율 Pb-free 페로브스카이트 태양전지 소재 및 소자 기술개발

- 페로브스카이트 소재 안정화를 위한 고품질 전구체 합성, 조성 다변화 및 첨가제 개발

- 전하수송층 성능 향상 및 안정성 확보 기술 개발

2) (친환경 대면적 공정) 대면적 박막화 상용성 공정기술 개발

- 대면적 모듈 제작 기술 개발

3) (모듈 안정성) KS C IEC 61646 기준을 만족하는 안정성 향상을 위한 계면 조절 기술개발

- 소자작동 안정성과 외부환경에 대한 장기안정성 확보를 위한 페로브스카이트 활성층 및 계면 안정화 기술 개발

- UV 전처리 시험, 온도 사이클 시험, 습도-동결 시험, 고온 고습 시험 후 모듈 안정성 기술 개발

[ 3차년도 ('24, 12개월) ]

1) (친환경 소재-소자) 고효율과 동시에 안정성을 갖는 페로브스카이트 태양전지 기술 개발

- 고효율 Pb-free 태양전지 단위소자 효율 ≥ 16%

2) (친환경 대면적 공정) 대면적 박막화 상용성 공정 기술 개발

- 친환경 공정 기반 CTM(Cell to Module) 효율 격차를 줄이기 위한 공정기술 개발

- 모듈(면적 200cm2) 효율 ≥ 11%

3) (모듈 안정성) KS C IEC 61646 기준을 만족하는 안정성 기술 개발

- UV 전처리 시험, 온도 사이클 시험, 습도-동결 시험, 고온 고습 시험 후 모듈 효율 저하 15%이내

3. 성과목표

ㅇ 1차년도 목표

- 고효율 Pb-free 페로브스카이트 소자 기술개발 (단위소자 효율 ≥ 9%)

- 친환경 대면적 공정 기술개발 (모듈 효율 ≥ 5%)

ㅇ 2차년도 목표

- 고효율 Pb-free 페로브스카이트 소자 기술개발 (단위소자 효율 ≥ 13%)

- 친환경 대면적 공정 기술개발 (모듈 효율 ≥ 8%)

- KS C IEC 61646 각 안정성 시험조건에서 모듈 효율 저하 30%이내

ㅇ 3차년도 목표

- 고효율 Pb-free 페로브스카이트 소자 기술개발 (단위소자 효율 ≥ 16%)

- 친환경 대면적 공정 기술개발 (모듈 효율 ≥ 11%)

- KS C IEC 61646 각 안정성 시험조건에서 모듈 효율 저하 15%이내

ㅇ 정량적 최종 목표달성 항목

항목(모듈)			최종목표	비고
핵심*	효율	단위소자	≥ 16%	공인기관시험성적서 제출
		모듈(200cm2)	≥ 11%	공인기관시험성적서 제출
	모듈 안정성 KS C IEC 61646	UV 전처리 시험	효율 저하 15%이내	공인기관시험성적서 제출
		온도 사이클 시험	효율 저하 15%이내	공인기관시험성적서 제출
		습도-동결 시험	효율 저하 15%이내	공인기관시험성적서 제출
		고온 고습 시험	효율 저하 15%이내	공인기관시험성적서 제출
	논문 JCR 3% 이내, 등록특허 SMART A등급		각 1건 이상	-
자율	양산 가능한 친환경 소재		자율제시 (특허/논문 건수)	평가방법 및 기준 필수 제시
	대면적 친환경 공정 개발		자율제시 (특허/논문 건수)	평가방법 및 기준 필수 제시
	모듈 안정성 기술		자율제시 (특허/논문 건수)	-

* 핵심지표는 필수 달성, 자율지표는 총괄책임자가 자율적으로 선택 또는 추가·변경하여 제시가능
(단, 자체평가의 경우 평가기준 제시 필수)

4. 특기사항

ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안

ㅇ 동 과제에서 발생한 논문/특허 성과물의 기여도 50% 이상(단, BK21 플러스 등 인력양성사업은 고려 제외)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 선정평가 시, 동 과제에서 제안할 친환경 공정의 양산 적합성 제시 필수

ㅇ 1차년도에 IP-R&D를 필수적으로 수행(간접비에서 관련 예산 배정 필수)

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시

ㅇ 개발기술의 자율 성능목표 항목과 수치는 연구 제안자가 자유롭게 제시하되, 객관적인 자료로 제시한 성능목표의 타당성을 입증할 것

ㅇ 지원예산은 당해 연도 예산상황에 따라 변동될 수 있음

ㅇ 사업 기획시 제시한 질적성과지표를 참고하여 목표 제시가 필요함

- SCI(E) 논문의 표준화된 순위 보정력 지수(mrnIF) 84점 이상 달성

- 총 사업기간 내 예산 대비 특허 출원 수 1건/5억원 이상 달성

5. 연구기간 및 연구비

ㅇ 연구기간 : '22 ~ '24년(3년, 총 32개월)

ㅇ 정부출연금 규모 : 총 44.23억원 ('22년 14.23억원(8개월), '23년 15억원, '24년 15억원)

RFP번호	2022-에너지환경-02	공모유형		지정공모형
사업명	원천기술개발사업-단계도약형 탄소중립기술개발
RFP명	초고효율 탠덤(다중접합)용 페로브스카이트 태양전지 요소기술 개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

◯ 차세대 태양전지 기술은 탄소중립 사회로의 전환을 위한 혁신 중점 기술로 미래 신성장동력 창출을 위한 국가적 기술 확보 시급

- 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하는 결정질 실리콘 태양전지 대비 효율, 가격, 수명과 활용성 관점에서 초격차를 갖는 우수한 차세대 태양전지 원천 기술 확보로 미래 세계 태양전지 시장 선점을 위한 대비가 필요

◯ 페로브스카이트 태양전지는 저온 용액공정으로 기존 실리콘 태양전지 수준의 고효율이 가능한 차세대 태양전지 기술로 평가

- 현재 단일접합 페로브스카이트 태양전지의 고효율화 기술을 대한민국이 선도하고 있으며, 이 기술을 활용한 초격차 미래 태양전지 기술 개발 전략으로 기존 단일접합 결정질 실리콘 태양전지의 양산 한계효율(26%)를 극복할 수 있는 다중접합 태양전지 기술 개발 전략이 유망

◯ 페로브스카이트-실리콘 (P-S*) 다중접합 태양전지가 고효율과 가격 경쟁력 확보가 가능할 것으로 전망됨. 하지만 P-S 탠덤 태양전지의 경우 유럽·미국이 기술을 선도 중이며, 신시장 대응을 위해 기술격차 감소를 위한 지속적 연구 지원 필요한 실정

※ 탠덤 태양전지 효율 (면적 1cm2 이하) : (유럽) 29.5%, (미국) 27.1%, (한국) 26.7%

◯ P-S 다중접합 태양전지 기술격차를 줄임과 동시에 오히려 다중접합 태양전지 분야를 선도할 수 있는 획기적 기술 개발이 필요

- 페로브스카이트-페로브스카이트 (P-P**) 다중접합 태양전지 기술은 연구 초기 단계로 기술을 선점할 경우 차세대 태양전지 기술의 초격차 확보 가능

◯ P-P 다중접합 기술은 200도 이하 저온공정으로도 30% 이상의 고효율이 가능하여 유연 경량의 초고효율 다중접합 태양전지의 원천 기술 확보가 가능하며, 페로브스카이트 이중접합 태양전지+태양전지 (P-P-X***)로 이루어진 초고효율 저가 삼중접합 태양전지로 활용이 가능

◯ 탠덤 태양전지 상용화 기술개발을 위해서는 소재 및 소자 안정성 확보 및 대면적의 효율이 일정 수준 이상 달성되어야 하나, 아직 P-P 탠덤 태양전지의 국내 핵심원천기술 확보는 미비한 실정

※ P-P 탠덤 태양전지 효율 (면적 1cm2 이하) : (중국) 26.4%, (미국) 23.4%, (한국) 보고 없음

◯ 탠덤 태양전지용 할로겐화물 페로브스카이트 소재의 장기안정성 확보를 위한 연구는 극히 초기단계 수준

- 태양광 발전용 탠덤 태양전지의 페로브스카이트 소재는 실리콘 태양전지와 유사한 수준의 장기안정성(20년) 확보가 필요

- 초고효율 고안정성 다중접합을 위해서는 설계된 밴드갭을 갖는 페로브스카이트 소재 각각의 손실 최소화와 소재 안정화 기술 확보가 요구됨

◯ 따라서 기존 실리콘 태양전지 기술 대비 초격차를 이룰 수 있고 현재 연구 개발의 초기단계에 있는 차세대 페로브스카이트 태양전지 다중접합 기술에 대한 소재/소자/공정의 통합적인 연구개발을 통해 원천기술을 확보하고 세계 태양전지 시장을 선점할 수 있은 선도 기술 개발 전략이 필요함

□ 기획 주안점

◯ 본 과제는 P-P 이중접합 기술 개발을 중심으로 기존 P-S 이중접합 기술을 넘어선 초고효율 삼중접합(P-P-X) 기술 적용을 위한 핵심 요소 기술 도출을 목적으로 함. 특히 33개월의 연구기간 동안 초고효율과 고안정성을 확보하기 위한 소재/소자의 원천기술 도출에 초점을 맞추고, 향후 후속 대면적 상용화 기술 개발로 성공적으로 이어지도록 하는 것이 목적임

◯ 본 과제에서 개발하는 초고효율 탠덤 태양전지용 페로브스카이트 태양전지 핵심 요소 기술은 광전변환 성능을 비교 평가하기 위한 개발 목표값 제시가 필요함 (단일 접합의 단위 소자의 1 sun 광전변환효율 포함 성능값 및 광/열 안정성 평가 성능값 제시)

◯ 본 과제는 다중접합 태양전지 기술 개발을 목표로 소재, 소자, 공정의 각 요소 기술에 대한 평가가 이루어져야함. 또한 다중접합의 종류에 따라 적절한 목표치 설정이 필요함. (P-P, P-P-X의 탠덤 소자의 1 sun 광전변환효율 포함 성능값 제시)

* P-S 이중접합: 페로브스카이트-실리콘 이중접합

** P-P 이중접합: 페로브스카이트-페로브스카이트 이중접합

*** P-P-X 삼중접합: 페로브스카이트-페로브스카이트-기타 태양전지(e.g., 페로브스카이트, 실리콘, 양자점, 유기, 무기 등) 삼중접합

1. 연구목표

ㅇ 최종목표 : '30년 초고효율 탠덤 태양전지 상용화를 위한 다중접합 페로브스카이트 태양전지 핵심 요소기술 확보

ㅇ 연차별 목표

[ 1차년도 ('22, 8개월) ]

- 밴드갭 설계 페로브스카이트 소재 개발

- 각 단위소자 구현 및 개선 방향 도출

- P-P 이중접합 구현 및 개선 방향 도출

[ 2차년도 ('23, 12개월) ]

- 각 단위소자의 광전변환 손실 개선

- 각 밴드갭 조성의 최적 박막화 공정 개발

- 단위소자 안정성 문제 개선

- P-P 이중접합 태양전지 기술 개발 (1 sun 조건 광전변환효율 > 26 %)

[ 3차년도 ('24, 12개월) ]

- 밴드갭 별 저손실 고안정 페로브스카이트 소재 도출

- 밴드갭 별 저손실 고안정 전하수송층/재결합층 소재 도출

- P-P 이중접합 태양전지 기술 개발 (1 sun 조건 광전변환효율 > 27 %)

- P-P-X 삼중접합 태양전지 소자로 활용 구현 (1 sun 조건 광전변환효율 > 30 %)

2. 연구내용 및 범위

ㅇ 연차별 연구내용 및 범위

[ 1차년도 ('22, 9개월) ]

- 밴드갭 설계 페로브스카이트 소재 개발

□ 다중접합을 구현하기 위해서 이중 및 삼중접합에 적합한 밴드갭을 갖는 페로브스카이트 조성 설계

- 각 단위소자 구현 및 개선 방향 도출

□ 설계 밴드갭 별 단위소자의 손실 요소 파악 및 개선 방향 도출

- P-P 이중접합 구현 및 개선 방향 도출

□ 적층 공정 개발을 통한 P-P 이중접합 소자 기술 도출

[ 2차년도 ('23, 12개월) ]

- 각 단위소자의 광전변환 손실 개선

□ 밴드갭을 Wide (1.7 eV ~2.2 eV), Middle (1.4 eV ~1.7 eV), Narrow (1.0 eV ~ 1.4 eV)로 구분하여 적합 조성 설계 및 각 조성에서의 고효율화 및 고안정성을 위한 핵심 기술 도출

- 각 밴드갭 조성의 최적 박막화 공정 개발

□ 각 설계된 조성의 결정화 거동을 고려하여 고품질 박막화를 위한 공정 기술 도출

- 단위소자 안정성 문제 개선

□ 밴드갭 제어에 따른 상분리 문제 해결을 위한 페로브스카이트 소재 기술

□ 각 밴드갭에 따른 상(phase)과 산화(oxidization) 안정성 확보를 위한 페로브스카이트 조성 설계

- P-P 이중접합 태양전지 기술 개발 (1 sun 조건 광전변환효율 > 26 %)

□ 적층에 적합한 페로브스카이트 박막화 공정 (용매, 열처리 등) 기술

□ P-P 이중접합 구현을 위하여 상부 소자 공정시 하부 소자 손상을 방지할 수 있는 고밀도 재결합층 소재 및 공정 개발

□ 공정상 손상 방지와 더불어 전기적/광학적 손실을 최소화 할 수 있는 재결합층 소재 개발

□ 밴드갭의 크기에 따른 적합한 밴드 구조를 갖는 전하수송층 설계를 통해 밴드 구조 차이에 따른 손실 최소화

□ 광학손실 최소화를 위한 투명전극 소재 기술

[ 3차년도 ('24, 12개월) ]

- 밴드갭 별 저손실 고안정 페로브스카이트 소재 도출

□ Wide 밴드갭 소자의 전압손실 최소화 기술 개발

□ Narrow 밴드갭 소자의 전류손실 최소화 기술 개발

- 밴드갭 별 저손실 고안정 전하수송층/재결합층 소재 도출

□ 적층 공정에 따른 용매, 열처리에 따른 손실 최소화와 소자 구조상 광학손실 최소화할 수 있는 전하수송층 기술 개발

- P-P 이중접합 태양전지 기술 개발 (1 sun 조건 광전변환효율 > 27 %)

□ 상-하부 소자의 전류매칭을 통한 P-P 탠덤 소자 고효율화 기술 개발

□ 고효율/고안정성 확보를 위한 공정 기술 도출

- P-P-X 삼중접합 태양전지 소자로 활용 구현 (1 sun 조건 광전변환효율 > 30 %)

□ P-P 이중접합 기술을 P-P-X 삼중접합에 적용 초고효율 탠덤 태양전지 요소 기술 도출

3. 성과목표

ㅇ 1차년도 목표

- 밴드갭 설계 페로브스카이트 소재 개발 및 각 단위소자화 기술 도출

- P-P 이중접합 소자화 기술 확립

- JCR 3% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 2차년도 목표

- 설계 밴드갭 별 페로브스카이트 소재의 고품위 기술 및 고안정성 기술 도출

- 이중접합 시 손실 최소화를 위한 재결합층 소재 및 공정 기술 확보

- 광전변환효율 26%이상의 P-P 이중접합 태양전지 기술 확보

- JCR 3% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 페로브스카이트 이중접합 태양전지 관련 원천특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 3차년도 목표

- 설계된 밴드갭 별 저손실 고안정 페로브스카이트 태양전지 기술 도출

- 광전변환효율 27%이상의 P-P 이중접합 태양전지 기술 확보

- 광전변환효율 30%이상의 P-P-X 다중접합 태양전지 기술 확보

- JCR 1% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 페로브스카이트 다중접합 태양전지 관련 원천특허 출원 및 등록 건수 자율 제시 (SMART 등급 A 이상 포함)

ㅇ 정량적 최종 목표달성 항목

항목(모듈)			최종목표	비고
핵심*	1sun 광전변환 효율	P-P 이중접합 태양전지	≥ 27 % (면적 ~ 1 cm2)	공인시험성적서 제출
		P-P-X 삼중접합 태양전지	≥ 30 % (면적 ~ 1 cm2)	공인시험성적서 제출
자율	각 탠덤 소자의 광안정성		열화율 10% 이내	1 sun 광조사 1,000시간
	각 탠덤 소자의 열안정성		열화율 10% 이내	85도-85RH% 1,000시간
	그 외 연구자 자율 선택 항목		자율제시	자율제시 (평가 기준도 함께 제시)

* 핵심지표는 필수 달성, 자율지표는 총괄책임자가 자율적으로 선택 또는 추가·변경하여 제시가능
(단, 자체평가의 경우 평가기준 제시 필수)

4. 특기사항

ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안

ㅇ 동 과제에서 발생한 논문/특허 성과물의 기여도 50% 이상(단, BK21 플러스 등 인력양성사업은 고려 제외)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 개발기술의 자율 성능목표 항목과 수치는 연구 제안자가 자유롭게 제시하되, 객관적인 자료로 제시한 성능목표의 타당성을 입증할 것

ㅇ 지원예산은 당해 연도 예산상황에 따라 변동될 수 있음

ㅇ 사업 기획시 제시한 질적성과지표를 참고하여 목표 제시가 필요함

- SCI(E) 논문의 표준화된 순위 보정력 지수(mrnIF) 84점 달성 (동 과제를 통해 나오는 전체 논문의 평균값)

- 총 사업기간 내 예산 대비 특허 출원 수 1건/10억원 달성

5. 연구기간 및 연구비

ㅇ 연구기간 : '22 ~ '24년(3년, 총 32개월)

ㅇ 정부출연금 규모 : 총 57.78억원 ('22년 17.78억원/8개월, '23년 20억원, '24년 20억원)

RFP번호	2022-에너지환경-03	공모유형		지정공모형
사업명	원천기술개발사업-단계도약형 탄소중립기술개발
RFP명	고효율 대면적 초경량·유연 무독성 CIGS 박막 태양전지 기술개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

◯ 2050 탄소중립을 목표로 하는 재생에너지 중심의 에너지 전환 시대 도래로  재생에너지의 역할·보급이 커질 것으로 예상함. 2050 탄소중립 시나리오에 의하면 목표 달성을 위해 대한민국은 2020년 기준 6.6%의 신재생에너지 비중을 2050년 56.6~70.8% 수준으로 확대해야 함

◯ 세계 태양광 시장은 2020년에 140 GW에 이르는 설치량을 보였으며 누적 760 GW의 규모로 성장하였음. 대한민국도 2020년 약 4 GW의 추가 설치량 및 16 GW의 누적 설치량으로 양 지표에서 모두 세계 10위 권 안을 유지하고 있음.

◯ 에너지 전환 정책과 태양광 기술 발전으로 보급이 폭증적으로 확대되고 있으나, 태양광 발전시설 신규 입지 선정 및 이격 거리 규제 등으로 전통적 방식의 태양광 설치는 수용성 및 국토의 효율적 이용 측면에서 한계에 봉착함

◯ 이에 최근 양적인 태양광 보급보다는 자연·환경 보존을 중시한 친환경·다기능 태양광 모듈 및 제품에 대한 시장 수요 증대. 이에 인공피조물 설치할 수 있거나 수용성을 대폭 향상시킨 건물형, 도로형, 수상형 및 차량형 고성능 태양전지 기술이 각광 받음

◯ 기존 실리콘 태양전지는 셀 기준 효율 >26% 및 신뢰성은 우수하나, 무거운 질량, 물리적 진동에 의한 피로 파괴 및 초경량 유연 모듈화 어려움 등으로 적용 확대에 한계가 있음. 따라서 차세대 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지에 상응하는 효율을 가지면서도 어디서든 적용 가능한 형태적·기능적 자유도가 높아야 함

◯ Cu(In,Ga)Se2(CIGS)로 대표되는 무기 박막 태양전지는 높은 내구성과 다양한 응용성을 가지면서도 셀 기준 >23% 고효율을 낼 수 있어 차세대 다기능 태양전지로 각광 받음. CIGS 박막 태양전지는 기판 선택의 자유도가 높아서 기존 무겁고 딱딱한 유리 기판 대신 유연한 폴리머 혹은 금속 포일을 이용할 경우 매우 가볍고 유연한 고성능 박막 태양광 모듈 제조가 가능함

◯ 미국의 Mialsole′社사는 금속 포일 기판을 이용한 초경량 유연 박막 CIGS 박막 태양전지 기술을 이용하여 대면적 모듈(면적 1.08m2)에서 최고 18.64%의 변환 효율과 무게당 출력비 50 W/kg 달성함으로써 BIPV로 대표되는 다기능 태양광 모듈 기술의 선두 주자로 인식되고 있으나 고온고습 안정성 평가를 통과하지 못했음. 국내에서는 이와 관련한 소재/공정/장비의 기술개발이 매우 미흡함

◯ 현재 개발된 경량 유연 CIGS 박막 태양광 모듈은 대부분 경량 금속 포일을 이용한 기술임. 심미적으로 우수하며 초경량화 가능하여 무게당 출력비를 더욱 개선시킬 수 있는 폴리머 기판 적용 초경량 유연 CIGS 박막 태양전지 기술이 대두되고 있음. 스위스의 Flisom 社와 EMPA는 초경량 폴리머 기판을 이용한 태양전기에서 소면적 소자 기준 >20% 효율을 보고 하였지만, 폴리머 기판 적용 대면적 유연 모듈은 13% 수준으로 효율이 낮아서 이러한 CTM (cell-to-module) 손실 최소화는 매우 중요한 기술 이슈로 인식되고 있음

◯ 국내에서도 위와 같은 고성능 초경량 유연 CIGS 태양전지 기술의 중요성을 인식하고, 유리 기판 기반의 전통적인 CIGS 태양전지에서 폴리머 기판 초경량 유연 CIGS 태양전지 기술 개발로 전환을 시도함. 최근 순수 국내 기술로 유효소자 면적에서 >20% 효율을 달성하여 기술 개발의 교두보를 신속히 확보함

◯ 국내 기술의 경우 실험실 결과(즉, lab-scale)에서는 선진기관 대비 대등한 기술 수준에 도달하였지만, 대면적화 및 모듈화 기술로 상징되는 산업화 기반 기술의 경우 개발에 먼저 진입한 해외 선진기관과 대비하여 열세로 평가 받고 있어 기술 추격/추월을 위한 연구와 투자가 절실함

◯ 초경량 폴리머 기판에서 CIGS 박막을 성장시키기 위해서는 CIGS 광흡수층 박막의 저온 성장기술이 필수적이며, 추가적으로 CIGS 광흡수층 내로 알칼리 원소 주입 기술의 고도화도 요구됨

◯ 또한, 초경량 유연 폴리머 기판에서 CIGS 박막 태양전지의 모놀리식 모듈화를 위해서는 비접촉식 가공법이 도입되어야 함. 태양광 모듈과 달리 유연 기판의 경우 요철 및 높낮이 차이가 발생할 수 있어 기술적 난이도가 매우 높으며 이와 관련된 소재/부품/장비 기술은 전세계적으로 여전히 미성숙 상태임

◯ 기존 CIGS 박막 태양전지는 주로 CdS 버퍼층을 이용하나, 수용성 및 파급성을 고려할 때 Cd free 고성능 버퍼층 적용이 필수적임

◯ 초경량 유연 CIGS 박막 태양광 모듈의 경우 기판의 유연성 및 형태 변형(가령, 구부림)으로 모듈화 시 내구성 강화를 위한 추가적 기술 개발이 필요함

□ 기획 주안점

◯ 본 과제에서 개발하는 고효율 대면적의 초경량·유연 CIGS 태양전지 기술은 기존 유리기판 태양광 모듈 혹은 결정질 Si 태양광 모듈의 성능과 안정성에 버금가면서도 초경량성과 유연성을 유지해야 하므로 이를 평가하기 위한 목표치 제시가 필요함

◯ 고효율 대면적의 초경량·유연 CIGS 태양전지의 기본적인 성능(효율) 지표 뿐 아니라 경량성(무게당 출력비)과 신뢰성을 평가할 수 있는 방안이 필요함

