한-미 공동 연구진이 태양광으로 수소에너지를 생산하는 전극 소재의 효율을 획기적으로 끌어올렸다. 아주대학교 조인선 교수는 스탠퍼드대학교 샤올린 쳉 교수(Xiolin-Zheng)와 한현수 연구원 연구팀과 함께 세계 최고 수준 태양광-수소 전환 효율을 갖는 전극 소재 개발에 성공했다. 이번에 개발된 광전극은 무작위로 배향된 기존 광전극 소재 대비 12배 이상 높은 전하 수송 효율과 3배 이상 높은 표면 촉매 반응 효율을 보였다.
친환경 에너지 기술이 업그레이드됐다. 그것도 꿈의 기술이라 불리는 ‘태양광-수소’ 기술이다. 태양광-수소 기술은 반도체와 촉매를 이용해 태양광과 물로 수소를 생산하는 친환경 에너지 기술이다. 이 기술은 친환경 에너지 발전을 상승시키는 중요 기술로 평가받아왔지만, 한계가 있었다. 기존의 광전극 소자 기술로는 효율을 높이기 어려웠다. 태양광-수소 생산 기술의 상용화를 위해서는 10% 이상의 전환 효율이 필요하다. 하지만 대표적인 광전극 소재인 티타늄 산화물(TiO2), 산화철(Fe2O3) 등은 소재의 높은 전자·정공 재결합률, 낮은 전기 전도도 등이 효율 저하의 가장 큰 걸림돌로 작용했다.
영원한 한계는 없는 법. 태양광-수소 기술은 가지고 있던 한계를 뛰어넘게 됐다. 세계 최고 수준의 태양광-수소 전환 효율을 갖는 전극 소재가 개발돼서다.
아주대학교 조인선 교수는 샤올린 쳉 교수(Xiolin-Zheng, 스탠퍼드대학교), 한현수 연구원(스탠퍼드대학교) 연구팀과 함께 세계 최고 수준의 태양광-수소 전환 효율을 갖는 전극 소재 개발에 성공했다. 연구팀은 모든 소재가 결정구조의 방향에 따라 물리적 성질이 달라지는 비등방성을 나타낸다는 점에 주목했다. 이 원리를 기반으로, 증착 온도 등 다양한 변수를 조절해 기존에 무작위로 배치되던 촉매 결정들을 표면에너지가 가장 낮은 면이 전극 기판과 평행하도록 우선 배향시켜 물질 고유의 특성을 조정하는 연구를 시작했다.
연구팀은 태양광-수소 생산 소자로 사용되는 대표적인 산화물 반도체 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 레이저 증착법으로 투명전극 위에 증착해 결정구조가 특정 방향으로 우선 배향된 광전극 소재를 성공적으로 제조했다. 이렇게 제조한 광전극은 무작위로 배향된 기존 광전극 소재 대비 12배 이상 높은 전하 수송 효율과 3배 이상 높은 표면 촉매 반응 효율을 보였다. 그 결과 태양광-수소 전환 효율이 16배 이상 향상됐다. 이는 이론상 효율의 82% 정도로 세계 최고 수준이다.
조인선 교수는 “이 연구는 기존 소재의 한계를 극복해 태양광-수소 생산 기술을 획기적으로 발전시킬 수 있는 계기를 마련했다”며 “앞으로 우선 배향된 비스무스 바나데이트 광전극을 이용한 태양광-수소 생산 소자 상용화 연구를 지속해서 진행할 것”이라고 후속 연구계획을 밝혔다.
다음은 연구내용에 대한 일문일답
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은 무엇입니까.
태양광-수소 생산 기술은 광전기화학 소자를 이용하여 무한하고 깨끗한 태양광 에너지와 물로부터 직접적으로 수소에너지를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술로써 주목받고 있는 ‘꿈의 기술’입니다. 그러나 태양광-수소생산 기술의 상용화를 위해서는 10% 이상의 태양광-수소 전환 효율이 필요했습니다. 이를 위해 가장 큰 걸림돌인 광전극의 낮은 효율을 극복해 보고자 이 연구를 시작하게 되었습니다.
Q. 연구는 어떻게 진행되었습니까.
저는 2010년부터 태양광-수소 생산을 위한 반도체 광전극 연구를 꾸준히 진행해왔습니다. 2010년부터 현재까지 다양한 유/무기 소재에 대한 축적된 기술을 바탕으로 반도체 광전극 및 광촉매에 대한 소재합성 기술 및 분석 지식을 확보하고 이를 하나로 통합하고 최적화하는 기술을 성공적으로 개발했습니다. 개발된 반도체 광전극 기술을 바탕으로 이 연구에서는 성공적으로 우선 배향된 산화물 광전극을 개발하였으며 세계 최고 효율을 달성했습니다.
Q. 이번 연구 성과는 무엇이라고 봅니까.
기존에 보고된 산화물 반도체 광전극들의 경우 낮은 태양광-수소 전환 효율로 상용화에 제약이 있습니다. 이 연구에서 최초로 개발한 우선 배향된 비스무스 바나데이트 광전극 경우 세계 최고 수준의 효율을 달성함으로써 태양광-수소 생산 소자 상용화에 한 걸음 더 다가섰다고 할 수 있습니다.
Q. 앞으로의 계획은 어떻게 됩니까.
후속 연구를 통하여 우선 배향된 비스무스 바나데이트 광전극을 이용한 태양광-수소 생산 소자 상용화에 도달할 수 있도록 노력할 예정입니다.