- (소재 및 공정) 고효율화가 가능한 초경량·유연 기판소재 기반 CIGS 대면적 태양전지 제조 기술 및 모듈화

- (소재 및 공정) 초경량 유연 CIGS 박막 태양광 모듈의 무독화 기술 적용 여부

- (소재, 공정, 및 평가) 초경량 친환경 유연 박막 태양전지의 장수명 및 건축물적용 태양광 패널로 활용하기 위한 고내구성 봉지화 기술 확보 및 신뢰성 평가

1. 연구목표

ㅇ 최종목표 : 대면적 초경량·유연 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지·모듈 기술 개발

- 고효율 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 셀 효율: ≥ 20% @ ≥ 100 cm2

- 모놀리식 고효율 초경량·유연 CIGS 태양광 서브 모듈 효율: ≥ 18% @ ≥ 100 cm2

- 유연 CIGS 박막 태양전지 서브모듈 경량화 (무게당 출력비): ≥ 75 W/kg @ ≥ 100 cm2

- 고효율 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 대면적 모듈 효율: ≥ 15% @ ≥ 1,200 cm2

- 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지(@모듈 면적≥1,200 cm2) 신뢰성 (고온고습 안정성 / 85。C/85% 1,000 hrs): 열화율 5% 이내

- 초경량·유연·다색 친환경 모듈 시작품 제작

- 모듈 유연성 기계적 안정성 검증 (자율목표 가능)

ㅇ 연차별 목표

[ 1차년도 ('22, 9개월) ]

1) Cd-free 소재 기반 CIGS 박막 태양전지 셀 개발 (효율 15%, 면적 ≥ 100 cm2)

2) 초경량·유연 태양전지 서브모듈 개발 (효율 13%, 면적 ≥ 100 cm2)

3) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 서브모듈 무게당 출력비 > 60 W/kg

[ 2차년도 ('23, 12개월) ]

1) Cd-free 소재 기반 CIGS 박막 태양전지 셀 개발 (효율 18%, 면적 ≥ 100 cm2)

2) 초경량·유연 태양전지 서브모듈 개발 (효율 16%, 면적 ≥ 100 cm2)

3) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 서브모듈 무게당 출력비 > 68 W/kg

4) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 대면적 모듈 개발 (효율 >13%, 면적 ≥ 1,200 cm2)

5) 다색 색상 태양전지 구현 및 이를 활용한 유연 시작품 제작

5) 초경량·유연 태양전지 대면적 모듈 내구성 개선
(Damp Heat 85℃/85%RH, 500h, 열화율 10% 이내)

[ 3차년도 ('24, 12개월) ]

1) Cd-free 소재 기반 CIGS 박막 태양전지 셀 개발 (효율 20%, 면적 ≥ 100 cm2)

2) 초경량·유연 태양전지 서브모듈 개발 (효율 18%, 면적 ≥ 100 cm2)

3) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 서브모듈 무게당 출력비 >75W/kg

4) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 대면적 모듈 개발 (효율 15%, 면적 ≥ 1,200 cm2)

5) 초경량·유연 태양전지(면적: ≥ 1200 cm2) 내구성 개선
(Damp Heat 85℃/85%RH, 1,000h, 열화율 5% 이내)

6) 다색 색상 태양전지 구현 및 이를 활용한 유연 시작품 제작

2. 연구내용 및 범위

ㅇ 연차별 연구내용 및 범위

[ 1차년도 ('22, 8개월) ]

- (소재/공정) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 및 서브모듈 제조 공정 기술 개발

1) 초경량·유연 CIGS 박막 제조 공정 기술 개발

2) 무독성 버퍼층 적용 경량 유연 태양전지 공정 확립

- (공정) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 비접촉 가공 기술

1) 초경량·유연 기판 CIGS 박막 태양전지의 모놀리식 모듈화를 위한 레이저 공정기반 비접촉 가공

2) 모듈화로 발생하는 dead zone를 최소화 할 수 있는 기초 공정 연구

- (신뢰성 향상 및 평가) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 봉지화 기술 및 신뢰성 특성 평가 체계 구축

1) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 봉지화 기술 개발

2) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 신뢰성 평가 프로토콜 확립

[ 2차년도 ('23, 12개월) ]

- (소재/공정) 대면적 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 고효율화 및 균일도 향상

1) 대면적 CIGS 박막 제조 공정 기술 개발 및 균일도 향상

2) 무독성 버퍼층 적용 초경량·유연 태양전지 공정 균일화

- (공정) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 비접촉 가공 기술

1) 비접촉식 모놀리식 CIGS 박막 태양광 모듈 기술 집적화 (가공폭 미세화)

2) 모듈화로 발생하는 dead zone 최소화 공정 개선

- (공정/신뢰성 향상 및 평가) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 봉지화 기술 및 신뢰성 개선

1) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 봉지화 기술 개선

2) 가속 스트레스 테스트를 통한 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 신뢰성 평가

[ 3차년도 ('24, 12개월) ]

- (소재/공정) 대면적 CIGS 박막 태양전지 효율 극대화 및 신뢰성 확보

※ 기판 면적 및 CIGS 박막 태양전지 핵심성능지표 이상, 그 외 성능지표 자율제시

1) 대면적 CIGS 박막 제조 공정 기술 최적화

2) 무독성 버퍼층 적용 초경량·유연 태양전지 성능 최적화

- (공정) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 비접촉 가공 기술 (성능지표 자율제시)

1) 비접촉식 모놀리식 CIGS 박막 태양광 모듈 기술 최적화 및 누설 저항 극소화

2) 모듈화로 발생하는 dead zone 극소화 기술 최적화

- (공정/신뢰성 향상 및 평가) 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 봉지화 기술 및 신뢰성 최적화

※ 모듈 및 신뢰성 핵심성능지표 이상, 그 외 성능지표 자율제시

1) KS 인증(KS C iec61646) 수준의 신뢰성 이상의 프로토타입 초경량 박막 태양광 모듈 제조 기술 확립

3. 성과목표

ㅇ 1차년도 목표

- 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 제조 공정 기술 개발

- 비접촉 가공을 이용한 박막 태양전지 모듈화 공정 기술 확립

- 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 신뢰성 특성 평가 체계 구축

- JCR 20% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 관련 원천특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 2차년도 목표

- 대면적 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 고효율화 및 대면적 균일도 향상

- 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 비접촉 가공 기술의 집적화 향상

- 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 봉지화 기술 및 신뢰성 개선

- JCR 20% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 관련 국/내외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 3차년도 목표

- 대면적 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 효율 극대화 및 증착 면적 극대화

- 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 비접촉 가공 기술 최적화

- 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 봉지화 기술 및 신뢰성 최적화

- JCR 20% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지/모듈 관련 국/내외 특허(SMART 등급 A이상) 출원 및 등록 건수 자율 제시

- 기술사업화 목표 자율 제시 (0.5억/건 이상 자율제시)

ㅇ 정량적 최종 목표달성 항목

항목(모듈)				최종목표	비고
핵심*	초경량 유연 태양전지 셀 효율		% @ cm2	≥ 20% @ ≥100 cm2	공인시험성적서
	모놀리식, 초경량 유연 태양전지 서브 모듈		% @ cm2	≥ 18% @ ≥100 cm2	공인시험성적서
	모놀리식 서브 모듈 무게당 출력비		W/kg	≥ 75 W/kg	공인시험성적서
	초경량 유연 태양전지 대면적 모듈 @≥1,200 cm2	효율	% @ cm2	≥ 15%	공인시험성적서
		신뢰성	85℃/85%RH, 1,000 hrs	열화율 5% 이내	공인시험성적서
자율	대면적 태양전지 효율 균일도 @면적		% @ cm2	≤ 5% (@ ≥100 cm2)	자체 평가
	태양광 모듈 비접촉 가공 dead zone 최소화		폭	≤150 um	자체 평가
	CTM loss		% @ cm2	≤10%	공인시험성적서
	태양광 모듈 신뢰성 종합 평가		KS C iec61646에 포함된 신뢰성 평가	Pass	공인시험성적서
	다색 태양전지		수량, 색간격, 효율 등	자율제시	자체평가
	rolling test		반경, 열화율 등	자율제시	자체평가

* 핵심지표는 필수 달성, 자율지표는 총괄책임자가 자율적으로 선택 또는 추가·변경하여 제시가능 (단, 자체평가의 경우 평가기준 제시 필수)

4. 특기사항

ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안

ㅇ 동 과제에서 발생한 논문/특허 성과물의 기여도 50% 이상(단, BK21 플러스 등 인력양성사업은 고려 제외)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 개발기술의 자율 성능목표 항목과 수치는 연구 제안자가 자유롭게 제시하되, 객관적인 자료로 제시한 성능목표의 타당성을 입증할 것

ㅇ 지원예산은 당해 연도 예산상황에 따라 변동될 수 있음

ㅇ 사업 기획시 제시한 질적성과지표를 참고하여 목표 제시가 필요함

- SCI 논문의 표준화된 순위 보정력 지수(mrnIF) 84점 달성

- 총 사업기간 내 예산 대비 특허 출원 수 1건/10억원 달성

5. 연구기간 및 연구비

ㅇ 연구기간 : '22 ~ '24년(3년, 총 32개월)

ㅇ 정부출연금 규모 : 총 57.78억원 ('22년 17.78억원/8개월, '23년 20억원, '24년 20억원)

RFP번호	2022-에너지환경-04	공모유형		지정공모형
사업명	원천기술개발사업-단계도약형 탄소중립기술개발
RFP명	목질계 바이오매스의 리그닌을 활용한 고부가 화합물 및 바이오연료 생산 기술 개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

◯ 목질계 바이오매스를 활용한 탈석유화 및 탄소중립기술 개발의 중요성

- 석유 기반 연료 및 화학제품은 제조 및 이용 과정에서 탄소를 배출하는 대표적인 기후변화 요인이나 신재생에너지 기반 기술로는 극히 일부만을 대체 가능하여 바이오매스와 같은 재생가능 탄소자원의 활용이 필수적임.

- 목질계 바이오매스는 지구상에서 가장 광범위한 지역에 존재하며 식량자원과의 상충이 없는 소위 2세대 바이오매스이므로 이를 이용한 화학제품 및 연료의 개발은 탈석유를 위한 가장 효과적인 방안이 됨.

◯ 목질계 바이오매스의 전환율 극대화를 위한 단계도약기술 개발의 시급성

- 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스에 비해 목질계 바이오매스의 또 다른 주요 구성성분인 리그닌은 다양한 구조를 가지는 동시에 선택적 분해가 어려워 이를 분리하여 연료나 화합물을 생산하는 기술은 아직 매우 제한적임.

- 목질계 바이오매스의 30% 정도를 차지하는 리그닌의 저조한 활용으로 인하여 전체 재생가능 탄소 중 일부만 활용되고 있어 이에 대한 해결 없이는 목질계 바이오매스 활용 기술의 경제성 실현이 불가능함.

- 리그닌을 이용한 연료 및 화학원료 생산기술은 단순 화학전환 기술로는 불가능하고 생물학적 전환도 기술적 한계가 존재함.

◯ 재생가능 탄소 활용률을 극대화한 목질계 바이오매스 기반 고부가 화합물 및 바이오연료 생산 기술 개발 필요

- 목질계 바이오매스에 포함된 재생가능 탄소를 최대로 활용하기 위해서는 다당류 외에도 리그닌의 선택적 분해를 위한 돌파기술의 개발을 통해 리그닌을 활용할 수 있는 단계도약이 필요함.

- 기존 리그닌 분획(fractionation) 방법은 펄프 및 당의 생산 극대화에 맞추어져 원래 반응성을 대부분 상실하는 구조 파괴가 불가피하여 선택적 분해 및 활용 효율을 높이는 효과적인 분획 방법의 개발이 선결과제임.

- 높은 반응성의 리그닌 분리를 극대화한 후 전환공정을 통해 고부가 화합물 및 바이오연료를 만들면 기존의 당 중심의 연구결과와 함께 활용하여 목질계 바이오매스의 전성분 활용이 가능할 것으로 기대됨.

□ 기획 주안점

◯ 지금까지 목질계 바이오매스의 당 중심 연구의 한계를 극복하여 원료에 포함된 재생가능 탄소를 최대한 활용할 수 있는 고부가 화합물 및 바이오연료 생산 기술개발을 목표로 함. 따라서 목질계 바이오매스의 전성분 활용 극대화를 위해서는 리그닌의 반응성이 최대한 유지되면서도 당류 분획의 활용성 또한 훼손되지 않는 분획 기술개발 및 고반응성 리그닌의 전환을 통한 고부가 화합물 및 바이오연료 생산 기술개발이 요구되므로 이의 평가를 위한 개발 목표 제시가 필요함

◯ 목질계 바이오매스로부터 고부가 화합물 및 바이오연료의 생산 기술 제안이 필요함

- (고부가 화합물) 목질계 바이오매스에서 분획된 리그닌 성분의 전환을 통한 고부가 화합물 합성 기술 개발

- (바이오연료) 목질계 바이오매스에서 분획된 리그닌 성분의 전환을 통한 수송용 또는 산업용 바이오연료 생산 기술 개발

◯ 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 돌파기술 제시 필요

- 리그닌 활용도 극대화를 위한 생물학적, 화학적, 전기화학적, 그 외 융합 기술 등

- 분획된 리그닌을 이용하여 고부가 화합물과 바이오연료를 생산하여 재생 가능 탄소 활용률을 극대화할 수 있는 돌파기술 제시 필요

- 기존 석유화학 기술을 활용함으로써 단시간 내 효과적으로 공정 개발이 가능한 고부가 화합물 생산 기술

- 활용 분야에 적합한 연료의 요구 물성을 충족시키는 바이오연료 생산 기술

1. 연구목표

ㅇ 최종목표 : 주요 신재생 자원인 목질계 바이오매스를 기반으로 재생가능 탄소 활용을 극대화하기 위한 리그닌으로부터 고부가 화합물 합성 및 바이오연료 생산 원천기술 개발

- (고반응성 리그닌 분획) 모델 리그닌이 아닌 실제 목질계 바이오매스로부터 다당류 및 반응성 높은 리그닌 분획이 가능한 용매 및 공정개발

- (고부가 화합물) 선정된 목질계 바이오매스로부터 분획된 리그닌을 이용하여 고부가 화합물 합성 기술 개발

- (바이오연료) 선정된 목질계 바이오매스로부터 분획된 리그닌을 이용하여 바이오연료 생산 기술 개발

- (탄소중립) 목질계 바이오매스부터 고부가 화합물, 바이오연료 생산까지의 공정개발 및 공정 에너지 최적화

2. 연구내용 및 범위

ㅇ 연차별 연구내용 및 범위

[ 1차년도 ('22, 8개월) ]

(고반응성 리그닌 분획)

1) 국내외 목질계 바이오매스 선정 및 성분 및 구조분석을 통한 규격 결정

2) 선정 목질계 바이오매스 공급 기반 마련

3) 리그닌 축중합을 최소화할 수 있는 목질계 바이오매스 분획시스템 구축

4) 리그닌 반응성 유지 및 후속 생물/화학 해중합 공정 영향 고려 최적 용매 개발

(고부가 화합물)

1) 모델 리그닌의 해중합 공정 시스템 구축

2) 모델 리그닌의 해중합 촉매/생촉매 후보 물질 발굴

3) 모델 리그닌의 해중합 후 단량체의 분리정제 및 타 화합물로의 전환 실증

(바이오연료)

1) 바이오연료 생산 촉매/생촉매 후보 물질 발굴

2) 모델 리그닌 이용 바이오연료 생산시스템 구축

[ 2차년도 ('23, 12개월) ]

(고반응성 리그닌 분획)

1) 리그닌 축중합 최소화할 수 있는 선정 목질계 바이오매스 분획공정 최적화

2) 선정 목질계 바이오매스 분획 운전을 통한 목질계 바이오매스 성분 분획 및 리그닌 반응성 분석

3) 리그닌 반응성 유지 및 후속 생물/화학 해중합 공정 영향 고려 최적 용매 개발

(고부가 화합물)

1) 선정 목질계 바이오매스로부터 얻어진 분획 리그닌의 해중합 공정 시스템 구축

2) 분획 리그닌의 해중합 촉매/생촉매 후보 물질 발굴

3) 분획 리그닌의 해중합 후 단량체의 분리정제 및 타 화합물로의 전환 실증

(바이오연료)

1) 바이오연료 생산 촉매/생촉매 성능 개선

2) 분획 리그닌 이용 목질계 바이오매스 유래 바이오연료 생산공정 최적화 및 개발 촉매/생촉매 적용

3) 최종 바이오연료 생산을 위한 추가 전환(필요시)/정제 방안 제시

[ 3차년도 ('24, 12개월) ]

(고반응성 리그닌 분획)

1) 개발 용매 적용 및 최적화 공정 운전

2) 리그닌 반응성 유지 및 후속 생물/화학 해중합 공정 영향 고려 최적 용매 개발

3) 분획시스템 운전조건 적용 적합성 검토

(고부가 화합물)

1) 분획 리그닌의 해중합 공정 운전 및 최적화

2) 분획 리그닌 해중합 최적 촉매/생촉매 개발

3) 분획 리그닌 해중합 후 단량체의 전환 또는 정제 시스템 운전 및 최적화

(바이오연료)

1) 분획 리그닌 이용 바이오연료 생산 공정 안정화 및 해중합 전환 부산물의 연료화 가능성 검토

2) 연속식 전환 및 정제 시스템 구축, 통합 시스템 최적화

(탄소중립)

1) 목질계 바이오매스로부터 최종산물까지 전체 공정의 온실가스 배출량 추정 및 탄소중립 방안 수립

3. 성과목표

ㅇ 1차년도 목표

(고반응성 리그닌 분획)

- 국내외 목질계 바이오매스 선정 및 분석을 통한 규격 결정

- 분획 신용매 개발 1건

(고부가 화합물)

- 모델 리그닌의 해중합을 통한 단량체 생산

(바이오연료)

- 모델 리그닌으로부터 바이오연료 생산

(정량 성과)

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 2차년도 목표

(고반응성 리그닌 분획)

- 선정 바이오매스의 분획 성분 후속 연구 제공

- 분획 신용매 개발 1건

(고부가 화합물)

- 선정 바이오매스 분획 리그닌으로부터 해중합 단량체 생산

(바이오연료)

- 선정 바이오매스 분획 리그닌으로부터 바이오연료 생산

(정량 성과)

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 원천특허 출원 및 등록 건수 자율 제시 (SMART 지수 A 이상 포함)

ㅇ 3차년도 목표

(고반응성 리그닌 분획)

- 리그닌 반응성을 최대한 유지하면서 리그닌을 분획하는 기술개발 (리그닌 반응성(선정된 목질계 바이오매스 함유 천연 리그닌 기준으로 분획 리그닌 내 aryl ether 결합비율 70%), 분획 리그닌 수율 60%, 선정된 목질계 바이오매스에 포함된 재생가능 탄소 회수율 75% 이상 모두 만족)

- 선정 바이오매스의 최적화된 분획 성분 후속 연구 제공 (차기 단계의 연구에 활용)

(고부가 화합물)

- 선정 목질계 바이오매스의 분획성분으로부터 리그닌 해중합 산물을 이용하여, 목표 고부가 화합물 생산 기술 효율 향상 (분획 리그닌 기준 재생가능 탄소 전환율 60%이상)

(바이오연료)

- 분획 리그닌 이용 목질계 바이오매스 유래 바이오연료 (분획 리그닌 기준 재생가능 탄소 전환율 80% 이상)

- 바이오연료 물성 측정 공인시험 및 적용 평가(밀도, 윤활성, 방향족 화합물 함량, 황분, 수분, 산화안정도 등 10개 항목 이상 공인시험 결과 제시)

(정량 성과)

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 원천특허 출원 및 등록 건수 자율 제시 (SMART 지수 A 이상 포함)

ㅇ 정량적 최종 목표달성 항목

항목(모듈)			기존성과	최종목표	비고
핵심*	바이오매스 분획	재생가능 탄소 회수율		> 75%	자체평가/물질수지
		목질계 바이오매스의 분획 후 리그닌 내 aryl ether(β-O-4)) 결합비율		> 70%	자체평가/NMR 결과/ 천연 리그닌 기준
		목질계 바이오매스의 분획 후 리그닌 수율		> 60%	자체평가/ 천연 리그닌 기준 물질수지
	고부가 화합물	재생가능 탄소 전환율	-	> 60%	자체평가/ 분획 리그닌 기준 물질수지
		정제 고부가 화합물	-	2종 이상	자체평가/순도 99% 이상
	바이오 연료	재생가능 탄소 전환율	-	> 80%	자체평가/ 분획 리그닌 기준 물질수지
		바이오연료 품질 검증	-	> 10개 항목	바이오연료 공인시험성적서
	바이오매스 to 고부가 화합물 및 바이오연료	온실가스 저감 효과	-	온실가스 예상 감축량 제시	바이오매스로부터 고부가 화합물, 바이오연료 생산, 소비 전단계
자율	고부가 화합물 생산 수율 등

* 핵심지표는 필수 달성, 자율지표는 총괄책임자가 자율적으로 선택 또는 추가·변경하여 제시가능
(단, 자체평가의 경우 평가기준 제시 필수)

4. 특기사항

ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안

ㅇ 동 과제에서 발생한 논문/특허 성과물의 기여도 50% 이상(단, BK21 플러스 등 인력양성사업은 고려 제외)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 개발기술의 자율 성능목표 항목과 수치는 연구 제안자가 자유롭게 제시하되, 객관적인 자료로 제시한 성능목표의 타당성을 입증할 것

ㅇ 지원예산은 당해 연도 예산상황에 따라 변동될 수 있음

ㅇ 사업 기획시 제시한 질적성과지표를 참고하여 목표 제시가 필요함

- SCI(E) 논문의 표준화된 순위 보정력 지수(mrnIF) 84점 달성

- 총 사업기간 내 예산 대비 특허 출원 수 1건/10억원 달성

5. 연구기간 및 연구비

ㅇ 연구기간 : '22 ~ '24년(3년, 총 32개월)

ㅇ 정부출연금 규모 : 총 44.23억원 ('22년 14.23억원(8개월), '23년 15억원, '24년 15억원)

RFP번호	2022-에너지환경-05	공모유형		지정공모형
사업명	단계도약형 탄소중립기술개발사업
RFP명	수송용 연료전지 MEA 핵심 요소기술 고도화
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반/보안

□ 추진배경

◯ 우리 정부는 수소경제활성화 로드맵('19)을 통해, 수소경제로 이행하기 위한 장기 계획을 수립·제시

※ '22년 8.1만대, '40년 620만 대 이상의 수송용 수소 모빌리티 보급목표 수립 (('22) 승용차 7.9만대, 버스 2천대 / ('40) 승용차 590만대, 택시 12만대, 버스 6만대, 트럭 12만대)

◯ 특히 트럭, 버스와 같이 긴 주행거리가 요구되는 분야는 운행거리를 쉽게 늘릴 수 있는 연료전지를 이용하는 수소모빌리티가 적합한 분야로, 글로벌 중대형 수소모빌리티 시장은 유럽/중국 중심으로 산업수요 형성이 예상

※ '25년 글로벌 수요 20,281대, '30년 253,922대로 급속한 성장이 예상

◯ 주요 경쟁국은 수소모빌리티의 영역을 일반 상용차, 철도차량, 선박 등으로 확대해 가고 있는 반면, 우리나라는 여전히 승용차용 기술 중심으로 연구가 진행되어 중대형 수소모빌리티용 연료전지 기술의 개발이 시급한 실정

◯ 대형 트럭과 같은 중대형 수소모빌리티는 승용차에 비해 높은 수명이 요구되므로, 중대형 수소모빌리티의 경우 고내구 소재 및 부품의 개발을 통한 수명 향상이 중요한 기술적 목표이며, 기존 승용차용 연료전지와는 차별화됨

◯ 美 DOE에서는 class-8 트럭(15톤 급)용 연료전지 스택 시스템의 `30년 기술목표로 수명 25,000 시간, 가격 $80/kW 등을 발표(`19년)하고, 이를 달성하기 위한 가이드라인으로 MEA 백금 로딩 0.3 mg/cm2, 스택 전압 0.769 V 등을 제안

- 기존 승용차용 연료전지 기술 목표에 비해 백금을 2배 이상 많이 사용하면서 수명이 5배 향상된 수준으로, 대형 트럭과 같은 상용차의 경우 기존 승용차와 달리 백금 저감 등을 통한 저가격화에 비해 고내구화가 우선순위에 있음

◯ 수소 모빌리티를 확대를 통한 수소경제 사회로의 조기 진입 및 국내 산업의 밸류체인 구축을 위해서는 수송용 연료전지 스택의 핵심 기술인 막전극접합체(MEA) 국산화가 필수적임. 국내 업체의 시스템 제조 및 운영 기술은 세계 수위 수준이나 MEA 부품 소재(촉매, 전해질막, 이오노머)는 해외 수입에 의존하고 있어 스택 요소 부품의 기술수준이 경쟁국 대비 미흡한 상황

<수소차 핵심소재·부품 기술개발 현황 / 수소 기술개발 로드맵(’19)>

구분	세부 내용
막전극접합체 (MEA)	MEA 생산기술 국산화(`15년) 핵심소재인 촉매·전해질·이오노머는 수입(소수 기업) 의존
기체확산층	최근 국산화 완료
고압용기	`15년 국산화 성공, 핵심소재인 탄소섬유 수입 의존(일본)

◯ 수소경제 사회의 핵심 기술 중 하나인 연료전지의 단계도약형 기술성능 향상을 위해서는 차세대 신소재를 적용한 고내구 촉매 및 전해질막, MEA의 개발이 필요하며, 수송용 연료전지 핵심 부품 소재의 고내구화 기술개발을 통해 국내 연료전지 산업의 밸류체인 구축 및 국산화를 통한 수입대체 효과가 기대

□ 기획 주안점

◯ 연료전지의 핵심 부품인 MEA 원천기술의 고도화를 통한 소재 및 부품 개발을 목표로 하므로 MEA 수준의 성능 및 내구성 목표값 제시 필요

◯ MEA 핵심 부품 소재인 촉매 및 전해질막 원천소재의 개발뿐만 아니라, MEA 구조 및 혁신제조기술의 개발이 필요

- (촉매) 고내구성 저가 촉매 원천기술 개발 및 MEA 적용성 검증

- (전해질막) 저가 전해질막 소재 및 고내구성 강화복합막 개발

- (MEA) 고내구 저가 소재 기반 MEA 구조 최적화 및 혁신제조기술 개발

1. 연구목표

ㅇ 최종목표 : MEA 저가화 및 장수명화를 위한 차세대 핵심소재 및 분석기술 개발

2. 연구내용 및 범위

ㅇ 1차년도 ('22, 8개월)

- (촉매) 고내구 촉매 소재 개발

1) 고내구 촉매 후보군 5종 이상 개발

- (전해질막) 저가습조건 성능이 우수한 저가소재 고분자 전해질 개발

1) 전해질막 내구성 향상을 위한 첨가제 개발

2) 고이온전도성 저가 고분자전해질막 소재 개발

- (MEA) 고내구 상용 소재 기반 MEA 고출력화

1) 다양한 소재 기반 고출력 MEA 구조 설계 및 혁신제조기술 개발

2) MEA 계면 분석 기술 및 in-situ 분석 기반 기술 개발

ㅇ 2차년도 ('23, 12개월)

- (촉매) 촉매 내구성 및 성능 향상기술 개발

1) 저백금 촉매의 입자 안정화 기술 개발

2) 비백금 촉매 부피당 활성 향상을 위한 원천 기술 개발

- (전해질막) 전해질막 고내구화 및 저가화 기술 개발

1) 치수(폭 및 길이방향 비율)안정성이 향상된 강화복합막 제조 기술 개발

2) 전해질막 저가화를 위한 원천기술 개발

- (MEA) 고내구 개발 소재 기반 MEA 고출력화

1) 개발소재 기반 MEA 구조 설계 및 MEA 혁신제조기술 개발

2) 촉매층의 2차원 구조 분석 기술 및 in-situ 분석 응용 기술

ㅇ 3차년도 ('24, 12개월)

- (촉매) 고내구 저가 촉매 및 대량제조법 개발

1) 개발소재 및 입자 안정화 기술 적용된 저백금 촉매 개발

2) 비백금 촉매 내구성 향상을 위한 원천기술 개발

3) 촉매 대량합성기술 개발

- (전해질막) 고성능 고내구 강화복합막 개발

1) 강화복합막 제조기술 개발 및 공정 최적화

2) 전해질막 저가화 및 성능향상을 위한 원천기술 개발

- (MEA) 고내구 개발 소재 기반 MEA의 고출력 및 고내구화

1) 고내구 개발 소재 기반 MEA의 구조 최적화

2) 촉매층의 3차원 구조 분석 기술 및 in-situ 분석 고도화

3. 성과목표

ㅇ 1차년도 ('22, 8개월)

- 고내구 저가 촉매 및 전해질막 소재 기술 고도화를 위한 후보 확보

- 고내구 MEA 설계 및 분석 기반기술 확보

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 소재부품(촉매, 전해질, 전해질 첨가제, 이오노머 등) 관련 IP-R&D 포트폴리오 결과 필수 제시 : 원천특허 및 SMART등급 A 이상 확보 가능성 확인

ㅇ 2차년도 ('23, 12개월)

- 후보 촉매의 고성능 고내구화 및 전해질막 고내구화 기술 개발을 통한 개발소재 적용 MEA 개발 소재 확보

- 개발소재 적용 MEA 설계 및 제조법 확보

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 3차년도 ('24, 12개월)

- 고내구 저가 촉매 대량합성 기술

- 고성능 고내구 강화복합막 제조기술

- 고성능 고내구 MEA 개발 및 성능/내구성 검증

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시(SMART A등급 포함)

- 기술사업화 목표 자율 제시

ㅇ 정량적 최종 목표달성 항목

항목(모듈)		기존성과	최종목표	비고
핵심*	MEA 성능 (A/cm2)	0.2(KIER) 0.3(현대차)	≥ 0.25 @ 0.8 V	MEA 성능 측정/ 공인기관인증서 ※ 백금 사용량 0.3mg/cm2 이하
	촉매 활성 (A/mgPt)	0.3(KIER) 0.5(현대차)	≥ 0.4 @ 0.9V (DOE)	-/ 공인기관인증서
	촉매 내구성 (mV)	24(현대차)	≥ 30 @ 0.8 A/cm2	전압강하 (DOE 촉매 가속열화법)/ 공인기관인증서
	막 저항	0.04 (15 μm, 80 oC, RH=50% 기준)	≤ 0.02	스루플레인 전도도/ 공인기관인증서 ※ 막 이온전도도 및 두께 제시
	전해질 막 화학적 내구성(hr)	700	≥ 700	고온치수 안정성 (MD/TD)/ 공인기관인증서 (Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan, Page 3.4-50의 Table P.5 활용)
			≥ 1,500	DOE 가속열화 (OCV 내구) @ 90 C, 30%RH, 50kPa
	강화막대칭성 (%)	NA	≤ 10	기재를 중심으로 양쪽 이오노머 층의 두께편차/ 공인기관인증서
	전해질막 치수안정성 (%)	5	≤ 10	Ex-situ swelling @ 90 C, MD, TD / 공인기관인증서
자율	저백금 촉매 생산량 (g/batch)	≥ 10	자율 제시	-
	전해질막 면적 (cm2)	≥ 100	자율 제시	-
	MEA 내구성 (hr or cycle or %)	-	자율 제시	DOE 가속열화법 적용
	MEA 면적 (cm2)	≥ 100	자율 제시	-

* 핵심지표는 필수 달성, 자율지표는 총괄책임자가 자율적으로 선택 또는 추가·변경하여 제시가능

※ 각 지표별 평가조건 및 방법은 연구자가 명확히 제시할 것

4. 특기사항

ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안

ㅇ 동 과제에서 발생한 논문/특허 성과물의 기여도 50% 이상(단, BK21 플러스 등 인력양성사업은 고려 제외)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 개발기술의 자율 성능목표 항목과 수치는 연구 제안자가 자유롭게 제시하되, 객관적인 자료로 제시한 성능목표의 타당성을 입증할 것

ㅇ 지원예산은 당해 연도 예산상황에 따라 변동될 수 있음

ㅇ 사업 기획시 제시한 질적성과지표를 참고하여 목표 제시가 필요함

- SCI(E) 논문의 표준화된 순위 보정력 지수(mrnIF) 84점 달성

- 총 사업기간 내 예산 대비 특허 출원 수 1건/10억원 달성

5. 연구기간 및 연구비

ㅇ 연구기간 : '22 ~ '24년(3년, 총 32개월)

ㅇ 정부출연금 규모 : 총 59.56억원 ('22년 19.56억원/8개월, '23년 20억원, '24년 20억원)

RFP번호	2022-에너지환경-06	공모유형		지정공모형
사업명	원천기술개발사업-단계도약형 탄소중립기술개발
RFP명	건물용 연료전지 핵심 원천 기술 개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

◯ 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)와 고온 고분자전해질 연료전지(HT-PEMFC: High Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cell)는 일반 저온 구동 연료전지에 비해 높은 온도에서 작동되어 우수한 효율을 보일 뿐만 아니라 다양한 연료를 이용할 수 있어 건물용 연료전지로써 활용성이 매우 높음

◯ SOFC는 친환경 건물용 에너지 시스템 후보군 중에서 발전효율과 에너지밀도가 가장 높아 기술적인 경쟁 우위를 점하고 있음

- SOFC는 타 연료전지 대비 상대적으로 높은 작동온도를 바탕으로 50% 이상의 높은 발전효율을 보유하여 연료비를 획기적으로 절감 가능

- 다른 연료전지에 비해 10~100배 이상의 높은 에너지밀도를 보여 낮은 설치면적을 요구하기에 차세대 건물용 에너지기술로 최적

◯ SOFC는 배기가스 온도가 약 300~400℃로 상용화된 냉/난방 기술과의 열적 통합을 위한 배열 조건을 모두 충족하여 전력 공급뿐만 아니라 건물에 필요한 냉난방 열에너지까지도 공급할 수 있어 종합효율이 90%를 상회

◯ SOFC는 이론적으로 수소는 물론 메탄, 프로판, 부탄, 메탄올, 에탄올 등을 포함하는 다양한 종류의 탄화수소 연료뿐만 아니라 바이오연료 등 미래 대체 연료까지도 사용할 수 있어 연료선택의 자유도 측면에서 아주 우수

- 탄화수소 연료의 직접 내부개질(direct internal reforming)이 가능하여 수소연료 확보를 위한 외부개질(external reforming)이 불필요함

◯ 전체 시스템의 제조·설치비용 및 공간 확보 측면에서 우수하기에 다가오는 수소 경제 사회는 물론 현재의 화석연료 기반시설(수송, 저장, 판매) 하에서도 효율적인 건물용 에너지기술로 평가됨

◯ 그러나 높은 작동온도(> 800~1,000℃)로 인해 실제 상용화에 많은 제약사항이 발생

- 높은 작동온도는 시스템 구성요소들의 물질 열화를 가속화하여 장기운전 시 신뢰성을 저하하고 열 사이클에 취약하여 및 소재/제조/유지비용 증가로 시장경쟁력 약화를 초래

◯ SOFC의 성능과 내구성을 담보하여 건물용 에너지 시장 진입을 촉진하기 위해서는 SOFC 고유의 고효율 특성을 유지하면서 중저온(< 650℃) 작동 등 내구성 확보를 위한 기술 개발이 필요

- 중저온 SOFC를 건물용 발전에 활용 시, 연료자유도와 비백금 촉매 사용의 특성을 유지하면서 고온 작동에 따른 빠른 물질 열화도 상당 부분 개선 가능하며 열사이클 성능 개선에도 유리

- 500~600℃의 작동온도는 가정용/건물용 보일러의 가동온도와 비슷해 보급된 보일러의 인프라를 그대로 대체하므로, SOFC의 건물용 에너지 시장 경쟁력 강화 전망

◯ 중저온 작동을 위해 수행된 전극/단전지를 개선 연구 결과와 기존의 스택 기술의 결합 등 다양한 접근을 통한 고효율·고신뢰성 건물용 SOFC 기술 개발이 필요

◯ HT-PEMFC는 인산이 도핑된 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole; PBI)과 같은 전해질막을 이용해 140~170℃의 온도에서 작동함. HT-PEMFC는 CO에 대한 내성이 강하며, PBI계 전해질막의 이온전도 메커니즘이 물에 의존적이지 않음에 따라 저온 PEMFC 시스템에 비하여 단순한 시스템 구성이 가능함. 고온의 시스템 내부에서 모든 물은 증기 상태로 존재하므로 저온 PEMFC 시스템보다 단순화된 물 및 반응 가스 분배 관리가 가능함. 이는 연료전지의 가격 경쟁력과 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대

◯ 하지만, 인산 도핑된 HT-PEMFC 상용화의 가장 큰 걸림돌은 셀 조립 단계 또는 셀 구동 과정에서 나타나는 인산누출 문제로, 누출시 환경문제 및 고온구동 시 증기화된 인산으로 인한 작업자의 건강문제(호흡기 및 피부 자극)를 일으킬 수 있고, 장기 운전시 셀 성능 저하 문제를 야기할 수 있어, 시스템 개발보다는 인산 누출이 되지 않는 단전지 또는 막전극접합체(membrane electrode assembly: MEA) 연구가 필요함.

◯ HT-PEMFC의 특성상, 제한된 종류의 바인더 소재가 이용되고 있음. 기존 바인더의 경우, 전극 내 균일한 분산이 이루어지지 않아 과도한 양의 귀금속 촉매를 전극에 로딩해야 하는 문제점이 있음.

- 바인더/촉매/인산을 균일하게 분산시키는 기술을 개발해 귀금속 촉매의 사용량을 줄이고 HT-PEMFC의 성능을 향상시키는 연구가 필요

- 대용량 주택/건물/발전용 연료전지로 이용하기 위해 대면적 전극을 제조하는 기술이 필요하므로, 대면적 전극을 제조하기 위한 전극 슬러리 제조 조건을 확립하고, 대량 생산을 위한 전극 코팅 기술을 설계 필요

◯ HT-PEMFC는 인산이 전극 전체에 분포해 귀금속 촉매에 피독되어 activation 저항이 크게 발생

- 다른 전이 합금 촉매나 N, P, S 등과 같은 물질 도핑 연구를 통해 피독 현상 완화를 시도하였으나 아직까지 완전한 상태에는 도달하지 못하였으므로, 새로운 촉매 물질과 더불어 운전 조건의 변화를 통해 인산 피독 현상 개선이 필요

□ 기획 주안점

◯ 중저온 작동 등 SOFC의 고효율·고신뢰성화를 위한 스택 핵심 원천 기술 개발이 필요

- (소재) 셀·집전체·분리판·밀봉재 소재 정합성 (compatibility) 확보 및 기체 유동·전기화학반응 최적화 설계 기술 개발

- (구조) 연료이용율, 열 사이클 안정성 등 스택 고효율·고신뢰성화에 필수적인 핵심 기술 확보를 위한 분리판·밀봉재 구조 설계 기술 개발

- (운전) 고효율·고신뢰성화 구현을 위한 스택 정격운전·ramp-up/-down·승온/냉각 운전 조건 최적화 기술 개발

◯ HT-PEMFC 전극 내의 바인더/촉매/인산을 균일하게 분산하기 위해 다양한 조합과 비율 조건 및 용매의 변화를 통해 Pt의 이용량을 줄이면서도 우수한 성능을 내는 MEA 제조 필요

- 계산과학을 이용해 전극 내의 바인더/촉매/인산이 이상적으로 분포하는 비율을 확인하고, 이를 바탕으로 실제의 전극에서 구현할 수 있도록 전극 구성 요소의 미세구조를 제어

◯ HT-PEMFC 촉매의 인산 피독 현상을 개선하기 위한 촉매 원천 소재를 개발

- (소재) 귀금속 합금 촉매를 이용해 귀금속 촉매의 양을 줄이고, 귀금속의 인산 피독을 완화

- (운전) H-T PEMFC의 운전 온도의 변화를 통해 인산 피독을 완화

◯ 180~200℃의 온도에서 운전할 수 있도록 인산 無누출형 HT-PEMFC MEA 개발 또는 단전지 구조설계를 하고, 촉매의 활성을 높임과 동시에 인산 피독의 현상을 억제하는 연구 필요

1. 연구목표

ㅇ 최종목표

- [SOFC] 중저온(> 650℃) 작동 등 기 개발 기술 기반으로 상용화에 요구되는 성능과 내구성을 동시에 확보할 수 있는 건물용 SOFC 핵심원천기술 개발

- [HT-PEMFC] 대면적 HT-PEMFC 전극 미세구조 제어를 통한 백금 저감 및 성능 향상을 위한 원천 기술 개발

2. 연구내용 및 범위

ㅇ 1차년도 ('22년, 8개월)

- [SOFC]

‣ (소재) 작동온도 저감 등 신뢰성 개선을 위한 소재/촉매 기술 개발

1) 고성능·고신뢰성 셀 개발

2) 탄화수소 연료 내부개질용 촉매 소재 적용기술 및 탄소 침적 억제기술 개발

3) 집전체·분리판·밀봉재 소재 선정 및 표면코팅 등 적용기술 개발

- [HT-PEMFC]

‣ (소재) 180~200℃의 온도에서 인산 유출이 일어나지 않는 전해질 제조 공정 개발

‣ (소재) 180~200℃의 온도에서 인산 피독이 되지 않는 탄소 담지 촉매 개발

ㅇ 2차년도 ('23년, 12개월)

- [SOFC]

‣ (소재/구조) 분리판·밀봉재 구조 설계 기술 개발

1) 셀·집전체·분리판·밀봉재 소재 정합성 (compatibility) 확보

2) 열유동·물질유동·전기화학반응 최적화 설계기술 개발

3) 단전지 규모에서의 성능열화 수준 및 메커니즘 확인

- [HT-PEMFC]

‣ (공정) 바인더/촉매/인산을 균일하게 분산하기 위한 촉매 슬러리 제조와 전극 코팅 방법 및 대면적 전극 생산

‣ (공정) 인산 無누출형 MEA 제조 또는 단전지 구조설계

ㅇ 3차년도 ('24년, 12개월)

- [SOFC]

‣ (운전) 스택 장기성능 평가

1) 효율 및 신뢰성 확인을 위한 숏스택 정격조건 장기운전 평가

(출력밀도 0.4W/㎠, 연료이용률 >70%, 발전효율 >50%, 연속운전 >1kh)

2) 고효율·고신뢰성화 구현을 위한 스택 운전 최적 프로토콜 수립

(정격운전, ramp-up/-down, 승온/냉각 조건 포함)

3) 숏스택 규모에서의 성능열화 메커니즘 규명 및 추가 개선방안 도출

- [HT-PEMFC]

‣ (공정) 180℃에서의 장기 안정성 검증

3. 성과목표

ㅇ 1차년도 ('22년, 8개월)

- [SOFC]고성능/고신뢰성 SOFC 셀·내부개질 촉매·집전체·분리판·밀봉재 소재 선정 및 적용기술 확보

- [HT-PEMFC]고온 안정형 전해질, 전극 제조 공정 기술 확보

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 2차년도 ('23년, 12개월)

- [SOFC]구성요소 소재 정합성 확보 및 구조 최적화 설계기술 개발

- [HT-PEMFC]대면적, 저 귀금속 로딩 HT-PEMFC MEA 제조 기술 확보

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 3차년도 ('24년, 12개월)

- [SOFC]스택 장기성능 평가를 통한 효율·신뢰성 확인 및 추가 개선방안 도출

- [HT-PEMFC]인산 無누출 HT-PEMFC 단전지 제조 기술 확보

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 기술사업화 목표 자율 제시(0.5억/건 이상 자율제시)

ㅇ 정량적 최종 목표달성 항목

항목(모듈)		기존성과	최종목표	비고
핵심*	(SOFC)숏스택 (≥5x5㎠, ≥5cell) 정격 출력밀도 (연료이용률 >70%, 발전효율 >50%) [W/㎠]	-	≥0.4	공인시험성적서 제출
	(SOFC) 숏스택 (≥5x5㎠, ≥5cell) 발전효율 (출력밀도 0.4W/㎠, 연료이용률 >70%) [% HHV]	-	≥50	공인시험성적서 제출
	(SOFC) 숏스택 (≥5x5㎠, ≥5cell) 열화율 (출력밀도 0.4W/㎠, 연료이용률 >70%, 발전효율 >50%, 연속운전 >1kh) [%/kh]	2.0	≤0.5	공인시험성적서 제출
	(HT-PEMFC) 귀금속 촉매 로딩량 (양극/음극) [mg/cm2]	1.2	<0.8	공인시험성적서 제출
	(HT-PEMFC) 단전지 성능 [@200 mA/cm2]	0.72	>0.75	공인시험성적서 제출
	(HT-PEMFC) 단전지 면적 [cm2]	240	>300	공인시험성적서 제출
자율	(SOFC) 단전지 (≥5x5㎠) 최대출력밀도 [W/㎠]	0.5	자율제시	공인시험성적서 제출
	(HT-PEMFC) 단전지 인산누출율 [%]	-	자율제시 (필수)	자체평가(평가방법 및 조건 필수 제시)/ 공인시험성적서 제출
	(HT-PEMFC) 단전지 장기 (>1kh) 열화율 [%/kh] (@스택 정격출력 운전 조건) (단, 인산의 추가 보충이 없어야 함)	-	자율제시 (필수)	공인시험성적서 제출

* 핵심지표는 필수 동시 달성해야하며, 자율지표는 총괄책임자가 자율적으로 선택 또는 추가·변경하여 제시 가능 (단, 자체평가의 경우 평가기준 제시 필수)

※ 중온형SOFC/HT-PEMFC의 각 단전지/숏스택 구성을 위한 핵심요소기술 중 연구자가 개발한 소재(촉매, 양극, 음극, 전해질, 분리막 등) 2개 이상 필수 적용

4. 특기사항

ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안

ㅇ 동 과제에서 발생한 논문/특허 성과물의 기여도 50% 이상

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 개발기술의 자율 성능목표 항목과 수치는 연구 제안자가 자유롭게 제시하되, 객관적인 자료로 제시한 성능목표의 타당성을 입증할 것

ㅇ 지원예산은 당해 연도 예산상황에 따라 변동될 수 있음

ㅇ 사업 기획시 제시한 질적성과지표를 참고하여 목표 제시가 필요함

- SCI(E) 논문의 표준화된 순위 보정력 지수(mrnIF) 84점 달성

- 총 사업기간 내 예산 대비 특허 출원 수 1건/10억원 달성

5. 연구기간 및 연구비

ㅇ 연구기간 : '22 ~ '24년(3년, 총 32개월)

ㅇ 정부출연금 규모 : 총 59.56억원 ('22년 19.56억원/8개월, '23년 20억원, '24년 20억원)

RFP번호	2022-에너지환경-07	공모유형		지정공모형
사업명	원천기술개발사업-단계도약형 탄소중립기술개발
RFP명	고에너지밀도 전고체전지 핵심 원천기술 개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반/보안

□ 추진배경

◯ 리튬이온전지는 기존 이차전지에 비해 높은 에너지밀도, 수명을 바탕으로 스마트폰, 노트북 등 소형 모바일 분야의 전원으로 사용되어 왔으나, 가연성 액체전해질 사용에 따른 발화, 폭발 및 누액 등의 안전성 문제가 있음. 이로 인해 미래 시장 확대가 예상되는 전기자동차(EV), 전력저장시스템(ESS)에 활용할 신규 한계돌파형 기술 개발이 필요함

◯ 미래 이차전지는 기존 기술의 한계인 낮은 안전성, 내구성, 에너지밀도 등과 같은 문제 해결을 위한 기술 개발이 요구되고 있으며, 현재는 다양한 종류의 차세대전지(전고체전지, 리튬황 전지, 리튬공기 전지, 나트륨 전지, 마그네슘-공기 전지 등)의 개발이 진행되고 있음

◯ 다양한 차세대전지 중 전고체전지는 기존 리튬이온전지의 가연성 액체전해질을 불연성 고체전해질로 대체하여 발화, 폭발 및 누액의 위험성을 획기적으로 줄여 안전성을 극도로 향상시킨 이차전지임

- 전고체전지는 모든 구성 요소가 불연성 고체로 되어 있어, 안전성 측면에서 월등히 우수한 특성을 보임. 액체전지의 단점인 내구성과 안전성을 동시에 보완할 수 있으므로 중대형 전지로써 적합할 뿐만 아니라, 전해질 소재를 다양화할 수 있다는 장점이 있음

- 또한, 패키징 내에서 단전지들을 직접 적층하여 바이폴라 고전압 셀을 구현 가능하여 고에너지밀도화에 매우 유리할 것으로 평가됨. 특히 EV, ESS와 같은 중대형 이차전지가 중요한 시점에서 고에너지밀도와 고안전형의 전고체전지에 관한 기술 개발이 더욱 중요함

◯ EV, ESS용 이차전지에 요구되는 핵심 특성은 고에너지밀도 및 고안전성이며, 이에 상응하는 전고체전지 및 고체전해질 소재/셀에 대한 원천 요소 기술 개발 필요성 증대되고 있음. 미래 이차전지 시장의 기술 선도를 위해 고안전성 차세대 전고체 이차전지의 핵심 원천기술 개발이 필요함

□ 기획 주안점

◯ 본 과제는 전고체전지의 핵심 원천기술을 확보하는 동시에, 향후 추진할 중·장주기형 EV 및 ESS용 전고체전지 사업으로 전환하는데 브릿지 역할을 할 소재 및 셀에 대한 핵심 기술 개발을 목표로 함

◯ 기존 전고체전지 관련 연구는 고이온전도성 고체전해질 소재 개발 및 고효율 양·음극 소재 개발에 집중됐으며, 400Wh/L급의 에너지밀도를 보이고 있음. 하지만, EV 및 ESS용으로 적용을 위해서는 요구 특성에 맞는 추가 에너지밀도 확보가 필요하며 전반적인 수명 특성 향상도 필요함

◯ 현재 EV에 탑재되고 있는 액체 전해질 기반의 리튬이온전지는 에너지밀도가 약 600Wh/L 수준으로서, 기존 이차전지 시스템을 성공적으로 대체하기 위해서는 이에 상응하는 성능 확보가 필요함

◯ 고용량 양/음극 소재 및 전해질막 적용을 통해 600Wh/L급 전고체전지 기술 개발을 목표로 하는 동시에, 전고체전지의 전극/셀 제조 기술을 포함한 실용 전고체전지 기술 개발

- (핵심 소재) 고용량 양극 및 음극 활물질 소재, 전해질막 및 복합 전극용 고이온전도성 신규 고체 전해질 소재 개발, 신규 도전재 및 고결착성 바인더 기술 등을 포함

- (전극 공정) 고밀도 복합 전극(양극/음극) 제조 기술, 박막형 고체전해질막 제조 기술, 전극 및 전해질 대면적화 기술, 계면 최적화 기술, 신규 도전재/바인더 활용 제조 및 복합화 기술 등을 포함

- (셀 제조) 600Wh/L급 대면적 셀 설계 및 제조 기술

1. 연구목표

ㅇ 최종목표 : 고에너지밀도 (600Wh/L급) 전고체전지의 핵심 원천기술 개발

- 고용량 양/음극 활물질 소재 및 복합화용 고체 전해질 소재

- 고이온전도성 고체 전해질 소재 및 막 제조 기술
(전해질막 이온전도도 및 두께: ≥ 1mS/cm, ≤ 30μm)

- 신규 도전재/바인더 활용 고밀도 복합 전극 제조 기술

- 전극 고밀도화, 전해질 박막화를 통한 대면적 셀(≥ 30cm2) 설계 및 제조 기술

2. 연구내용 및 범위

ㅇ 1차년도 ('22, 8개월)

- 전해질막 및 복합 전극용 고이온전도성 고체전해질 소재 기술 확보

- 복합 전극용 고용량 양극 및 음극 소재 설계 및 성능향상 기술 개발

- 고용량 양/음극 소재 계면 및 표면 특성 향상 기술 개발

- 신규 도전재/바인더 소재 개발

ㅇ 2차년도 ('23, 12개월)

- 고체 전해질 소재 이온전도 특성 최적화 및 전해질막 박막화

- 고밀도 복합 전극 조성 및 입자 최적화를 통한 수명 증대 기술 개발

- 신규 도전재/바인더 소재의 적용을 통한 복합 전극 제조

- 전극 및 셀, 전해질막 제조 기술 및 대면적 방안 제시

ㅇ 3차년도 ('24, 12개월)

- 양/음극 소재 조성 및 표면 구조 최적화를 통한 성능 극대화

- 고분산성 도전재 및 고결착성 바인더 기술 최적화

- 복합체 내의 활물질 함량 극대화 및 복합 전극 조성 최적화

- 고에너지밀도(600Wh/L급) 전고체전지 제조 및 성능/안전성 평가

3. 성과목표

ㅇ 1차년도 ('22, 8개월)

- 고성능 신규 소재 기술 (균일 전해질막 및 복합 전극용 고체전해질, 양/음극 소재, 도전재/바인더 소재) 발굴

- 발굴 소재를 활용한 전고체전지 양/음극 복합체 및 전해질막 제작

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 핵심 소재 및 전고체전지 기술관련 국내·외 특허 목표 자율 제시

ㅇ 2차년도 ('23, 12개월)

- 핵심 소재 성능 최적화 (복합 양극 및 음극 용량, 고체전해질 이온전도도)

- 복합체의 성능 최적화, 전극 및 균일 전해질막 대면적 기술 확보

- 대면적 600Wh/L급 셀 설계안 제시

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 핵심 소재 및 전고체전지 기술관련 국내·외 특허 목표 자율 제시

ㅇ 3차년도 ('24, 12개월)

- 복합 전극, 전해질막 성능 최적화

- 고에너지밀도(600Wh/L급) 전고체전지 셀 제조 및 성능/안전성 평가

- 고밀도 전고체전지의 대면적화(≥ 30cm2) 기술 적용

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 핵심 소재 및 전고체전지 기술 관련 국내·외 특허 목표 자율 제시

ㅇ 정량적 최종 목표달성 항목

항목(모듈)			기존성과	최종목표	비고
핵심*	핵심 소재	양극 용량	~160mAh/g	≥ 180mAh/g	자체평가/ 공인시험성적서
		음극 용량	~300mAh/g	필수 자율 제시 (mAh/g)	자체평가/ 공인시험성적서
		전해질막 이온전도도(두께)	~1mS/cm (N/A)	≥ 1mS/cm (≤ 30μm)	자체평가/ 공인시험성적서
		바인더 결착력	(N/A)	≥ 15gf/mm	자체평가/ 공인시험성적서
	전고체 전지	에너지밀도	~400Wh/L	≥ 600Wh/L	공인시험성적서
		수명	-	≥ 85%@50cycle	자체평가/ 공인시험성적서
		면적	~12cm2	≥ 30cm2	공인시험성적서
자율	안전성 평가 지표		-	자율 제시	-
	전지 형태		-	자율 제시	-

* 핵심지표는 필수 달성, 자율지표는 총괄책임자가 자율적으로 선택 또는 추가·변경하여 제시가능 (단, 자체평가의 경우 평가기준 제시 필수)

※ 전고체전지 평가조건은 실온을 기준으로 할 것

4. 특기사항

ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안

ㅇ 동 과제에서 발생한 논문/특허 성과물의 기여도 50% 이상(단, BK21 플러스 등 인력양성사업은 고려 제외)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 개발기술의 자율 성능목표 항목과 수치는 연구 제안자가 자유롭게 제시하되, 객관적인 자료로 제시한 성능목표의 타당성을 입증할 것

ㅇ 지원예산은 당해 연도 예산상황에 따라 변동될 수 있음

ㅇ 사업 기획시 제시한 질적성과지표를 참고하여 목표 제시가 필요함

- SCI(E) 논문의 표준화된 순위 보정력 지수(mrnIF) 84점 달성

- 총 사업기간 내 예산 대비 특허 출원 수 1건/10억원 달성

5. 연구기간 및 연구비

ㅇ 연구기간 : '22 ~ '24년(3년, 총 32개월)

ㅇ 정부출연금 규모 : 총 59.56억원 ('22년 19.56억원/8개월, '23년 20억원, '24년 20억원)

RFP번호	2022-에너지환경-08	공모유형		지정공모형
사업명	원천기술개발사업-단계도약형 탄소중립기술개발
RFP명	리튬금속 기반 차세대 고에너지밀도 금속-공기 전지 고도화 요소기술 개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

◯ 내연기관과 동등 수준의 주행 성능을 구현하기 위해서는 1회 충전 시 최소 600~700km 주행할 수 있는 초고에너지밀도 전지 개발이 필요함. 리튬금속-공기전지의 이론 에너지밀도는 3,458Wh/kg으로 리튬이온전지에 비해 월등히 높음. 기존 리튬이온전지와 달리 리튬금속을 음극으로 사용하고, 양극은 탄소 구조체와 촉매의 혼합으로 이루어져 있으며 산소를 양극 활물질로 이용하기 때문에 경량화가 가능

◯ 리튬금속-공기전지의 음극인 리튬금속의 경우, 전해액 내 잔존하는 수분 및 대기 환경 하에 지속적으로 노출 시 화학적 부반응이 일어나 전지의 효율 및 수명, 안전성 저하가 발생

- 전기화학적인 리튬 균일 전착/용출 유도 외에도 대기 및 수분 환경 하에서 화학적 부반응을 억제할 수 있는 보호막 기술 개발이 시급

◯ 리튬금속-공기전지의 초고에너지밀도 특성을 구현하기 위해서는 기존 리튬이온전지의 단위면적당 용량을 초과하는 초고용량 전극 설계가 필요

- 고입출력 전류밀도 운전 시 리튬음극 표면에서 리튬수지상(dendrite)이 불균일하게 성장하고, 급격한 부피변화가 발생하여 전지 안전성 및 수명 저하 발생

- 고입출력 환경 하에서 유효전류밀도를 감소시키기 위해 3차원 리튬 구조체 음극에 대한 연구개발이 진행되어 왔으나 보호기술이 적용되지 못하여 장수명 특성을 기대하기 어려움

- 리튬금속-공기전지의 높은 전류밀도 인가 시에도 우수한 가역성을 갖는 3차원 리튬 구조체 기술 개발이 필요

◯ 기존 리튬이온전지용 액체 전해질은 내부 및 외부 요인에 의한 전지 단락, 과열, 과충전 등의 원인에 의해 전지의 온도 상승 시 인화성 가스를 발생시키고, 발열·분해로 인하여 전지의 내부 압력과 온도를 급격히 상승시켜 전지의 열폭주를 일으킴. 보다 안전한 전지를 구현하기 위한 비발화 특성을 가지는 고내열성 전해질의 후보로 무기 또는 유기 고체전해질, 겔 고분자 전해질, 이온성 액체 기반 전해질 등이 연구되고 있음. 이와 더불어 리튬금속-공기전지의 경우, 외부 대기에 노출되어 있는 셀 구조 상, 휘발에 의한 전해질 손실이 발생하고, 산소 라디칼에 의한 공격으로 인해 전해질이 분해되므로 이를 해결할 수 있는 비휘발·고안정성 전해질 기술 개발이 필요

◯  산소전극의 산화·환원 반응을 촉진시키고자 값비싼 백금(Pt)과 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co) 등의 유가금속산화물이 촉매로 사용됐다. 하지만 이와 같은 촉매는 가격이 비싸면서도 안정성이 떨어져 배터리 수명을 단축시키는 문제점이 있으므로, 안정하고 높은 용량 및 에너지밀도를 구현할 수 있는 저가의 신규 촉매소재 개발 필요

□ 기획 주안점

◯ 본 과제에서는 기존 리튬금속전지용 리튬음극 기술을 확장/발전시켜, 대기 환경에서 구동 가능한 음극 및 관련 핵심요소기술 개발을 통해 고에너지밀도 리튬금속-공기전지 성능 고도화를 목표로 함

◯ 핵심요소기술을 대기 및 전기화학적 환경에서의 리튬금속 음극 보호기술, 고안정성 전해질 기술 및 공기극 관련 기술, 저가의 고활성․고내구성 촉매 기술 로 정의하고, 요소기술별 상세 기술 개발 전략을 수립함

◯ 핵심요소기술 성능 검증 및 리튬금속-공기전지 구현을 위한 전지 플랫폼 요소기술 개발 전략이 필요함

◯ 개발된 핵심요소기술의 완성도, 실제 전지 적용 및 상용화 가능성을 평가하기 위한 개발 목표값 제시가 필요함

- (음극 보호막) 대기 및 전기화학적 안정성을 동시에 확보할 수 있는 리튬금속 음극 보호막 기술 개발

- (음극 구조체) 고입출력 전류밀도에서 작동 가능한 리튬 구조체 음극 기술 개발

- (전해질) 비발화·비휘발·고안정성을 동시에 확보할 수 있는 전해질 기술 (젤/고체/이온성액체 등) 개발

-  (촉매) 저가의 공기전극용 고활성 및 고내구성의 촉매 제조 기술 개발 (유가금속 화합물 제외, Pt, Ru, Ir, Au, Ag, Mo, Co)

- (전지 플랫폼) 요소기술 성능 검증 및 리튬금속-공기전지 에너지밀도·가역성 극대화를 위한 전지 플랫폼 요소기술 (고용량·고안정성 양극, 단전지 설계/공정 등) 개발

※ 전지 플랫폼 관련 필요 요소기술은 제안 컨소시엄에서 선택적으로 제안 가능

1. 연구목표

ㅇ 최종목표 : 고에너지밀도(> 400Wh/kg) 차세대 리튬 금속-공기 전지용 고도화 핵심요소기술 개발

2. 연구내용 및 범위

ㅇ 1차년도 ('22년도, 8개월)

- 대기 및 전기화학적 부반응 동시 억제형 리튬금속 보호막 설계

2) 고입출력 가능 리튬 구조체 음극 최적 설계 및 모델링

3) 리튬 구조체 음극 보호막 물질 및 공정 설계

4) 비발화·비휘발 특성의 고안정성 신규 전해질 설계

5) 저가의 고활성 및 고내구성 촉매(유가금속/희귀금속 제외) 설계

6) 고용량·고활성 양극(공기극) 구조체 조성/구조 설계

ㅇ 2차년도 ('23년도, 12개월)

1) 리튬금속 보호막 첨가제 및 성능 고도화 기술 개발

2) 리튬 구조체 음극 보호막 코팅 공정 기술 최적화

3) 전해질 저전압 안정화 기술 및 다종물질 복합화 기술 개발

4) 양극 구조 최적화 및 계면 안정성 극대화 기술 개발

5) 고활성 및 고내구성의 촉매 제조 기술 개발

ㅇ 3차년도 ('24년도, 12개월)

1) 보호막 및 구조체 음극/양극 요소기술 대면적화 공정 기술 확립

2) 구조체 음극 prelithiation 및 공정 저가화 기술 개발

3) 열화 억제형 전해질 첨가제 및 성능 고도화 기술 개발

4) 저가의 촉매 대량 제조 기술 최적화

5) 고에너지밀도 전지 설계 및 아키텍쳐링, 요소기술 성능 검증

3. 성과목표

ㅇ 1차년도 ('22년도, 8개월)

- 리튬금속 보호막, 촉매, 리튬 구조체 전극 및 전해질 물질/공정 설계안 확보, 개발 소재의 특성 평가 체계 구축

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 2차년도 ('23년도, 12개월)

- 리튬금속 보호막, 촉매, 리튬 구조체 전극, 전해질 최적 설계 및 성능 고도화 기술 확보

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 3차년도 ('24년도, 12개월)

- 음극 요소기술 대면적화, 기능성 전해질 첨가체 고도화, 고에너지밀도 전지 설계, 아키텍쳐링 및 성능 검증

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시 (SMART 지수 A 이상 포함)

- 기술사업화 목표 자율 제시 (0.5억/건 이상 자율제시)

ㅇ 정량적 최종 목표달성 항목

항목(모듈)		기존성과	최종목표	비고
핵심*	리튬금속 음극 대기안정성	-	표면변색없음 @40% RH, 25oC, 1h	자체평가/공인시험성적서
	리튬금속 음극 수명	200회 @4mA/cm2	≥300회	자체평가/공인시험성적서
	리튬금속 음극 이용률	45%	≥65%	자체평가/공인시험성적서
	리튬금속 음극 대면적화	-	>10cm2	자체평가/공인시험성적서
	전해질 고온 안정성 (중량감소)	5%@80℃	자율제시	자체평가/공인시험성적서
	단전지** 에너지밀도 (면적 >10cm2)	300Wh/kg	> 400Wh/kg	자체평가/공인시험성적서
자율 *	단전지 과전압	1V@0.2A/g	자율제시	자체평가/공인시험성적서
	단전지 용량 유지율	≥80%@50회, 상온	자율제시	자체평가/공인시험성적서
	음극 이외 소재에 대한 성과지표 1종 이상	-	자율제시	자체평가/공인시험성적서

* 핵심지표는 필수 동시 달성해야하며, 자율지표는 총괄책임자가 자율적으로 선택 또는 추가·변경하여 제시 가능 (단, 자체평가의 경우 평가기준 제시 필수)

** 단전지 정의(무게기준) : GDL+양극+음극+전해질+분리막으로 구성하되, 음극 면적 > 10cm2

※ 리튬금속-공기 전지의 단전지 구성을 위한 핵심요소기술 중 연구자가 개발한 소재(리튬금속 보호막, 촉매, 양극, 음극, 전해질 등) 2개 이상 필수 적용

4. 특기사항

ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안

ㅇ 동 과제에서 발생한 논문/특허 성과물의 기여도 50% 이상(단, BK21 플러스 등 인력양성사업은 고려 제외)

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 개발기술의 자율 성능목표 항목과 수치는 연구 제안자가 자유롭게 제시하되, 객관적인 자료로 제시한 성능목표의 타당성을 입증할 것

ㅇ 지원예산은 당해 연도 예산상황에 따라 변동될 수 있음

ㅇ 사업 기획시 제시한 질적성과지표를 참고하여 목표 제시가 필요함

- SCI(E) 논문의 표준화된 순위 보정력 지수(mrnIF) 84점 달성

- 총 사업기간 내 예산 대비 특허 출원 수 1건/10억원 달성

5. 연구기간 및 연구비

ㅇ 연구기간 : '22 ~ '24년(3년, 총 32개월)

ㅇ 정부출연금 규모 : 총 59.56억원 ('22년 19.56억원/8개월, '23년 20억원, '24년 20억원)

RFP번호	2022-에너지환경-09	공모유형		품목공모형
사업명	원천기술개발사업-CCU3050
RFP명	블루수소 생산 현장 적용 고효율 CO2포집 실증공정개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

ㅇ 사업추진 배경

- 2050 탄소중립 목표 및 국가 온실가스 감축 목표 달성을 위해서는 CCUS 기술이 반드시 필요하며, 신재생 에너지, 수소 에너지 사용이 필수적임

- 수소 경제활성화 로드맵에 따르면, 2030년 97만톤/년, 2040년 158만톤/년의 수소를 추출수소로부터 생산할 것으로 계획하고 있음. 메탄으로부터 추출수소를 생산하는 수증기 개질공정은 기존 천연가스 인프라를 활용하고, 비교적 에너지소비량이 적은 공정으로 수소의 대량생산에 가장 현실적인 기술임

- 메탄 수증기 개질 반응에서 수소생산량 1 kg 당 약 10 kg 의 CO2가 발생하므로 친환경 블루수소 생산을 위해서는 CO2 포집 공정과의 연계가 필요함. EU certifhy의 보고서에 따르면 메탄 수증기 개질공정이 CO2 포집공정과 연계되었을 때 수소생산기술 중 가장 CO2 배출이 적은 공정으로 보고되어 있음

< 촉매개질 공정에 CO2 포집기술 연계 시 구성 가능 옵션 >

- 현재까지 개발된 국내 CO2 포집기술은 석탄화력발전소의 연소배기가스로만 제한되어 있어 리포머 공정에 적용 가능한 포집기술 및 분리매체의 개발·실증이 요구됨. 리포머-수성가스전환 반응기 후단(#1), 수소정제 흡착공정 후단(#2), 리포머에 열에너지를 공급하는 보일러 후단(#3)에서 CO2 포집을 수행할 수 있고, 각 흐름의 특성을 반영한 기술 및 포집 전략을 제안할 수 있음

ㅇ 기획 주안점

- 개질공정을 통한 블루수소 생산공정의 상용화를 위해 고효율 CO2 포집기술의 개발 및 100 톤CO2/일 규모의 실증이 필요

1. 연구목표

ㅇ 최종목표: 블루수소 생산을 위한 촉매 개질 반응기 연계 100 톤CO2/d 포집 공정 개발·실증 및 상용화 공정 설계

- (CO2 포집공정 개발·실증) 블루수소 생산공정 배출 CO2의 90% 이상 회수, CO2 포집비용 40 $/톤CO2 이하*(액화비용 제외), 1,000시간 연속운전
*  석탄화력발전소 습식 CO2 포집공정 최고수준(실증 현장에 맞는 동등수준의 목표치 제안필요)

- (상용화 공정 설계) 100 만톤CO2/년(3,000 톤CO2/일)** 규모 FEED 설계
** 석탄화력발전소 150 MW 1기 동일용량

[연차별 연구목표]

ㅇ 1차년도

- 블루수소 생산용 고효율 CO2 포집 소재(흡수제, 분리막 등) 및 저에너지소비형 공정 개발

- 상용 추출수소 생산 시설 연계 CO2 포집-액화 공정 기본설계(100 톤CO2/일)

ㅇ 2차년도

- CO2 포집-액화 공정 고도화 및 상세설계

- CO2 포집-액화 실증설비 구축공사(진행율 80% 이상)

ㅇ 3차년도

- CO2 포집-압축-액화 공정 완공 및 공정최적화(1,000시간 연속운전)

- 100 만톤CO2/년(3,000 톤CO2/일) 규모 FEED 설계

2 성과목표

ㅇ 성과 창출 및 성과 활용 목표치(학술적·산업적 성과 목표에 대한 자율제시)

- (과학적 성과) : SCI(E) 논문 게제실적

- (기술적 성과) : 국내외특허 출원 및 등록 건수, SMART 등급 목표 등

- (산업적 성과) : 기술이전 등

[핵심지표]

핵심 기술/제품 성능지표		단위	달성목표		국내최고수준	세계최고수준 (보유국, 기업/기관명)
			2차년도	최종		현재	과제종료시점
1	연속운전시간*	시간	-	1000	-	-	-
2	CO2 회수율	%	-	90	-	-	-
3	CO2 포집비용**	$/톤CO2	-	40	-	-	-
* 연속운전시간은 기존 수소생산 현장의 정상조업(수소의 순도 및 불순물 함량, 생산량, 공정효율 등)을 유지하고, 90% 이상의 CO2 회수율을 만족하면서 시스템 정지 없이 운전된 시간 ** 제안된 40 $/톤CO2는 석탄화력발전소 대상 습식 CO2 포집공정 최고수준(전기단가 70원/kwh, 스팀가격 22,000원/ton 기준)의 예시로 이를 기준값으로 하되 연구자의 실증 대상 site의 적절한 유틸리티 가격 및 이를 감안한 포집비용 목표 제시

[자율지표]

- 연구자가 제안하는 CO2 포집공정의 특성에 맞춰 달성해야 할 자율지표(평가방법 및 조건 포함)를 제시할 것(소재 및 공정 성능, 수소 생산 등)

3. 특기사항

ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안

ㅇ 동 과제는 기업이 주관/공동연구기관으로 필수 참여

ㅇ 연구계획서의 과제명은 각 연구제안의 특장점을 반영하여 차별성 있게 작성

ㅇ 기존 과제와의 차별성 필수 제시

- 필수비교 대상과제명 : (환경부)블루 수소 제조를 위한 분리막 기반 컴팩트 이산화탄소 포집 시스템 실증 기술개발, (산업부)수소가격 경쟁력 강화를 위한 2,000 kg/day급 탄소배출 저감형 고효율 중대형 개질기

- 그 외 유사과제에 대한 연구차별성은 자율제시

ㅇ RFP에 제시된 필요성과 목표, 연구기간, 예산 등을 고려하여 제안서에 명확하고 구체적인 수준의 연구범위와 도전적 성과목표(핵심/자율지표에서 정량적으로 추가 제시해야 할 사항)를 연구자가 제시할 것

ㅇ 필요시, 선정평가 후 평가/추진위원회의 의견에 따라 목표 및 내용, 과제 구성, 연구비 등 조정 가능

4. 연구기간 및 연구비

ㅇ 연구기간 : 3년(총 33개월)

ㅇ 정부출연금 규모 : 총 195억원 ('22년 45억원/9개월, '23년 100억원/연, '24년 50억원/연)

RFP번호	2022-에너지환경-10	공모유형		품목공모형
사업명	원천기술개발사업-CCU3050
RFP명	저농도 CO2 무포집형 합성가스 생산 실증기술 개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

ㅇ 사업추진 배경

- 국내 CCU 기술은 CO2 배출 저감과 함께 합성가스, 메탄올 등의 플랫폼화합물 및 고분자 제품 생산과 연계하여 다양한 원천기술 개발 및 실증 연구가 추진 중이며, 지속적인 기술성숙도 향상으로 경제적, 기술적 타당성을 확보하고 있음

- 플랫폼원료인 합성가스 생산을 위한 기존 CCU 기술은, 배출가스로부터 분리되어 농축된 고순도 CO2를 원료로 전환하는 기술을 적용하므로, 추가적인 공정과 에너지가 필요

- 산업 현장에서는 설비 단순화 및 기술공정 경제성 제고와 온실가스 감축효과 향상을 위해 배출가스 내 CO2를 포집 없이 직접 전환하기 위한 기술을 요구하고 있음

- 이를 해결하기 위하여, 배기가스 내 저농도 CO2를 직접 활용하여 합성가스를 생산하는 무포집 CO2 전환기술이 필요하나 현재 개념 검증을 위한 기초연구 외 실증 연구사례가 없음

- 배출가스에는 CO2 전환 반응 성능을 저하시킬 수 있는 O2 및 피독을 일으키는 오염성분들과 대기오염 유해가스들이 포함되어있을 뿐 아니라, 반응에 기여하지 않는 N2가 다량(70% 이상) 포함되어 있어 고순도 CO2 사용 대비 많은 열에너지가 요구되므로, 기존 CCU 반응공정으로 배출가스 내 CO2의 직접 활용은 어려움

- 국내에서는 합성가스 생산을 위한 세계최고 수준의 개질공정 기술력을 보유하고 있어, CO2 무포집형 CCU 기술의 요소기술을 조기 개발/실증할 경우, CCU 기술에 대한 산업계 적용을 가속화시킬 수 있음

ㅇ 기획 주안점

- 산업계 적용이 용이한 합성가스 생산을 위한 CCU 기술을 발굴하고 실증 가능한 수준의 기술을 확보하여 기술의 신뢰성 제고 및 CCU 기술의 조기 실용화 추진이 필요함

- 산업현장에서 요구하고 있는 CCU 설비의 단순화 및 공정의 경제성 제고를 위해서는 배출원으로부터 CO2를 포집하지 않고 배출가스 내 CO2를 직접 전환할 수 있는 CCU 기술의 개발이 필수적임

- 별도의 CO2 포집공정이 필요 없는 무포집형 합성가스 생산을 위하여 기 확보된 CCU 기술을 기반으로 저농도 CO2 전환을 위한 촉매, 핵심소재 및 공정 기술 개발이 필요함

1. 연구목표
ㅇ 최종목표 : 배기가스의 저농도 CO2를 전환하여 합성가스를 생산하기 위한 실증 기술 개발 - 무포집형 CO2 화학전환 합성가스 생산 통합공정 파일럿 실증 (연간 20톤 규모 합성가스 생산, 연간 10,000톤 규모 이산화탄소 전환공정 설계 패키지 도출) - 저농도 CO2 직접전환을 위한 핵심 요소기술 개발 [연차별 목표] ㅇ 1차년도 - 무포집 저농도(CO2 농도 15% 이하) CO2 전환 촉매 및 핵심소재 개발, 제형 검증 및 선정 - 개념 공정 모사 (개발 소재 특성 기반) 및 실증 기반 구축(대상 off-gas 선정 등) ㅇ 2차년도 - 촉매 및 소재 최적화, 반응기 및 제어장치 등 부품 기술 개발 - 실증 규모 파일럿 제작 ㅇ 3차년도 - 촉매 및 소재 비활성화 규명 및 내구성 확보 (촉매 등에 대한 내구수명 제시) - 실증 규모 파일럿 운전/검증(연속운전 500시간 이상) 및 온실가스 감축효과(LCA) 산정
2. 성과목표
ㅇ 성과 창출 및 성과 활용 목표치 [1차년도] - (기술적 성과) 1) 특허 : 국내 3건 이상 출원, 국외 1건 이상 출원 2) CO2 전환율 : 평형전환율 대비 80% 이상 - (산업적 성과) : 수요기업 협의체 구성 1건 이상 [2차년도] - (과학적 성과) 1) SCI/E 논문 3편 이상 (JCR 분야별 상위 10% 이내 1편 이상) - (기술적 성과) 1) 특허 : 국내 5건 이상 출원, 국외 2건 이상 출원 2) CO2 전환율 : 평형전환율 대비 80% 이상 - (산업적 성과) : 수요기업 참여의향서 1건 이상 확보 [3차년도] - (과학적 성과) 1) SCI/E 3편 이상 (JCR 분야별 상위 10% 이내 2편 이상) - (기술적 성과) 1) 특허 : 국내 3건 이상 출원, 국내외 1건 이상 등록(SMART 등급 B 이상) 2) CO2 전환율 : 평형전환율 대비 80% 이상 (실증 설비 기준) - (산업적 성과) : 1만톤-CO2/년 규모 설계 패키지 1건, 기술이전 1건 이상, 제 3기관을 통한 전과정 평가 수행 온실가스 저감량 산출
3. 특기사항
ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안 ㅇ 연구계획서의 과제명은 각 연구제안의 특장점을 반영하여 차별성있게 작성 ㅇ RFP에 제시된 필요성과 목표, 연구기간, 예산 등을 고려하여 제안서에 명확하고 구체적인 수준의 연구범위와 도전적 성과목표(논문/특허 수, 0.1 kg-CO2eq/kg-offgas 생산된 합성가스 조성목표 및 이에 적합한 제품(액상/고상) 제시 등 정량적/정성적으로 추가 제시해야 할 사항)를 연구자가 제시할 것 ㅇ 필요시, 선정평가 후 평가/추진위원회의 의견에 따라 목표 및 내용, 과제 구성, 연구비 등 조정 가능
4. 연구기간 및 연구비
ㅇ 연구기간 : '22 ~ '24년(3년, 총 33개월) ㅇ 정부출연금 규모 : 총 155억원 ('22년 45억원/9개월, '23년 60억원/연, '24년 50억원/연)

RFP번호

2022-에너지환경-11

공모유형

지정공모형

사업명

원천기술개발사업-탄소자원화 플랫폼 화합물 제조기술개발

RFP명

탄소자원화 플랫폼 화합물 제조 기술개발

PM분야

에너지․환경

보안과제

여부

일반

□ 추진배경

ㅇ 2050 저탄소 발전 전략(LEDS)의 UN 제출을 위해 주요국의 탄소중립 선언에 한국도 동참 (EU(‘19.12월), 中(9.22), 日(10.26), 韓(10.28), 美 파리협정 복귀 및 탄소중립 동참)

ㅇ 세계적인 탄소중립 지향은 새로운 경제 질서 형성을 유도

- EU, 美의 탄소국경세* 도입 논의 본격화, EU의 자동차 배출규제 상향, 플라스틱세 신설 등 환경규제도 강화

* 탄소국경세 : 온실가스 배출규제가 약한 국가의 상품을 규제가 강한 국가로 수출시 세금 부과

- IMF·BIS 등 주요 국제기구도 탄소세 인상, 기후변화위험 금융감독 관리체계 구축 등 선제적 대응을 권고

- 글로벌 기업‧금융사의 RE100* 참여 및 ESG 투자 확대*, 환경 非친화적 기업 투자 제한 등 환경을 고려한 경영 활동 확산

* RE100:기업 사용전력의 100%를 재생에너지로 충당하겠다는 자발적 캠페인(現 260여개)

* 전세계 ESG(환경‧사회‧지배구조) 투자 규모(달러, GSIA): (‘14)18조 →(’16)23조 → (’18)30조

ㅇ 무역의존도가 높은 우리 경제‧산업 구조의 특수성 고려시 새로운 무역장벽에 대응하기 위한 탄소중립을 위한 선도적인 노력은 불가피

ㅇ 국내의 산업구조 상 높은 제조업 비중, 탄소 多배출 업종(철강, 석유화학 등) 비중은 탄소중립 조기 실현에 제약 요인

* 국별 제조업 비중/에너지 多소비업종(%, ‘19) : (韓) 28.4/8.4, (EU) 16.4/5.0, (美) 11.0/3.7

ㅇ 2050 저탄소 발전 전략(LEDS)에서의 탄소중립을 실현하기 위해서는 국내 산업계에서의 적극적인 기술 혁신 노력이 요구

- 순환경제 구현과 함께 탄소 포집 및 활용에 있어서 혁신적인 기술 출현이 절실한 상태

- 온실가스, 부생가스, 유기성 폐기물 등에서 배출되는 탄소 자원을 유용한 청정연료나 화학제품으로 변환하기 위한 원천기술을 개발하기 위한 차세대 탄소자원화 핵심기술 개발이 2017년부터 수행되고 있음

ㅇ 기확보된 탄소자원화 원천기술의 조기 상용화를 위한 실증 기술 추진

→ 탄소중립 시대에서의 저탄소 화학산업 경쟁력 확보

□ 기획 주안점

ㅇ 국내 기 확보된 원천기술을 바탕으로 수요기업의 실질적인 참여하에 파일럿 단계 실증 개발로 상용화 기반 확립

ㅇ 탄소중립에 기여 가능하도록 실질적으로 온실가스 감축*이 가능한 기술

* 절대적 감축(C negative) 또는 상대적 감축(기존 대비 온실가스 배출 저감)

1. 연구목표

ㅇ 최종목표: (탄소자원화) 온실가스, 부생가스*, 유기성 폐자원* 등에 포함된 탄소를 자원으로 활용하여 유용한 제품을 생산하는 혁신적 기술을 생산하는 혁신기술 확보를 통해, 온실가스를 감축하는 동시에 경제적 가치 창출

* 부생가스: 철강, 정유, 석유화학 산업에서 발생하는 CO, CO2, 가스상의 탄화수소 (메탄, 에탄, 프로판)와 수소 등이 주로 포함된 혼합가스

* 유기성 폐자원: 탄소를 함유하는 바이오매스의 폐기물 또는 이를 처리하는 과정에서 발생하는 부산물 (예: 바이오디젤 생산 부산물, 당류 폐기물, 음식물 쓰레기, 돈축산 폐수, 하수 슬러지, 바이오가스 등)

ㅇ 기존에 발전·열원으로 이용하던 부생가스 중 유용한 일산화탄소(CO)와 메탄(CH4)을 자원으로 활용함으로써 CO2 배출 사전 차단

ㅇ 화석연료의 연소에 의해 발생한 CO2 및 산업계 부생가스에서 포함된 CO2를 자원으로 활용하여 화학원료 및 연료를 생산함으로써 CO2 배출 감축

ㅇ 유기성 폐기물에 포함된 탄소 폐기물을 직접 이용하거나 또는 바이오가스 등으로 변환시킨 후 유용한 화학원료 및 연료를 생산함으로써 CH4, CO2 등의 온실가스 배출 감축

ㅇ 탄소중립시대에 대비 탄소자원화 핵심 원천기술*의 실증 개발을 통한 저탄소 플랫폼화합물 생산 기술 확보

* 탄소자원화 핵심 원천 기술: 과기정통부의 지원을 통하여 기 확보된 산업부생가스, CO2, 유기성 폐자원으로부터 플랫폼 화합물을 제조하는 핵심 공정의 원천기술

- 미활용 탄소에서 최종 플랫폼 화합물 제품까지 전주기 공정 연계기술 패키지화

- 저탄소 화학제품 기술에 대한 수요기업의 적극적인 참여에 의한 상용화 적용 가능한 기술 확보

2. 연구내용 및 범위

ㅇ 주요 연구 내용

- (분야1) 부생가스/CO2 동시 활용 : 산업 공정 중에서 부산물로 발생하는 부생가스와 CO2를 원료로 하여 분리, 정제, 전환 등의 연계 공정을 거쳐 플랫폼 화합물을 생산할 수 있는 저탄소 기술의 실증 및 상용화 기반 기술 확보

· (1단계) 부생가스 및 CO2 분리/전환 요소기술 연계 통합 공정 설계 및 파일럿 구축, 부생가스 중 탄소자원 회수 막분리-흡착 혼성 공정 설계 및 파일럿 구축

· (2단계) 부생가스+CO2 동시활용 파일럿 운영 및 데이터 수집, 부생가스 중 탄소자원 회수 파일럿 운영 및 데이터 수집, 상용공정 기본설계 자료 확보

· (사업종료 후) 민간 기업 개발기술 상용화, 국가감축량 적용을 위한 글로벌 표준화, 저탄소 화학제품 생산기술로 활용

- (분야2) 재생에너지 연계 CO2 전환 : 재생에너지 전력 생산의 변동성을 보완하고 탄소 중립의 탄소자원을 확보하기 위한 Power-to-X 기술의 실증 및 상용화 기반 기술 확보

· (1단계) 재생에너지 이용 CO2 또는 부생가스(CO2) 전환 (Power-to-X) 통합 공정 설계 및 파일럿 구축, 전기 전환에 의한 CO2 또는 부생가스(CO2)로부터 유기산 및 올레핀 생산 공정 설계 및 파일럿 구축, 설계자료를 바탕으로 LCA/TEA 기반 구축

· (2단계) Power-to-X 파일럿 운영 및 데이터 수집, CO2 전기 전환 공정 파일럿 운영 및 데이터 수집, 상용공정 기본설계 자료 확보, 운전결과를 기반한 LCA/TEA 산출 및 검증

· (사업종료 후) 민간 수요 기업 개발기술 상용화, 국가감축량 적용 위한 글로벌 표준화, 저탄소 화학제품 생산기술로 활용

- (분야3) 유기성폐자원/CO₂동시 활용 : 유기성 폐자원과 CO2를 동시에 전환하여 그린탄소 함유율이 높은 플랫폼 화합물 (플라스틱 모노머, 납사/윤활기유 등)을 생산하기 위한 기술의 실증 및 상용화 기반 기술 확보

· (1단계) 바이오매스 및 CO2로부터 폴리머 플랫폼 생산 연계 공정 설계 및 파일럿 구축, 유기성 폐기물로부터 바이오 납사/윤활기유 전환 통합 공정 설계 및 파일럿 구축, 설계자료를 바탕으로 LCA/TEA 기반 구축

· (2단계) 바이오매스 및 CO2로 부터 폴리머 플랫폼 생산 파일럿 운영 및 데이터 수집, 유기성 폐기물로부터 바이오 납사/윤활기유 전환 파일럿 운영 및 데이터 수집, 상용공정 기본설계 자료 확보, 운전결과를 기반한 LCA/TEA 산출 및 검증

· (사업종료 후) 민간 수요 기업 개발기술 상용화, 국가감축량 적용을 위한 글로벌 표준화, 저탄소 화학제품 생산기술로 활용

3. 성과목표

ㅇ 분야 별 성과목표

- (분야1) 부생가스/CO₂동시 활용

· (1단계: '22~'24년) 통합공정 설계 및 실증시설 구축
ⅰ) 부생가스 및 CO2 분리/전환 요소기술 연계 통합 공정 설계 및 파일럿 구축
ⅱ) 부생가스 중 탄소자원 회수 막분리-흡착 혼성 공정 설계 및 파일럿 구축
ⅲ) 설계자료 기반 1차 LCA/TEA 추진

· (2단계: '25~'26년) 부생가스 및 CO2 활용 실용화 기반기술 확보
ⅰ) 부생가스+CO2 동시 활용 파일럿 운영 및 데이터 수집을 통한 상용공정 기본설계 자료 확보
ⅱ) 부생가스 중 탄소자원 회수 파일럿 운영 및 데이터 수집을 통한 상용공정 기본설계 자료 확보
ⅲ) 파일럿 운전 결과 기반 LCA/TEA 산출 및 검증

· (사업종료 후) 실용화 사업 연계
ⅰ) 민간 기업 개발 기술 상용화
ⅱ) 국가 감축량 적용을 위한 글로벌 표준화
ⅲ) 저탄소 화학제품 생산 기술로 활용

· (최종 성과물) 상대적 감축(기존 대비 온실가스 배출 저감)

- (분야2) 재생에너지 연계 CO2 전환

· (1단계: '22~'24년) 통합공정 설계 및 실증시설 구축
ⅰ) 재생에너지 기반 수소활용 CO2/부생가스 전환 탄화수소 생산 (Power to X) 통합 공정 설계 및 파일럿 구축
ⅱ) 전기 전환에 의한 CO2로부터 올레핀 생산 공정 설계 및 파일럿 구축
ⅲ) 설계자료 기반 1차 LCA/TEA 추진

· (2단계: '25~'26년) 재생에너지/CO2 활용 실용화 기반기술 확보
ⅰ) Power to X 파일럿 운영 및 데이터 수집을 통한 상용공정 기본설계 도출
ⅱ) CO2 전기 전환 공정 파일럿 운영 및 데이터 수집을 통한 상용공정 기본설계 도출
ⅲ) 파일럿 운전 결과 기반 LCA/TEA 산출 및 검증

· (사업종료 후) 실용화 사업 연계
ⅰ) 민간 기업 개발 기술 상용화
ⅱ) 국가 감축량 적용을 위한 글로벌 표준화
ⅲ) 저탄소 화학제품 생산 기술로 활용

· (최종 성과물) 절대적 감축(C negative)

- (분야3) 유기성폐자원/CO2 동시 활용

· (1단계: '22~'24년) 통합공정 설계 및 실증시설 구축
ⅰ) 바이오매스 및 CO2로부터 폴리머 플랫폼 생산 연계 공정 설계 및 파일럿 구축
ⅱ) 유기성 폐기물로부터 바이오 납사/윤활기유 전환 통합 공정 설계 및 파일럿 구축
ⅲ) 설계자료 기반 1차 LCA/TEA 추진

· (2단계: '25~'26년) 그린탄소/CO2 활용 실용화 기반기술 확보
ⅰ) 바이오매스 및 CO2로부터 폴리머 플랫폼 생산 파일럿 운영 및 데이터 수집 후 상용공정 기본설계 도출
ⅱ) 유기성 폐기물 활용 바이오 납사/윤활기유 생산 파일럿 운영 및 데이터 수집을 통한 상용공정 기본설계 도출
ⅲ) 파일럿 운전 결과에 근거한 LCA/TEA 산출 및 검증

· (사업종료 후) 실용화 사업 연계
ⅰ) 민간 기업 개발 기술 상용화
ⅱ) 국가 감축량 적용을 위한 글로벌 표준화
ⅲ) 저탄소 화학제품 생산 기술로 활용

· (최종 성과물) 그린탄소 함유를 최대화시킨 바이오/CO2 플랫폼 화합물 생산 기술에 대한 상용화 기반 기술 확보

과제	단계	Product	실증규모	성능지표	비고
	최종
(R&D 주관1) 산업 부생가스 (CO)회수-분리	단계	CO	10 Nm3/h	CO순도 99%, CO회수율 80%	파일럿 구축
	최종			CO순도 > 99%, CO회수율 > 80%	파일럿 운전 및 10,000 Nm3/h 설계 패키지
(R&D 주관2) 부생가스 및 CO2 이용 syngas 및 올레핀 생산기술 개발	단계	CO	40 Nm3/h	(연속공정)CO2 전환율 90%	파일럿 구축
		올레핀	20kg/d	촉매 개발
	최종	CO	40 Nm3/h	(연속공정)CO2 전환율 100%	파일럿 시운전 및 100kg/d 설계 패키지
		올레핀	20kg/d	수율 > 25% 이상 (C5 탄소수 이상 범위)
(R&D 주관3) 이산화탄소의 전기화학적 전환을 통한 에틸렌 제조 기술 개발	단계	에틸렌	3kg/d	패러데이 효율 40~50%, 전류밀도 150~200 mA/cm2	파일럿 구축
	최종		5kg/d	패러데이 효율 > 50%, 전류밀도 200 mA/cm2	파일럿 시운전 및 100 kg/day 설계 패키지
(R&D 주관4) 액체탄화수소 (합성납사, 윤활기유) 이산화탄소 실증기술 개발	단계	합성납사, 합성연료, 윤활기유 ※ 메탄올 제외	50kg/d	에너지효율 > 65%, 탄화수소 수율 > 45%	파일럿 구축
	최종			에너지효율 > 70%, 탄화수소 수율 > 50%	파일럿 시운전 및 50,000 톤/yr 설계 패키지
(R&D 주관5) CO2기반 바이오 폴리머 플랫폼 및 플라스틱 제조	단계	젖산/포름산, 폴리올, 폴리머 소재	각 5kg/d	생성수율 > 80%	2개 이상 파일럿 구축
	최종			생성수율 > 80%	2개 이상 파일럿 시운전
(R&D 주관6) 복합유기성폐자원 유래 바이오가스로부터 납사/항공유 생산 통합실증기술 개발	단계	액체연료 (가솔린, 디젤, 항공유 등)	150kg/d	C5-C20 선택도 >75%	파일럿 구축
	최종			C5-C20 선택도 >78%	파일럿 시운전 및 2톤/d 액체연료 생산 통합 설계 패키지 (단, 한국석유관리원 대체연료 인증 필수)

ㅇ 공통 성과목표

- (과학적 성과목표)

· SCI(E) 논문(JCR 분야별 상위 20% 이내) 게재 10건/연간

- (기술적 성과목표)

· 특허 등록(단계별 5건)

· 총 사업기간 내 예산 대비 특허 출원 수 1건/10억원 달성

- (산업적 성과) 기술이전 6건 이상(건당 정액 기술료 1억원 이상 또는 총 정액기술료 10억원 이상)

4. 사업 추진체계

□ 사업단 구성

‣ 사업단장 原 소속기관의 유형에 따라 결정(영리기관은 별도 비영리 공익법인 설립, 대학 및 연구소는 법인격 없이 소속기관 內 설치를 원칙)

‣ 사업단장, R&D 성과관리‧확산지원 시스템(총괄주관과제 1개), 주관연구책임자(주관과제 6개), 자문위원회로 구성

ㅇ 사업단장

- (역할) 사업계획 수립, 사업단 총괄 운영‧관리, 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조기술 개발 사업단 총괄 기획·관리 수행

※ 본 사업단에 전임근무(참여율 100%) 필수

ㅇ 3대 분야 별 6개 주관과제

- (역할) ① 부생가스/CO2동시 활용, ② 재생에너지 연계 CO2 전환, ③ 유기성폐자원/CO2 동시 활용

- (구성) 3대 분야별 주관/공동연구책임자 및 참여 연구원 등

ㅇ R&D 성과관리 및 확산지원 시스템

- (역할) 과제별 목표 관리, 일정 및 사업비 관리, 내부 평가 등 사업 전반에 걸친 주요 마일스톤에 따른 사업 관리, 기본 행정 지원, 성과관리‧확산을 위한

※ 사업관리 지원, 전주기 IP포트폴리오 구축, 기술사업화 전략 도출, 기술개발 성과확산, 정책발굴(규제‧제도) 등

- (구성) 관련분야 전문가

※ 성과관리‧확산지원 시스템 구성원 별 수행업무를 명확히 제시 필요

ㅇ 자문위원회

- (역할) 과제기획, 방향설정, 세부과제 평가 등 사업관리 참여

- (구성) 관련분야 전문가

5. 특기사항

ㅇ 동 사업단은 사업단장이 3개 세부사업단, 7개 주관과제(6개 R&D과제, 1개 R&D 성과관리‧확산지원 시스템 과제*)의 컨소시엄을 구성하여 신청

* R&D 성과관리·확산지원 시스템 과제는 사업비의 5~8% 내 예산으로 구성할 것

※ 동 RFP와 함께 공고된 '(RFP 2022-에너지환경-00) 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조를 위한 탄소발자국 평가 및 기술 활용 전략 수립' 과제는 협약 시점에서 동 사업단의 하위 주관과제로 추가 편성

ㅇ 사업 착수시점부터 6개 R&D과제별 파일럿 실증을 위한 공동연구기관으로 민간기업 필수 참여

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 연구계획서에 각 과제 결과의 사업단 내 타 과제 연계활용 방안을 필수 제시

ㅇ 사업단장은 각 주관과제책임자와의 협업 등을 통한 연구성과 극대화 방안을 연구계획서에 제시

ㅇ 공고된 연구내용 및 예산 등은 추후 연구수행과정에서 기술, 시장, 정책 변화 및 정부 예산 사정 등에 따라 변경될 수 있음

ㅇ 사업단장은 전임근무를 원칙으로 하므로, 기존과제는 협약체결 후 3개월 이내에 정리

ㅇ 연구주제안내서 및 RFP에 제시된 필요성과 목표, 연구내용 등을 고려하여 연구 책임자가 제안서에 명확하고 구체적인 수준의 추가 성과목표를 제시하고, 필요시 선정평가 후 추진위원회의 의견에 따라 목표 및 내용 조정 가능

ㅇ 본 사업단은 과기부 사업단 운영 관리지침 및 연도별 시행계획 등 상위규정에 따라야 함

6. 연구기간 및 연구비

ㅇ 총 연구기간 : 5년 (3+2, '22~'26년)

ㅇ 총사업비 : 국고 총 380억원(민간매칭 별도) / '22년도 61.5억원(9개월)

RFP번호

2022-에너지환경-12

공모유형

지정공모형

사업명

원천기술개발사업-탄소자원화 플랫폼 화합물 제조기술개발

RFP명

탄소자원화 플랫폼 화합물 제조를 위한
탄소발자국 평가 및 기술 활용 전략 수립

PM분야

에너지․환경

보안과제

여부

일반

□ 추진배경

ㅇ 2050년 탄소배출 ‘Net Zero’의 탄소중립사회 이행에 기여 가능한 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조 기술의 상용화 촉진 필요

- 기존 화석연료로부터 생산되었던 플랫폼 화합물 중 탄소를 탄소자원화 기술을 활용 그린탄소로 대체하여 탄소중립 시대에서의 화학산업 경쟁력을 확보 필요

- 탄소자원화를 통해 생산된 화학제품 및 공정 데이터 분석을 통해 온실가스 감축 효과 및 환경성을 평가하여 탄소중립 기여 검증 필요

ㅇ 주요 선진국 등에서는 CCU 분야에도 전과정평가(LCA)를 활용하여 기술개발 효과를 평가하고, 그 결과를 기술개발의 방향성을 점검하거나 정책 수립의 근거 확보 등에 적극적으로 활용

- 미국 「45Q Tax Credit」, 유럽 「RED II」등 CCU 산업 활성화 정책 수립시, 기술의 감축량 평가 수단으로 LCA 활용

ㅇ EU 그린딜 정책과 관련하여 탄소국경세(Carbon border adjustment mechanism) 및 新순환경제 실행계획에서 환경성과를 측정하는 방법론으로 제품환경발자국(Product Environmental Footprint, PEF) 방법론을 도입 및 고려하는 움직임이 증가

- 유럽위원회는 EU 그린딜 정책의 하나로 탄소국경세 도입을 추진과 함께

- EU 탄소국경세 도입 실행과 관련하여 제품의 탄소함량 산정방법으로 2개의 PEF 방법론 고려 중

ㅇ 우리나라는 환경성적표지 환경영향 범부 중 하나로 탄소발자국(Carbon Footprint)를 활용하여 제품의 온실가스 배출량 산정 인증과 저탄소제품 인증 추진 중

- (1단계 탄소발자국 인증)제품 및 서비스의 원료채취, 생산, 수송․유통, 사용, 폐기 등 전과정에서 발생하는 온실가스 발생량을 이산화탄소 배출량으로 환산하고, (2단계 저탄소제품 인증) 동종제품의 평균 탄소배출량 이하이면서 저탄소 기술을 적용하여 온실가스 배출량을 4.24% 감축한 제품은 정부에서 인증

ㅇ 동 사업에서 개발하는 탄소자원화 제품․기술의 탄소발자국 및 PEF 평가를 통해 온실가스 감축량 등 종합적 환경성 평가․검증을 수행하고 이를 바탕으로 온실가스 감축 효과 극대화 및 경제적 가치 창출을 위한 기술 활용 전략 수립 추진 필요

□ 기획 주안점

ㅇ (탄소발자국 평가) 국내 환경성적표지 제도 등에서 활용 중인 탄소발자국 평가 및 EU 등에서 도입 추진 중인 PEF 평가 방법을 활용한 탄소자원화 제품의 종합적 환경성 평가 연구 추진

ㅇ (온실가스 감축량 평가 및 활용전략 수립) 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조 핵심기술 개발 및 실증과 연계하여 탄소자원화 기술 개발․적용에 따른 온실가스 감축량을 평가․분석하여 분석 결과를 R&D에 환류하고, 기술 활용 전략을 수립

1. 연구목표

ㅇ 최종목표: 탄소자원화 개발 기술의 탄소발자국 평가 및 온실가스 감축잠재량 분석을 통한 기술 활용 전략 수립

ㅇ 단계별 목표

[1단계('22~'24년)] : 탄소자원화 제품의 탄소발자국 평가 및 온실가스 감축량 분석

[2단계('25~'26년)] : 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조기술 활용 전략 수립

2. 연구내용 및 범위

ㅇ 주요 연구 내용

[1단계('22~'24년)]

- 환경성적표지, 배출권거래제, EU PEF 등 내외 주요 환경성평가 제도 분석 및 온실가스 감축 제도 분석

- 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조 기술의 주요 공정 특성 분석을 통한 감축사업 방법론 개발

- 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조 기술 적용에 따른 탄소자원화 제품의 탄소발자국 평가 및 온실가스 감축량 분석

[2단계('25~'26년)]

- 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조 기술 적용에 따른 제품환경발자국(종합적 환경성) 평가 연구 및 EU PEF 도입 대응을 위한 주요 전략 도출

- 주요 감축 시나리오별, 감축사업 주체별 탄소자원화 플랫폼 화합물 제조 기술활용 전략 수립

3. 성과목표

ㅇ 공통 성과목표

- (과학적 성과목표)

· 연간 SCI(E) 논문(JCR 분야별 상위 15% 이내) 게제 1건

· 연간 SCI(E) 논문(종합평균)의 표준화된 순위 보정력 지수(mrnIF) 84점 이상 달성

- (기술적 성과목표)

· 총 사업기간 내 예산 대비 특허 출원 수 1건/10억원 달성

ㅇ 정량적 최종 목표달성 항목

항목		단계	최종	비고
핵심	연구단 개발 기술 공정설계 및 경제성 평가(건)	3	6
	전과정평가 수행 및 탄소발자국 산정(건)	3	6
	감축사업 방법론 및 배출권 확보 전략(건)	3	6
자율	SCI(E)급 논문 게제(건)	-	-
	기타	-	-

4. 특기사항

ㅇ 동 사업은 사업단 과제로 구성

- 사업단 1개와 ‘탄소발자국 평가 및 기술 활용 전략 수립’과제 1개가 각각 별도 신청․평가

- 협약 시점에서 ‘탄소자원화 플랫폼 화합물 제조기술개발 사업단’으로 구성하며, ‘탄소발자국 평가 및 기술 활용 전략 수립’ 과제는 사업단 내 하위 주관과제로 추가 편성

- 총괄관리는 탄소자원화 플랫폼 화합물 사업단장이 수행

ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안

ㅇ 기존 기술 및 기존 과제와의 차별성을 구체적으로 제시할 것

ㅇ 연구계획서에 각 과제 결과의 사업단 내 타 과제 연계활용 방안을 필수 제시

ㅇ 사업단장은 각 주관과제책임자와의 협업 등을 통한 연구성과 극대화 방안을 연구계획서에 제시

ㅇ 공고된 연구내용 및 예산 등은 추후 연구수행과정에서 기술, 시장, 정책 변화 및 정부 예산 사정 등에 따라 변경될 수 있음

ㅇ 연구주제안내서 및 RFP에 제시된 필요성과 목표, 연구내용 등을 고려하여 연구 책임자가 제안서에 명확하고 구체적인 수준의 추가 성과목표를 제시하고, 필요시 선정평가 후 추진위원회의 의견에 따라 목표 및 내용 조정 가능

ㅇ 본 사업단은 과기부 사업단 운영 관리지침 및 연도별 시행계획 등 상위규정에 따라야 함

5. 연구기간 및 연구비

ㅇ 사업 총 연구기간 : 5년 (3+2, '22~'26년)

ㅇ 총사업비 : 총 24억원 / '22년도 4억원(9개월), '23~'26년도 각 5억원(12개월)

RFP번호	2022-에너지환경-13	공모유형		지정공모형
사업명	원천기술개발사업-바이오매스 기반 탄소중립형 바이오플라스틱 제품기술개발
RFP명	원스텝-원팟 기반 차세대 생분해성 바이오 플라스틱 소재 개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

ㅇ 사업추진 배경

- 정부 3050 탄소중립 전략 수립에 따라 국가 온실가스 총배출량 대량 배출 사업 부분에서 화석연료 의존 탈피가 시급하며, 이 가운데 바이오매스 기반 바이오 플라스틱은 대표적인 탄소중립 및 순환형 산업 제품임

- 대량으로 발생하는 플라스틱 폐기물은 소각/매립에 따른 환경호르몬 누출, 맹독성 다이옥신 검출, 폐기물의 불완전 연소에 의한 대기오염 발생 등 심각한 환경오염의 원인임

- 석유계 플라스틱 중심인 국내 플라스틱 산업의 기술력 한계를 극복하고 탄소 중립형 바이오 플라스틱 산업생태계 구축 및 활성화 필요

※ 바이오매스 기반  생분해성 바이오 플라스틱 제조 공정기술을 개발하여 플라스틱 산업의 화석연료 의존 탈피 및 탄소 중립형 바이오경제 확대 필요

- 단일 바이오공정을 적용한 효율적인 바이오플라스틱 생산 시스템 개발을 통한 다단계 공정의 기술적 한계 극복 필요

- 대표적인 미생물 직접 생산 플라스틱 PHA는 전 세계적으로 생산 및 응용기술 개발이 진행되고 있으나, 단량체 구조와 사슬 길이가 다양하지 않고 물성이 제한적이어서 활용도에 한계가 있음

- 기존 생분해성 플라스틱 소재의 다양성 부재 및 물성의 한계 극복을 위해 다양한 단량체 혹은 관능기를 함유하고 생체내 중합 및 분자량 조절 능력이 향상된 원스텝-원팟 생분해성 플라스틱 소재 탐색 및 개발 연구가 필요함

- 플라스틱 폐기물 및 미세플라스틱 오염 문제의 해결을 위해 다양한 환경 조건(토양, 해양, 하천 등)에서의 생분해성능 향상 연구가 필요함

ㅇ 기획 주안점

- 값싸고 풍부한 바이오매스 기질을 통합적으로 이용하여 기존 미생물 중합 플라스틱의 제한적 물성과 활용을 극복하고 다양한 자연 조건에서 우수한 분해 성능을 지닌 차세대 생분해성 바이오 플라스틱 중합체의 원스텝-원팟 생산 기술 확보

- 차세대 생분해성 바이오 플라스틱 생산을 위하여 사슬 길이, 관능기, 단량체 조성, 분자량 등의 조절이 가능한 호스트 균주 및 한계돌파형 핵심 효소 개발

※ 미생물 직접 생산, 바이오 플라스틱 개발을 위해 발효당과 함께 식물성 오일 등 장쇄 지방산 원료를 이용하는 연구가 진행되고 있으나, 단량체의 사슬 길이와 관능기가 일정하지 않음

1. 연구목표
ㅇ 최종목표 : 원스텝-원팟 기술*을 개발하여 산업적 적용이 가능한 물성을 만족하는 차세대 생분해성 바이오플라스틱 소재 개발 * 원스텝-원팟 기술: 바이오매스로부터 단량체 및 중합체를 단일 바이오공정에서 동시 생산하는 기술
2. 연구내용 및 범위
ㅇ 맞춤형 단량체 생산을 위한 합성생물학, 대사공학 기반 대사경로 구축/재설계 - 바이오매스 기반 타겟 물성을 구현할 수 있는 사슬길이 또는 관능기를 보유한 맞춤형 단량체 생산용 대사회로 구축 및 재설계 - 세포 내 단량체 조성 조절 및 생산 ㅇ 한계 돌파형 중합체 합성 핵심 효소 개발 - 타겟 사슬 길이/관능기를 갖는 맞춤형 중합체 합성효소 개발 - 분자량 한계 돌파형 중합능력이 극대화된 고성능 합성효소 개발 ㅇ 생분해성 바이오 플라스틱 생산용 고효율 원스텝-원팟 균주 및 발효 공정 기술 개발 - 타겟 단량체/중합체 생산용 대사경로 최적화 및 고성능 생산 균주 개발 - 타겟 물성을 지속적으로 유지할 수 있는 고효율 발효 공정 기술 개발 ㅇ 제한적 물성을 극복하는 바이오플라스틱 소재 개발 - 기존 플라스틱의 문제점을 극복하고 산업적 적용이 가능한 물성을 지닌 소재 개발 - 다양한 환경 조건(토양, 해양 등)에서 생분해성을 지닌 소재 개발
3. 성과목표
ㅇ 성과 창출 및 성과 활용 목표치 [1~2차년도] - 유망 원천 균주 및 소재 확보 1) 세계적 기술 선도 가능한 생분해성 바이오 플라스틱 생산 플랫폼 미생물 성능지표(생산물 농도, 생산성, 생산수율 등) 자율제시 (최종 목표 대비 60% 이상 달성) 2) 차세대 원스텝-원팟 바이오플라스틱 소재의 타겟 물성(분자량, 신장율, 인장강도, 생분해도 등) 자율제시 (최종 목표 대비 60% 이상 달성) - 목표 플라스틱 소재 별 물성의 세계 최고 성능 지표 대비 연구자의 목표치 개별 제시 - 공통 성과지표 1) SCI 논문(JCR 분야별 상위 10% 이내) 게재 건수 자율제시 2) 국내외 특허 출원/등록 건수 자율제시 [3~4차년도] - 유망 원천 균주 및 소재 확보 1) 세계적 기술 선도 가능한 생분해성 바이오 플라스틱 생산 플랫폼 미생물 성능지표(생산물 농도, 생산성, 생산수율 등) 자율제시(최종 목표 달성) 2) 차세대 원스텝-원팟 바이오플라스틱 소재의 타겟 물성(분자량, 신장율, 인장강도, 생분해도 등) 자율제시(최종 목표 달성) - 목표 플라스틱 소재 별 물성의 세계 최고 성능 지표 대비 연구자의 목표치 개별 제시 - 공통 성과지표 1) SCI 논문(JCR 분야별 상위 5% 이내) 게재 건수 자율제시 2) 국제 특허 등록 건수 또는 국내 특허 등록(SMART 등급 A 이상) 건수 자율제시 3) 기술이전 2건 이상
4. 특기사항
ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안 ㅇ 연구계획서의 과제명은 각 연구제안의 특장점을 반영하여 차별성있게 작성 ㅇ 연구계획서에 목표 플라스틱 소재 별 산업적 용도 및 활용방안 필수 제시 ㅇ RFP에 제시된 필요성과 목표, 연구기간, 예산 등을 고려하여 제안서에 명확하고 구체적인 수준의 연구범위와 도전적 성과목표(논문/특허 수, 물성 목표치, 세계적 수준 대비 목표치 등 정량적으로 추가 제시해야 할 사항)를 연구자가 제시할 것 ㅇ 동 연구주제 연구책임자의 인건비 계상율(舊 참여율)은 최소 30% 이상 필수, 공동 30% 이상을 권고함 ㅇ 연구책임자는 동 사업 중 1개만 선택하여 과제를 신청하여야 함(사업 간 중복 신청/참여 불가) ㅇ 9대 연구성과에 해당하는 연구개발성과물은 전담기관에 등록 또는 기탁해야 함 ※ 본 과제에서 도출된 오믹스정보 등은 관련 규정 및 절차에 따라 관련 기관에 등록 및 공개하여야 함 ㅇ 필요시, 선정평가 후 평가/추진위원회의 의견에 따라 목표 및 내용, 과제 구성, 연구비 등 조정 가능
5. 연구기간 및 연구비
ㅇ 연구기간 : '22~'25년(4년, 총 42개월) ㅇ 정부출연금 규모 : 13.34억원 내외/년('22년 6.67억원/6개월)

RFP번호	2022-에너지환경-14	공모유형		지정공모형
사업명	원천기술개발사업-바이오매스 기반 탄소중립형 바이오플라스틱 제품기술개발
RFP명	생분해성 플라스틱 제조용 바이오락톤 소재 기술개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

ㅇ 사업추진 배경

- 정부 2050 탄소중립 전략 수립에 따라 국가 온실가스 총배출량 대량 배출 사업 부분에서 화석연료 의존 탈피가 시급하며, 이 가운데 바이오매스 기반 바이오 플라스틱은 대표적인 탄소중립 및 순환형 산업 제품임

- 석유계 플라스틱 중심인 국내 플라스틱 산업의 기술력 한계를 극복하고 탄소 중립형 바이오 플라스틱 산업생태계 구축 및 활성화 필요

※ 바이오매스 기반 생분해성 바이오 플라스틱 제조 공정기술을 개발하여 플라스틱 산업의 화석연료 의존 탈피 및 탄소 중립형 바이오경제 확대 필요

- 미생물 유래 폴리머 기반 생분해성 플라스틱은 전 세계적으로 생산 및 응용기술 개발이 진행되고 있으나, 아직까지 단량체 구조와 사슬 길이가 다양하지 않고 물성이 제한적이어서 활용도에 한계가 있음

- 기존 생분해성 플라스틱 소재(C6 이하)의 다양성 부재 한계 극복을 위해 다양한 물성을 지닌 생분해성 플라스틱의 합성 및 생산이 필요함

- 이를 위해 생분해성 플라스틱을 제조하기 위한 바이오매스 기반 생물학적 락톤 (C7 이상) 생산 기술개발이 필요함

※ 바이오매스로부터 락톤 전구체 오메가-하이드록시 지방산과 이를 이용한 다양한 바이오락톤 생산 및 플라스틱 중합 기술 개발 필요

- 바이오락톤 기반 플라스틱 소재 기술을 확대 적용시 다양한 고부가소재 생산 기술 개발 가능

ㅇ 기획 주안점

- 바이오매스 기반 생분해성 플라스틱 제조용 바이오락톤 소재 기술 확보

※ 석유기반 화학 소재 대체를 위한 탄소 중립형 바이오락톤 기반의 신규 생분해성 플라스틱 소재 확보

- 바이오매스 기반 바이오락톤 전구체 생합성 및 단량체 생산 기술을 통한 생분해성 플라스틱 소재 합성을 위한 바이오화학 융복합기술을 개발하는 것임

1. 연구목표
ㅇ 최종목표 : 바이오매스 기반의 바이오락톤 전구체, 단량체와 플라스틱 소재를 생산하기 위한 바이오화학 융복합기술 개발 [1~2차년도] - 바이오락톤 기반 생분해성 플라스틱 제조를 위한 요소 기술(단량체 생산 기술, 분리/정제, 중합 기술) 개발 [3~4차년도] - 바이오락톤 기반 생분해성 플라스틱 제조를 위한 요소 기술(단량체 생산 기술, 분리/정제, 중합 기술) 고도화 및 시작품 제작
2. 연구내용 및 범위
[1~2차년도] ㅇ 바이오매스 기반 오메가-하이드록시 지방산 생산 기술 개발 - 바이오락톤 전구체인 오메가-하이드록시 지방산 (C7 이상) 생합성을 위한 대사 경로, 유전자, 효소 탐색 및 재조합 미생물 시스템 확보 ㅇ 오메가-하이드록시 지방산 활용 바이오락톤 단량체 생산 기술 개발 - 오메가-하이드록시 지방산 전구체 기반 바이오락톤 생산 바이오화학 융복합기술 개발 - 락톤화 반응 설계 및 공정 구축 ㅇ 바이오락톤 유래 신규 생분해성 플라스틱 소재 생산 - 생분해성 플라스틱 합성을 위한 바이오락톤 단량체 분리 및 정제 기술 개발 - 바이오락톤 적합 플라스틱 중합 기술 개발 [3~4차년도] ㅇ 바이오매스 기반 오메가-하이드록시 지방산 생산 기술 최적화/고도화 - 대사회로 재설계 및 효소 개량을 통한 고농도 오메가-하이드록시 지방산 생산 맞춤형 미생물 개발 - 오메가-하이드록시 지방산 생산성 극대화를 위한 생물전환공정의 최적화/고도화 ㅇ 오메가-하이드록시 지방산 활용 바이오락톤 단량체 생산 기술 최적화 - 락톤화 반응 최적화 및 전환 공정의 고도화 ㅇ 바이오락톤 유래 신규 생분해성 플라스틱 소재 생산 및 물성 평가 - 신규 생분해성 플라스틱 소재 제조 기술 개발 및 물성 평가 - 바이오락톤 유래 신규 플라스틱 소재의 생분해도 평가
3. 성과목표
ㅇ 성과 창출 및 성과 활용 목표치 [1~2차년도] - (과학적 성과) ‣ SCI 논문(JCR 분야별 상위 20% 이내) 5건 이상 자율제시, 과제 기여도 50% 이상 - (기술적 성과) ‣ 국내외 특허 출원 건수 자율제시 ‣ 과제 내 정성적 성과물 추가 제시(정량적 목표는 연구자가 자율제시) [3~4차년도] - (과학적 성과) ‣ SCI 논문(JCR 분야별 상위 10% 이내) 연간 5건 이상 자율제시, 과제 기여도 50% 이상 ‣ 세계적 수준의 바이오락톤 전구체 및 바이오락톤 생산을 위한 바이오화학 융복합기술 확보(세계 최고 수준 대비 비교 수치 제시) ‣ 바이오락톤 기반 신규 생분해성 플라스틱 소재(2건 이상) 생산 기술 확보 - (기술적 성과) : ‣ 국내외 특허 등록(SMART 등급 B 이상) 건수 자율제시 ‣ 바이오락톤 전구체 오메가-하이드록시 지방산(C7 이상) 과생산을 위한 재조합 미생물 개발 (2종 이상의 전구체 생산 균주) ‣ 바이오락톤 전구체 오메가-하이드록시 지방산의 생물학적 생산 공정 개발 (농도 50g/L, 생산수율 80% 이상, 생산 발효조 규모 300L 이상) ‣ 오메가-하이드록시 지방산 활용 고순도 바이오락톤 생산 기술 개발 (전환수율 90% 이상, 분리정제순도 98% 이상) ‣ 바이오락톤 기반 생분해성 플라스틱 소재 2종 생산 기술 개발 (분자량 150,000 이상, 중합수율 65% 이상, ISO14855 등 생분해 성능 동등성 확인) ‣ 개발된 바이오플라스틱 內 바이오매스 유래 소재(동 과제에서 개발한 바이오락톤 포함) 함유량 50% 이상 ‣ 개발된 바이오플라스틱 물성 평가 (신율, 인장강도 등 달성도 제시) - (산업적 성과) ‣ 기술이전 1건 이상 자율제시(단, 예상 기술료는 선정평가 시 필수 제시) ‣ 개발한 바이오플라스틱의 특성을 고려한 비즈니스 모델(안) 1건 이상 제시 ‣ 개발한 `바이오매스로부터 신규 바이오락톤 기반 플라스틱 소재 생산' 공정 제시 ‣ 온실가스 감축효과(정량) 제시
4. 특기사항
ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안 ㅇ 연구계획서의 과제명은 각 연구제안의 특장점을 반영하여 차별성있게 작성 ㅇ RFP에 제시된 필요성과 목표, 연구기간, 예산 등을 고려하여 제안서에 명확하고 구체적인 수준의 연구범위와 도전적 성과목표(논문/특허 수, 3~4차년도 기술적 세부 성과목표 등 정량적으로 추가 제시해야 할 사항)를 연구자가 제시할 것 ㅇ 연구책임자는 동 사업 중 1개만 선택하여 과제를 신청하여야 함(사업 간 중복 신청/참여 불가) ㅇ 필요시, 선정평가 후 평가/추진위원회의 의견에 따라 목표 및 내용, 과제 구성, 연구비 등 조정 가능
5. 연구기간 및 연구비
ㅇ 연구기간 : 4년(총 42개월) ㅇ 정부출연금 규모 : 13.34억원 내외/년('22년 6.67억원/6개월)

RFP번호	2022-에너지환경-15	공모유형		지정공모형
사업명	원천기술개발사업-바이오매스 기반 탄소중립형 바이오플라스틱 제품기술개발
RFP명	석유계 대체 신규 바이오가소제 생산기술 개발
PM분야	에너지․환경		보안과제 여부		일반

□ 추진배경

ㅇ 사업추진 배경

- (2050 장기저탄소발전전략 수립) 정부의 2050 탄소중립 장기전략 수립 및 산업부문 탄소감축 강화에 따른 고탄소 석유화학산업의 저탄소 체제로의 전환 필요

- (2050 대체 플라스틱사회로 전환) 정부는 석유계 혼합 바이오 플라스틱 사용('30)을 거쳐 최종적으로 100% 바이오매스 기반 생분해성 바이오플라스틱 사용('50)을 목표로 설정

- 상기 목표 달성을 위해서 플라스틱 가공에 필수적으로 사용되는 가소제도 100% 바이오매스 기반 친환경 바이오가소제*로의 대체 필요성 부각

* 기존 프탈레이트 가소제는 환경호르몬 물질로서 인체유해성이 매우 높으며, 유럽은 2011년 3대 프탈레이트계 가소제의 제조 및 유통을 금지하는 법안 통과

- 바이오매스 유래 가소제의 개발이 100% 바이오매스 기반 플라스틱 산업 구현에 매우 필요하나 기술적 난이도가 높아 아직 일부 국내 연구진에서 석유계 대체 바이오가소제 연구가 진행 중임

ㅇ 기획 주안점

- 탄소중립과 환경오염 방지를 목표로 하는 본사업의 취지에 부합하는 바이오가소제의 생물공정 기반의 친환경 생산기술 개발을 지향함

- 순환경제로 지속가능한 산업혁신을 촉진할 수 있는 폐자원/부산물을 원료로 하는 바이오가소제 생산기술 개발을 우대함

- 산업부 가소제 상업화 기술 개발의 씨앗이 되는 친환경 플라스틱 가소제 원천기술 확보가 가능한 신규 바이오가소제 소재 개발을 지향함

- 개발 기술의 파급효과를 극대화하기 위해 현재 플라스틱 산업에 사용되는 석유계 가소제를 대체할 수 있는 물성의 바이오가소제 개발을 지향함

1. 연구목표
ㅇ 최종목표 : 플라스틱의 물성개선을 위한 바이오가소제 생산 원천핵심기술 개발 - 신규 바이오가소제를 대량 생산하기 위한 합성생물학/대사공학 기술 개발 - 신규 바이오가소제의 생산성과 물성 향상을 위한 가소제 합성 기술개발
2. 연구내용 및 범위
ㅇ 신규 바이오가소제 대량생산 미생물 세포공장 개발 - 신규 바이오가소제의 전구물질 선정 및 생합성 경로 분석을 통한 관련 유전자원 확보 ※ 전구물질의 예시 : C4 이상 유기산, 알콜 등 - 바이오가소제 전구물질 생산 최적 미생물 호스트 선정 및 플랫폼 균주화 - 바이오가소제 전구물질 생합성 관련 유전인자 도입 재조합 균주 제작 - 바이오가소제 전구물질 생산성 극대화를 위한 생산균주의 대사재설계 - 바이오가소제 전구물질 생산 발효공정 개발 - 저에너지 소비형 바이오가소제 전구물질 정제 기술 개발 ㅇ 신규 바이오가소제 생산성 극대화를 위한 전환 공정 개발 - 바이오가소제 핵심 구조 화합물 생산 촉매 공정 개발 - 바이오가소제 전구물질 조합을 통한 선택적 탄소사슬길이 조절기술 개발 - 핵심 구조 화합물과 dicarboxylic acids 반응을 통한 바이오가소제 제조를 위한 전환 기술 개발 ㅇ 개발 된 바이오가소제 대량생산 미생물 세포공장 적용성 평가 - 실제 바이오매스 탄소원을 활용한 미생물 세포공장의 전구물질 합성 효율 평가 - 미생물 세포공장의 고농도 배양을 통한 생물학적 전구물질 대량 생산 공정 - 바이오가소제 전구물질의 발효/분리/정제 공정 최적화 ㅇ 바이오가소제 성능 및 적용성 평가 - 개발 된 전구물질을 활용한 고순도 바이오가소제 생산 기술 - 개발 된 전구물질의 범용성 평가를 위한 2종 이상 바이오가소제 합성 - 바이오가소제 산업현장 적용을 위한 물성 평가 및 성능 향상
3. 성과목표
ㅇ 성과 창출 및 성과 활용 목표치 [1~2차년도] - (과학적 성과) : SCI(E) 논문(JCR 분야별 상위 3% 이내) 2편 이상 - (기술적 성과) : 국내외 특허 출원 건수 자율제시 - (산업적 성과) : 타겟 바이오가소제의 활용 전략(안) 1건 이상 제시 - 정성적 목표 * 미생물을 이용한 바이오가소제 전구물질(C4 이상) 합성 * 전구물질 생산용 유전자, 효소 및 재조합 미생물 개발 * 촉매공정을 통한 전구물질로부터 합성된 가소제 핵심 구조 화합물 [3~4차년도] - (과학적 성과) : SCI(E) 논문(JCR 분야별 상위 3% 이내) 3편 이상 - (기술적 성과) : 국내외특허 등록 2건 이상 or 특허 SMART 등급 A 이상 1건 이상 - (산업적 성과) : 유상 기술이전 1건 이상 - 정량적 목표 * 생물학적 전구물질 생산공정 개발 (농도 50 g/L, 생산규모 5리터급) * 바이오 유래 친환경 가소제 2종(순도 99.5% 이상) 이상 개발 * 석유계 가소제 대비 90% 이상 성능(100% Modulus 등) 확보 - 정성적 목표 * 100% 바이오매스 기반 바이오가소제 개발 * 기존의 석유계 가소제와 유사한 수준의 탄소중립형 플라스틱 가소제 개발
4. 특기사항
ㅇ 주관연구개발기관 및 공동연구개발기관이 참여하는 연구개발과제 형식으로 제안 ㅇ 연구계획서의 과제명은 각 연구제안의 특장점을 반영하여 차별성있게 작성 ㅇ RFP에 제시된 필요성과 목표, 연구기간, 예산 등을 고려하여 제안서에 명확하고 구체적인 수준의 연구범위와 도전적 성과목표(논문/특허 수, 바이오가소제 목표성능 등 정량적으로 추가 제시해야 할 사항)를 연구자가 제시할 것 ㅇ 연구책임자는 동 사업 중 1개만 선택하여 과제를 신청하여야 함(사업 간 중복 신청/참여 불가) ㅇ 필요시, 선정평가 후 평가/추진위원회의 의견에 따라 목표 및 내용, 과제 구성, 연구비 등 조정 가능
5. 연구기간 및 연구비
ㅇ 연구기간 : 4년(총 42개월) ㅇ 정부출연금 규모 : 13.34억원 내외/년('22년 6.67억원/6개월)

RFP번호

2022-에너지환경-16

공모유형

품목·분야공모형

사업명

석유대체 친환경 화학기술개발 사업

RFP명

석유대체 친환경 원료대체 바이오리파이너리 연구단

PM분야

에너지․환경

보안과제

여부

일반

1. 추진배경

세계 각국은 온실가스 감축을 넘어 탄소중립을 위한 정책 추진 중

EU, 중국, 일본 등 전세계 100여개국이 탄소중립을 선언하였으며, 美 바이든 대통령도 탄소중립에 동참하여 임기 내 2조 달러 투자 공약 발표

EU('19.12월) 중국('20.9월) 일본('20.10월) 한국('20.10월) 등 주요국 탄소중립 선언

주요국 탄소중립 달성 목표: EU‧미국‧일본('50년), 중국('60년)

탄소국경세 도입 등 탄소 다배출 규제가 강화되고 있어 글로벌 기업을 중심으로 ESG 평가, RE100 평가 등을 도입, 자발적으로 저탄소 제품‧소재 개발을 지속적으로 확대하고 있음.

또한, 화석연료에 의존하는 기존의 화학산업은 석유자원의 고갈 문제와 지구온난화, 환경오염 등 기후변화 위기에 직면

우리나라는 주로 석유화학산업에 의존하고 있으며, 이는 주로 원유에서 정제된 나프타를 원료로 하여 유가 변동 및 석유 보유량에 민감

한편, 기후변화 위기 대응을 위해 전세계적으로 이산화탄소 배출량 감축 노력을 지속하고 있으나 코로나19로 인해 일회용품 사용이 늘어나는 상황

글로벌 핵심 미래 가치로 ‘순환경제(Circular Economy)*’가 대두하여 경제‧사회 전반에 ‘지속가능성(Sustainability)’이 확보된 발전방향 필요

한정된 천연자원을 적게 사용하면서 지속가능한 성장을 이루고 환경 영향을 최소화하는 것을 목표로, 폐기물을 매립․소각 대신 재활용을 통해 경제에 환류

우리나라는 2018년「자원순환기본법」을 시행하여 경제·사회구조를 개선해왔고, 배출권 거래제 등을 통해 온실가스 감축을 위한 사회적 노력도 강화

지속가능한 발전을 위해 바이오매스, 이산화탄소, 폐자원 등을 원료로 활용하여 화학산업 구조를 다변화, 고부가가치화 할 수 있는 기술 확보 필요

파리협정 이후, 각국은 기후변화 대응을 위한 탄소중립 실현을 목표로 제시

탄소중립 사회 실현을 위해서는 기존의 탄소 배출 저감을 넘어 순환경제로의 전환과 이에 수반되는 기술혁신이 필요

석유화학산업은 고탄소 산업으로, 기초원료인 석유의 정제 과정에서 다량의 CO2가 발생하며 이를 대체할 수 있는 바이오화학 원료 생산기반 구축을 위한 바이오 리파이너리 원천기술의 확보가 필요함.

2. 연구개발목표

□ 기획주안점

ㅇ 기존 사업*은 바이오매스 자원 탐색과 더불어 바이오화학 제품 제조 및 수요산업 적용 등 바이오매스 전환 요소기술 개발 중심

* 새로운 바이오매스 자원을 찾거나, 바이오 플라스틱 등 특정 바이오화학 제품을 주제로 연구하거나, 바이오 플라스틱 제품화 및 후방산업 적용 연구 중

ㅇ 본 사업은 바이오매스를 바이오연료 및 화학소재로 전환하기 위한 차세대 스마트 바이오리파이너리 원천기술을 시스템 수준에서 개발하고 고도화하여 최신 기술간 융합･연계 통합을 목표

바이오매스로부터 바이오소재를 만드는 전 공정의 원천기술 확보가 주요 목표

바이오소재 생산의 핵심인 미생물 세포공장 제작을 위한 원천기술 확보

ㅇ 시장 수요 및 목적에 부합하는 바이오연료 및 화학 혁신소재 파이프라인 확보를 목표

최종 생산물은 바이오기반 신기능·고부가 연료, 화학소재

□ 최종목표 : 바이오매스를 석유대체 원료로 이용하여 탄소중립 바이오연료 및 화학소재로 전환하기 위한 `차세대 스마트 바이오리파이너리'* 기술 개발

* 기존 바이오리파이너리 기술과는 차별되는 인공지능 기술, 딥러닝, 가상세포, 시뮬레이션, 빅데이터 처리/분석 등을 통해 시스템 수준 세포공장 제작을 목표로 하고, 리그노셀롤로스계 바이오매스 활용 한계극복 및 탄소저감과 경제적 상업화 가능성을 동시에 제시할 수 있는 기술

□ 단계별 연구목표

(1단계) 바이오화학 원료 생산 차세대 스마트 바이오리파이너리 원천기술 개발

ㅇ 차세대 바이오피라이너리 세포공장 구축 원천기술 개발

- 세포공장 구축을 위한 인실리코 모델 및 시뮬레이션 기술 개발

‣ 바이오 빅데이터·AI 기반 세포 대사흐름 예측, 생합성 경로 예측, 효소 개량 모델 개발

- 합성생물학 기반 세포공장 섀시 미생물 (박테리아, 효모 등) 개량 기술 개발

‣ 유전체 모듈화, 고효율 편집, 고속탐색 기반 진화공학, 세포특성 및 구조 개량 기술 개발

- 바이오연료 및 기초 화학물질 고효율 생산 미생물 균주 개발

‣ 타겟 물질별 플랫폼 세포공장 개발 및 균주 성능 향상

ㅇ 차세대 세포공장 개발을 위한 차세대 효소공학 기술 개발

- 바이오리파이너리 세포공장의 대사흐름 제어를 위한 효소 집적화 기술 개발

‣ 대사흐름의 효율적 제어를 위한 스캐폴드 기반 효소 집적화 기술 개발

‣ 세포 내 인공소기관 기반 대사회로 효소의 집적화 기술 개발

- 바이오리파이너리 세포공장의 산물내성 증대를 위한 효소 개량 기술 개발

‣ 미생물 세포공장의 산물내성 증대 효소의 고속탐색/발굴/개량 기술 개발

‣ 미생물 세포공장의 산물내성을 증대시키는 효소의 작용기작 규명

ㅇ 차세대 바이오매스 전처리 기술 및 당화효소 개발

- 바이오매스 유래 고효율 발효당 (C6, C5) 회수를 위한 전처리 기술개발

‣ 케미컬프리 고효율 바이오매스 전처리 공정 개발

‣ 바이오매스별 전처리 최적화 공정 및 DB 구축 개발

- 고효율 바이오매스 전환 효소 발굴 및 활성 증대 기술개발

‣ 바이오매스 분해 및 전환 신규 효소 발굴

‣ AI 기반 효소활성 증대 및 최적 효소 탐색 플랫폼 개발

ㅇ 바이오리파이너리 융합 CO2 활용 촉매 기술 개발

- 리그노셀룰로스 바이오매스 유래 바이오슈가 활용 이산화탄소 전환 촉매 기술 개발

‣ 바이오슈가와 이산화탄소 동시 전환 불균일 촉매 개발

‣ 저에너지 상온구동 촉매반응 개발

- 바이오알코올 활용 이산화탄소 전환 촉매 기술 개발

‣ 바이오알코올 유래 올레핀 활용 이산화탄소 전환 촉매 개발

‣ 비환원제 기반 불포화 카복실산 제조 촉매반응 개발

(2단계) 바이오화학 원료 생산 차세대 스마트 바이오리파이너리 통합 공정기술 개발

ㅇ 차세대 바이오리파이너리 세포공장 구축 원천기술 고도화 및 발효공정 개발

- 세포공장 구축을 위한 인실리코 모델 및 시뮬레이션 기술 고도화

‣ 인실리코 디자인/예측, 대사최적화 기법 고도화 및 통합 소프트웨어 개발

- 미생물 세포공장 기반 스케일업 발효공정 개발

‣ 발효 데이터 기반 미생물 대사경로 예측, 효소 개량 및 생물공정 최적화

- 바이오연료 및 기초 화학물질 고효율 생산 통합 발효공정 개발

‣ 분리/정제 공정을 포함한 생물공정 대량생산 기술 개발 및 최적화

ㅇ 차세대 효소공학 기술 적용 바이오리파이너리 고효율 세포공장 개발

- 효소 집적화 기반 바이오리파이너리 세포공장의 대사흐름 제어 고도화

‣ 효소 집적화 기반 세포공장의 대사흐름 제어를 통한 산물 생산 효율 극대화

‣ 효소 집적화 인공소기관 기반 세포공장의 산물 생산 효율 극대화

- 효소 기반 산물내성 증대 바이오리파이너리 세포공장 구축 및 산물 생산 효율 최적화

‣ 효소 기반 산물내성 증대 세포공장 구축 및 최적화

‣ 효소 기반 산물내성 증대 세포공장의 발효공정 개발

ㅇ 차세대 바이오매스 전처리 및 당화 공정 개발

- 생물전환 적용을 위한 맞춤형 당화액 생산 공정기술 개발

‣ 적용 미생물별 발효가능 당화액 조성 DB 구축

‣ 생물전환 저해물질 제어 및 고농도 당화액 생산기술 개발

- 바이오리파이너리 적용을 위한 맞춤형 효소 전환 공정 플랫폼 개발

‣ 바이오리파이너리 공정별 고활성 효소 선별 및 DB 구축

‣ 생명연구자원 효소 DB와 연계한 바이오부품 플랫폼 개발

ㅇ 바이오리파이너리 융합 CO2 활용 촉매공정 및 분리/정제기술 개발

- 리그노셀룰로스 바이오매스 유래 바이오슈가 활용 이산화탄소 전환 촉매공정 및 분리/정제 기술 개발

‣ 벤치스케일 촉매공정 개발 및 최적화

‣ 고순도, 고회수 화합물 분리정제 기술 개발

- 바이오알코올 활용 이산화탄소 전환 촉매공정 및 분리/정제 기술 개발

‣ 벤치스케일 촉매공정 개발 및 최적화

‣ 고순도, 고회수 화합물 분리정제 기술 개발

3. 성과목표

□ 성과지표

목표	1단계	2단계
차세대 세포 공장 구축 기술	1. 신규 예측 모델 4건 이상 구체적 제시 (특허권 확보) 2. 세포공장 개량 신규 기술 4건 이상 구체적 제시 (특허권 확보) 3. 타겟 산물별 플랫폼 균주(건) 자율제시	1. pilot 스케일 발효공정 2건 이상 제시 2. 타겟 산물별 titer, yield, productivity 목표치 구체적 제시 (예시: 세계 최고수준 대비 200% 향상 혹은 경제성 있는 수준으로 구체적 근거 제시) 3. 바이오매스 전처리 당화액 사용 타겟 산물 생산 목표 자율 제시
차세대 효소 공학 기술	1. 효소 집적화를 위한 스캐폴드 3종 이상 자율 제시 (기존 보고된 스캐폴드 외 신규 스캐폴드 1종 이상 반드시 포함) 2. 세포 내 구축 가능한 인공소기관 2종 이상 자율 제시 3. 효소 고속탐색 기준 자율 제시 (예시, 106 라이브러리 탐색 시간 등)	1. 효소 집적화 기술 적용 세포공장의 titer, yield, productivity 목표치 구체적 제시 (예시: 세계 최고수준 대비 200% 향상 등 구체적 근거 제시) 2. 추가 공정 도입 없이 산물 내성 효소가 도입된 세포공장 이용하여 타겟 산물 생산성 증가(%) (예시: 중화제 없이 유기산 내성 200% 증가 등)
차세대 전처리 및 당화 기술	1. 바이오매스 함량 대비 발효당 C6, C5 회수율 자율 제시 (예시, 현 세계 최고수준 대비 구체적 자료 제시) 2. 효소 탐색 플랫폼 기술을 통한 신규고활성 효소 발굴 종 자율 제시 (예시, 3종이상) 3. 원료별 구성성분 및 전처리/당화 결과물 DB 구축	1. 분리·분획 저해물질 수 및 농축공정 당손실율 자율제시 (예시, 4종 이상, 15 % 미만 등) 2. 공정별 고활성 신규 효소 발굴 및 활성 효율 자율제시 (예시, 3종 이상 및상용효소 대비 100%) 3. 적용 세포공장/타겟 산물별 최적 당화액 조성 DB 구축
융합 CO2 활용 촉매 기술	1. 도전적 화합물 4종 이상 자율 제시 2. 바이오슈가와 이산화탄소 전환율 자율 제시 (예시, 세계 최고수준 대비 90% 이상) 3. 바이오알코올과 이산화탄소 전환율 자율 제시 (예시, 세계 최고수준 대비 90% 이상)	1. 공정 최적화 결과 바이오슈가, 바이오알코올, 이산화탄소 전환율 자율 제시(예시, 세계 최고수준 대비 100% 이상) 2. 화합물 분리정제 후 순도/회수율 자율 제시 3. 촉매 성능 및 내구성 자율 제시 (예시, 촉매 TON 2000, 촉매 재사용시 초기 성능대비 70%이상, 세계 최고수준과 비교)

*단, LCA는 동 사업의 차세대 화학산업 전략센터와 필수 협업

□ 성과목표

ㅇ 1단계 목표 ('22 ~ '24, 32개월)

- JCR 5% 이내 SCIE급 논문 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 2단계 목표 ('25 ~ '26, 24개월)

- JCR 3% 이내 SCIE급 논문 자율 제시

- 화합물 생산관련 원천특허 출원 및 등록 건수 자율 제시
(SMART지수 A이상 포함)

- 기술사업화 목표 자율 제시(예시. 기술료선급금 합산총액 3억 이상 등)

- 동 연구단에서 개발한 기술의 이산화탄소 감축 효과(정량) 제시

4. 특기사항

ㅇ 4개 주관과제를 컨소시엄으로 구성하여 1개 연구단 체계로 제안해야 함

- 4개의 주관과제에 대한 유기적인 연구 추진체계 필수 제시(과제간 연계, 기술/공정/생산물 간 연계 포함)

- 4개의 주관과제책임자 중 1명이 연구단장을 수행

- 4개의 주관과제의 협업을 통해 달성해야 할 통합적 목표는 연구자가 제시

- 4개의 주관과제 기관은 서로 다른 기관 또는 학과(부서)로 구성해야 함

- 제시된 연구목표를 4개 주관과제에서 자율적으로 배치/구성하여 제시 가능

ㅇ 연구단 내에 LCI DB 구축 및 LCA 분석 지원을 위한 관련 분야 전문가를 연구진으로 필수 참여

ㅇ 동 연구단의 환경성/경제성 평가를 위한 데이터는 동 사업의 ‘차세대 화학기술 전략센터’에 필수 제공해야 하며, 제공된 데이터를 통해 분석한 환경성/경제성 평가 결과는 2단계 성과물로 필수 제출해야 함

ㅇ 연구성과 (논문, 특허 등) 는 기여율 50% 이상만 인정

ㅇ ‘석유대체 친환경 화학기술개발사업’은 단위과제로 구성하고 1차년도 연구기간은 9개월임

ㅇ 1단계 연구 결과를 평가하여 2단계 계속지원 여부를 결정함

※ 단계 평가 시 과제책임자는 1단계 사업성과를 바탕으로 과제의 조정을 제안할 수 있으며, 평가위원회에서는 이를 고려하여 2단계 계속지원 여부 결정

ㅇ 실제 제출하는 과제명은 연구자의 아이디어가 포함될 수 있는 제목으로 연구계획서를 제출해야 함

ㅇ 지원예산은 당해 연도 예산상황에 따라 변동될 수 있음

5. 연구개발기간 및 연구개발비

ㅇ 연구기간 : 5년 (3+2, '22~'26년)

ㅇ 예산 : 254억 원 ('22년 40억 원, 9개월)

RFP번호

2022-에너지환경-17

공모유형

지정공모형

사업명

석유대체 친환경 화학기술개발

RFP명

폐플라스틱 탄소자원 대상 석유기반 고부가 기초화학물질 대체 생산기술 개발

PM분야

에너지․환경

보안과제

여부

일반

1. 추진배경

□ 세계 각국 및 기업은 온실가스 감축을 넘어 탄소중립을 위한 정책 추진 중

ㅇ EU, 미국, 중국, 일본 등 전세계 193개국이 탄소중립을 목표로 파리협정 회원국이 되었으며(’21.11 기준) 이를 위한 탄소중립 목표 제시 및 전략 수립을 진행 중
* EU(‘19.12월), 중국(‘20.9월), 일본(‘20.10월), 한국(‘20.10월), 미국(’21.01) 등 주요국 탄소중립 선언
* 주요국 탄소중립 달성 목표: 독일(’45년), EU‧미국‧일본(‘50년), 중국(‘60년)

ㅇ 글로벌 기업을 중심으로 ESG 평가, RE100 평가 등을 도입, 자발적으로 저탄소 제품‧소재 개발을 지속적으로 확대하고 있음.

□ 화석연료에 의존하는 기존의 화학산업은 석유자원의 고갈 문제와 지구온난화, 환경오염 등 기후변화 위기에 의한 규제로 위기에 직면

ㅇ EU는 플라스틱 사용을 줄이기 위해 플라스틱세를 도입하였고(재활용 불가능 플라스틱 1톤당 800유로), 탄소 누출 문제 해결을 위해 탄소국경세 시행을 예고하였으며, 미국도 탄소국경세 도입을 검토 중
* (EU) 플라스틱세 시행(’21), 탄소국경세 ’23년 시행 예고 / (미국) 탄소국경세 ‘25년 도입 검토
* 탄소 누출 : 탄소배출량 감축규제가 강한 국가에서 상대적으로 규제가 덜한 국가로 탄소배출 이전

ㅇ 국내 폐플라스틱 발생량은 1,000만톤에 이르며(’19년 기준), 이 중 60%만이 재활용되고 40%는 소각·매립 * 플라스틱 1톤 소각/매립 시 약 9톤의 CO2 발생

- 재활용되는 60% 중 일부는 에너지 회수 재활용으로 소각되어 이산화탄소가 발생하며, 이를 제외한 실제 재활용되는 플라스틱의 비율은 22%임

- 기후변화 위기 대응을 위해 플라스틱 사용을 줄이고자 노력하고 있으나 코로나19로 인해 일회용품 사용이 오히려 늘어나고 있음

- 플라스틱 폐기물을 친환경적으로 처리함과 동시에 석유원료를 대체하는 순환형 원료 기술개발이 필요한 상황

□ 석유화학 부문의 탄소중립 실현을 위해서는 기존의 탄소 배출 저감을 넘어 순환경제로의 대전환이 필요하며, 이를 뒷받침할 기술혁신이 필요

ㅇ 高탄소 산업생태계의 파괴적 혁신을 위해 도전적 기술개발 추진 필요
※ “에너지 전환과 산업 전 분야의 저탄소화를 추진하기 위한 노력에 속도를 내면서, 저탄소	기술혁신을 국가전략으로 강력히 추진”(VIP 말씀, ‘21. 2. 8)
※ 2070년까지 세계 에너지 분야 이산화탄소 감축 중 34%가 기술혁신에 의한 것(IEA, ‘20)

2. 연구개발목표

□ 최종목표 : 폐플라스틱 내 탄소자원을 기초화학 원료로 전환하여 석유원료 순사용량 감축을 위한 화학전환 기술 개발

□ 추진전략별 목표

ㅇ (1) BTX 기초화학원료 제조 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발

- 방향족 함유 혼합 폐플라스틱 선택적 수소화 촉매 개발

- 방향족 함유 혼합 폐플라스틱 선택적 수소화 반응 및 분리·정제 공정기술 개발

ㅇ (2) Olefin 기초화학원료 제조 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발

- Olefin 직접 생산 공정 최적 원료 제조용 폐플라스틱 연속식 열분해 유화 기술 개발

- 촉매 순환 유동층 공정 기반 폐플라스틱 열분해유로부터 Olefin 직접 생산 기술 개발

ㅇ (3) 수소·탄소 동시생산 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발

- 폐플라스틱 원료 연속 주입을 위한 전처리 기술 개발

- 용융 플라스틱 직접분해 촉매 시스템 개발

- 용융 플라스틱 직접분해 생성물 분리 및 리사이클 공정 개발

ㅇ (4) 탄소제로 플라스틱 리파이너리 기술개발

- 플라스틱 리파이너리 공정 배출 VOC 초저에너지 회수 기술 개발

- 회수 VOC 및 폐탄소 재사용·제품화를 위한 기술 개발

3. 연구개발내용 및 성과목표

□ 주요 연구 내용

ㅇ (1) BTX 기초화학원료 제조 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발

- (1단계) 방향족 함유 폐플라스틱의 선택적 수첨분해 촉매 개발 및 성능 검증

- (1단계) 방향족 함유 폐플라스틱의 연속식 수소화 반응기용 친환경 용매 선정

- (1단계) 선택적 수첨분해 생성물의 분리·정제 기술 개발

- (2단계) 방향족 함유 폐플라스틱의 연속식 수소화 반응 시스템 구축

- (2단계) 수첨분해 촉매 대량합성법 및 촉매회수·재생 용이 촉매 성형기술 개발

- (2단계) 방향족 함유 폐플라스틱의 연속식 수소화 반응기 성능 검증

ㅇ (2) Olefin 기초화학원료 제조 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발

- (1단계) 폴리올레핀계 폐플라스틱 열분해 유화용 촉매/첨가제 개발

- (1단계) 폴리올레핀계 폐플라스틱 연속식 열분해 유화 시스템 구축 및 운전

- (1단계) 폐플라스틱 열분해유 분해에 특화된 촉매 기술 개발(수소 미사용)

- (1단계) 폐플라스틱 열분해유로부터 올레핀 생산용 유동층 반응 시스템 개발

- (2단계) 폴리올레핀계 폐플라스틱 열분해유로부터 올레핀 생산용 순환 유동층 반응 시스템 개발

- (2단계) 폴리올레핀계 폐플라스틱 열분해유 생산 및 이로부터 올레핀을 생산하는 연속식 통합 반응시스템 구축 및 운전

ㅇ (3) 수소·탄소 동시생산 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발

- (1단계) 폐플라스틱 원료상의 염소가스 및 불순물 제거 기술 개발

- (1단계) 폐플라스틱 원료 연속식 주입 반응기 설계 및 구축

- (1단계) 용융 플라스틱의 분해에 효율적인 용융 금속/염 조합 탐색

- (1단계) 용융 플라스틱 분해를 위한 용융금속/염 다상 반응기술 개발

- (2단계) 폐플라스틱 원료 연속식 주입 반응기 운전 및 성능 검증

- (2단계) 용융 플라스틱 분해를 위한 용융금속/염 연속식 다상 반응기 운전

- (2단계) 수소 및 탄소 생성물 분리 및 미반응 가스 리사이클 시스템 개발

ㅇ (4) 탄소제로 플라스틱 리파이너리 기술개발

- (1단계) 플라스틱 리파이너리 배출 VOC 초저에너지 회수 소재 원천기술 개발

- (1단계) 회수 VOC 및 폐탄소 재사용을 위한 전환기술 개발 (탄소소재, 화학제품)

- (2단계) VOC 초저에너지 회수 순환형 공정기술 개발

- (2단계) 벤치규모 VOC 전환 통합공정 기술 개발

□ (성과목표)

ㅇ 1단계 목표

(BTX 기초화학원료 제조 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발)

- 방향족 함유 폐플라스틱의 선택적 수첨분해 촉매 개발 및 친환경 용매 선정을 통한 기초 운전 조건 확립

- 선택적 수첨분해 생성물의 분리·정제를 통한 고수율 BTX 생산

(Olefin 기초화학원료 제조 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발)

- 폴리올레핀계 폐플라스틱 열분해 유화용 촉매/첨가제 및 연속식 운전 시스템 개발을 통한 연속식 열분해유 생산

- 폐플라스틱 열분해유 분해에 특화된 촉매 및 유동층 반응기술 개발을 통한 연속식 올레핀 생산

(수소·탄소 동시생산 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발)

- 폐플라스틱 원료의 염소가스 및 불순물 제거 기술 및 연속식 액화 주입 반응기 설계

(탄소제로 플라스틱 리파이너리 기술개발)

- 플라스틱 리파이너리 배출 VOC의 초저에너지 회수 기술 개발

- 플라스틱 리파이너리 배출 탄소 및 VOC 재사용을 통한 탄소소재, 화학제품 생산

(정량 성과)

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시 & SCI(E)급 논문 편수 및 mrnIF 평균점수 목표 자율제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수 자율 제시

ㅇ 2단계 목표

(BTX 기초화학원료 제조 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발)

- 방향족 함유 폐플라스틱의 연속식 수소화 반응 및 분리 기술을 통한 고수율 BTX 생산

(Olefin 기초화학원료 제조 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발)

- 폴리올레핀계 폐플라스틱 열분해유 연속 생산 및 이로부터 올레핀을 생산하는 연속식 통합 반응시스템 개발을 통해 폐플라스틱으로부터 올레핀 직접 생산

(수소·탄소 동시생산 플라스틱 리파이너리 혁신기술 개발)

- 폐플라스틱 원료 연속식 액화 주입 기술 개발

- 액화된 폐플라스틱 분해를 위한 용융금속/염 연속식 다상 반응기 기술 개발을 통해 수소 및 탄소 동시 생산

(탄소제로 플라스틱 리파이너리 기술개발)

- 벤치규모 VOC 전환 통합공정 기술 개발을 통한 VOC 고부가화

- 플라스틱 리파이너리 배출 탄소 활용을 통한 탄소소재 생산

(정량 성과)

- JCR 5% 이내 SCI(E) 논문 목표 자율 제시

- 국내·외 특허 출원 및 등록 건수(SMART 등급 포함) 자율 제시

ㅇ 정량적 최종 목표달성 항목

항목(모듈)			1단계 목표	2단계 목표	비고
핵심*	BTX 기초화학 원료 제조	BTX 수율	> 70%	> 78%	자체평가(전문가입회) /물질수지
		BTX 순도	> 95%	> 99%
	Olefin 기초화학 원료 제조	열분해유 수율 *폐플라스틱 기준	> 80wt%	> 85wt%	자체평가(전문가입회) /물질수지
		올레핀(C2= + C3=) 수율 *열분해유 기준	> 11wt%	> 15wt%
	수소·탄소 동시생산	폐플라스틱 전환율	> 70%	> 95%	자체평가(전문가입회) /물질수지
		수소 수율	> 50%	> 70%
	탄소제로 플라스틱 리파이너리	CO2 전환율	> 80%	> 90%	자체평가(전문가입회) /물질수지
		VOC 농축량	> 150 mg/g	> 400 mg/g
자율	BTX 기초화학 원료 제조	연속 운전	-	자율제시 (운전시간)	자체평가/ 평가조건 및 방법 제시
	Olefin 기초화학 원료 제조	열분해유 내 올레핀 함량	자율제시(wt%)	자율제시(wt%)	자체평가(전문가입회) /물질수지
		Char 수율	자율제시(wt%)	자율제시(wt%)
		연속 운전	자율제시 (개별 반응기 기준 운전시간)	자율제시 (통합공정 기준 운전시간)
	수소·탄소 동시생산	연속 운전	-	자율제시 (운전시간)	자체평가/ 평가조건 및 방법 제시
	탄소제로 플라스틱 리파이너리	소비에너지	-	자율제시 (J/cm3 or cal/cm3)	자체평가/ 평가조건 및 방법 제시
		회수 VOC 총 활용률	자율제시(%)	자율제시(%)	자체평가/물질수지, 평가방법 제시

* 핵심지표는 필수 달성, 자율지표는 총괄책임자가 자율적으로 선택 또는 추가·변경하여 제시 가능하며, 자율지표/목표 설정 근거도 함께 제시할 것

4. 특기사항

ㅇ 4개 주관과제를 컨소시엄으로 구성하여 1개 연구단 체계로 제안해야 함

- 4개의 주관과제에 대한 유기적인 연구체계 필수 제시(과제간 연계, 공정/생산물 간 연계 포함)

- 4개의 주관과제책임자 중 1명이 연구단장을 수행

ㅇ 연구범위 : 석유대체 친환경 화학기술 개발사업 내, 연구대체 및 자원재순환 분과의 내용을 중심으로 하되 세부적인 사항은 해당 연구단과 협의하여 진행

ㅇ 각 세부과제별 LCI DB를 구축하고 전략센터 LCA 평가와 연계방안 필수 제시

ㅇ 본 사업은 5년 과제로 단계평가 후 계속지원 여부를 결정하고, 연차 및 단계평가 시 연구기간, 예산 및 내용은 변경*될 수 있음
* 국내외 연구개발 현황, 재정상황 등에 따라 연구기간, 예산 및 내용은 조정 가능

ㅇ ‘석유대체 친환경 화학기술개발사업’은 단위과제로 구성하고 1차년도 연구기간은 9개월임

ㅇ RFP에 제시된 필요성과 목표, 연구기간, 예산 등을 고려하여 연구책임자가 제안서에 명확하고 구체적인 수준의 연구범위와 도전적 성과목표를 제시

ㅇ 필요시, 선정평가 후 평가/추진위원회의 의견에 따라 목표 및 내용, 과제 구성, 연구비 등 조정 가능

5. 연구개발기간 및 연구개발비

ㅇ 연구기간 : 5년 (3+2, '22~'26년)

ㅇ 정부출연금 : 182.5억원 ('22년도 28.5억원, 9개월)

RFP번호

2022-에너지환경-18

공모유형

지정공모형

사업명

석유대체 친환경 화학기술 기반구축

RFP명

석유대체 친환경 화학기술 전략센터 구축·운영

PM분야

에너지․환경

보안과제

여부

일반

1. 추진배경

□ 탄소중립이 국가사회적 이슈가 됨에 따라, 온실가스 다배출 국가인 한국은 탄소중립 달성을 위해 온실가스 다배출 산업인 화학산업의 기술 패러다임 전환 필요

ㅇ 세계 각국은 파리협정(2015) 이행을 위한 탄소중립 목표설정 및 정책 추진 중

- EU(2050), 중국(2060), 일본(2050), 미국(2050) 등 전 세계 100여 개국이 탄소중립 선언

- 탄소국경세 도입 등 탄소 다배출 규제가 강화되고 있어, 글로벌 기업을 중심으로 ESG 평가, RE100 평가 등을 도입하는 등 자발적으로 탄소중립을 대비

ㅇ 한국도 2050년 탄소중립 실현을 목표로 제시하였으며, 이를 위해 온실가스 다배출 산업*인 화학산업의 기술패러다임 전환이 필수적인 상황

- 한국도 탄소중립을 국가적 아젠다로 설정하고, 이를 달성하기 위해 그린뉴딜(`20.7), 2050 탄소중립 추진전략(안)(`20.12), 2050 장기 저탄소 발전전략(`20.12) 및 탄소중립 기술혁신 추진전략(안)(`21.3) 등을 발표

* 한국 화학산업은 기초유분(에틸렌, 프로필렌, 벤젠, 자일렌, 톨루엔, 부타디엔 등)의 생산량이 지속적으로 증가하고 있으며 이를 석유에 의존하기 때문에 2018년도 온실가스 배출량은 1990년 대비 273.9%, 2017년 대비 13.1% 증가한 46백만톤CO2eq. (철강에 이어 제조업 2위)

□ 이에, 기후·환경 분야의 급변하는 시장, 정책, 기술 등의 신속한 대응을 위해 차세대 화학산업 방향성을 제시하고 기술개발·확산의 거점을 마련할 필요가 있음.

ㅇ 차세대 화학 기술개발의 솔루션을 제시하고, 실증·상용화 촉진 및 컨설팅 등을 제공하는 핵심 전략센터 구축·운영

- 산업 내 이해관계자 간 소통의 창구 역할을 수행하며 코로나19, 무역분쟁 등 급변하는 외부환경에 실효적으로 대응할 수 있는 전략 수립

- 관련 시장, 정책, 기술 동향 등 통합정보를 집결, 수요기관에 제공

2. 연구개발목표

ㅇ 최종 목표 : 차세대 화학기술개발을 위한 상향식 전략을 수립･제시하고, 환경성･경제성 전주기 평가 기반 구축 및 지원을 위한 핵심 전략센터 구축･운영

ㅇ 단계별 목표

1단계(`22~`24)	석유대체 친환경 화학기술 전략센터 구축 및 운영
2단계(`25~`26)	석유대체 친환경 화학기술 전략센터 운영 고도화

외부환경				▶	석유대체 친환경 화학기술 전략센터 구축·운영				◀	내부환경
코로나19, 무역분쟁										화학산업 탄소중립 R&D 추진
연구내용 1					연구내용 2					연구내용 3
차세대 화학기술 정보플랫폼 구축 및 확산					석유대체 친환경 화학공정 및 제품 전주기 평가 기반 구축					상향식 정책 개발 협력기반 구축
▲					▲					▲
차세대 화학기술 관련 수요자가 원하는 정보 제공					화학제품 전주기 환경성·경제성 평가를 위한 기반 마련 및 지원					차세대 화학기술 관련 다양한 주체가 참여하는 협의체 운영을 통한 상향식 기술개발 정책 제안

3. 연구개발내용 및 성과목표

ㅇ (연구내용 1) 차세대 화학기술 정보플랫폼 구축 및 확산 : 차세대 화학기술 관련 수요자가 원하는 정보 제공

- 웹기반 정보플랫폼 구축 및 확산 : 수요자에게 필요한 정보를 상시적으로 제공하고 소통할 수 있는 웹기반 정보플랫폼 구축 및 확산

- 정보제공 : 수요자가 필요로 하는 정보를 시장, 정책, 기술 등 유형별로 분류하여 이슈브리프 형태로 제공

<표> 정보제공 예시
시장정보	국내외 산업동향 및 전망(수요시장, 교역현황, 가격 등), 글로벌 산업 이슈 및 트렌드 등
정책정보	규제정책(환경규제, 관세 및 통관 등), 진흥정책(화학산업 육성책 및 투자 진흥책) 등
기술정보	국내외 기술개발 현황 및 관련 특허, 기술사업화 성과 등

* 연구범위 : 1단계는 석유대체 친환경 화학기술의 핵심인 원료대체 및 자원재순환 분야 수요자를 주요 타겟으로 설정하고, 2단계는 석유대체 친환경 화학기술을 포함한 차세대 화학기술 전반의 수요자를 대상으로 함.

ㅇ (연구내용 2) 석유대체 친환경 화학공정 및 제품 전주기 평가 기반 구축 : 화학제품 전주기 환경성·경제성 평가를 위한 기반 마련 및 지원

- 평가플랫폼 구축 : EU PEF* 방법론 등 국제 표준 방법론 기반한 평가체계 개발

* PEF(Product Environmental Footprint, 제품환경발자국) : LCA(Life Cycle Assessment, 전주기 환경성 평가) 기반으로 제품/조직의 전과정 동안 발생하는 환경영향을 정량화하고 공개하는 제도

* 연구범위 : 석유대체 친환경 화학기술 개발사업 내, 원료대체 및 자원재순환 분과의 내용을 중심으로 하되 세부적인 사항은 해당 연구단과 협의하여 진행

- 데이터베이스 구축 : 국제 기준을 만족하는 수준의 LCI* 데이터베이스 구축･관리 방안 마련, EU PEF가 제시하는 환경영향 범주에 대한 영향평가 수행을 위한 특성화 인자 반영 등 추진

* LCI(Life Cycle Inventory, 전과정 목록): 제품 생산･사용･폐기 등의 전주기에 사용된 물질 및 오염물질을 규명하여 정량적으로 목록화하는 것으로, 전주기 환경성 평가를 위한 필수 요소

* 연구범위 : 석유대체 친환경 화학기술 개발사업 내, 연구대체 및 자원재순환 분과의 내용을 중심으로 하되 세부적인 사항은 해당 연구단과 협의하여 진행

- 석유대체 친환경 화학기술 평가 지원 : 구축된 평가플랫폼 및 데이터베이스 등을 활용하여 새로이 개발되는 석유대체 친환경 화학기술이 도입되었을 경우, 개발기술로 생산되는 제품의 전주기 환경성·경제성 개선 효과를 정량적으로 평가하여 기술개발 파급효과를 분석하여 제공

* 연구범위 : 석유대체 친환경 화학기술 개발사업 내, 연구대체 및 자원재순환 분과의 내용을 중심으로 하되 세부적인 사항은 해당 연구단과 협의하여 진행

ㅇ (연구내용 3) 상향식 정책 개발 협력기반 구축 : 차세대 화학기술 관련 다양한 주체가 참여하는 협의체 운영을 통한 상향식 기술개발 정책 제안

- 협력기반 구축 : 정부부처, 정부출연기관, 대학, 기업 등이 참여한 협의체 구성·운영과 연구과제 성과교류회 및 국제포럼 등 개최

- 정책제안 : 차세대 화학산업분야 기술 아젠다 선점을 위한 대정부 정책제안

* 연구범위 : 석유대체 친환경 화학기술을 포함한 차세대 화학기술 전반으로 함.

ㅇ (성과목표)

1단계 (`22~`24)	(연구내용 1) 차세대 화학기술 정보플랫폼 구축 및 확산	웹기반 정보플랫폼 구축 (1건)* *평가주안점 : 웹사이트 개설여부, 국내외 유관 기관전문가 및 전문기관 DB 보유 여부, 주기적인 정보제공 여부 등
		이슈브리프 발간 (12건)
	(연구내용 2) 석유대체 친환경 화학공정 및 제품 전주기 평가 기반 구축	신기술 및 제품의 전주기 환경성 평가 방법 개발 (2건)
		전과정목록 데이터베이스 신규 구축 (4건)
		- 2대 분야(원료대체, 자원재순환) 추진 과제별 환경성 평가 시범사업 실시 (2건)
	(연구내용 3) 상향식 정책 개발 협력기반 구축	협의체 구성 및 운영 (6회)
		연구과제 성과 교류회 및 국제 포럼 개최 (3회)
		정책 보고서 발간 및 정책 제안 (3건)
2단계 (`25~`26)	(연구내용 1) 차세대 화학기술 정보플랫폼 구축 및 확산	웹기반 정보플랫폼 활용 고도화 · 방문자 의견 수렵 및 플랫폼 개선 (2회) · DB 업데이트 (4회)
		이슈브리프 발간 (8건)
		플랫폼 활용 대고객 만족도 조사 (1건)
	(연구내용 2) 석유대체 친환경 화학공정 및 제품 전주기 평가 기반 구축	신기술 및 제품의 전주기 환경성 평가 방법 개발 (4건)
		전과정목록 데이터베이스 신규 구축 (6건)
		- 2대 분야(원료대체, 자원재순환) 추진 과제별 환경성 평가 시범사업 실시 (2건)
	(연구내용 3) 상향식 정책 개발 협력기반 구축	협의체 구성 및 운영 (4회)
		연구과제 성과 교류회 및 국제 포럼 개최 (2회)
		정책 보고서 발간 및 정책 제안 (2건)

4. 특기사항

ㅇ 본 사업은 5년 과제로 단계평가 후 계속지원 여부를 결정하고, 연차 및 단계평가 시 연구기간, 예산 및 내용은 변경*될 수 있음
* 국내외 연구개발 현황, 재정상황 등에 따라 연구기간, 예산 및 내용은 조정 가능

ㅇ‘석유대체 친환경 화학기술 기반구축’은 단위과제로 구성하고 1차년도 연구기간은 9개월임

ㅇ 센터 유치 기관은 센터의 효율적인 운영을 위해 인력, 회계시스템, 홈페이지, 사무공간, 매칭펀드 등을 지원하여야 함.

ㅇ 센터는 업무 수행을 위하여 필요한 경우에는 대학, 출연연 또는 단체에 근무하는 연구원 또는 전문가 등의 파견 요청가능 *컨소시엄 기관으로부터의 인력 교환 등

ㅇ 센터의 효율적인 운영을 위해 특별한 규정이 있는 경우를 제외하고는 센터가 소속된 기관의 제반규정 준용

※ 사업예산, 사업지속 여부, 사업기간 등은 정부예산사정에 따라 변경될 수 있음

5. 연구개발기간 및 연구개발비

ㅇ 연구기간 : 5년 (3+2, '22~'26년)

ㅇ 정부출연금 : 38.5억원('22년 6.5억원, '21~24년 8억원/년)