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  • 기사등록 2020-11-09 12:00:02
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▲ UNIST 장지욱·양창덕·조승호 교수팀이 유기반도체 물질을 물로부터 효과적으로 보호하는 ‘모듈시스템’을 이용해 성능과 안정성이 모두 우수한 광전극을 개발했다. (좌상단부터 시계방향) 장지욱 교수, 양창덕 교수, 김윤서 연구원(제1저자), 유제민 연구원(제1저자)



[기계신문] 화석연료를 대체하기 위해 친환경·신재생 에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데, 수소에너지를 기반으로 한 친환경 산업이 가장 활발히 연구되고 있으며 이미 상용화 단계에 접어들고 있다.


하지만 현재 수소 생산 시 사용하는 메탄 수증기 개질법(Methane steam reforming)은 이산화탄소를 배출하는 방식이기 때문에 근본적인 문제해결이 어렵다. 따라서 태양광을 이용한 물 분해를 통한 효율적인 수소 생산기술이 반드시 개발되어야 한다.


광 전기화학적 물 분해를 통한 수소 생산법은 물속에서 광전극(photoanode)이 태양광을 흡수하여 물을 분해하는 방식인데, 이때 광전극은 물속에서 오랜 시간 안정적으로 작동할 수 있어야 하므로 금속산화물 기반의 광전극이 활발히 연구되고 있다.


하지만 금속산화물 기반 광 산화극의 광전류밀도는 현재까지 10 ㎃/㎠ 이상의 성능을 내지 못하는 낮은 성능으로 인해 상용화에 어려움이 있다.


이러한 문제를 해결하기 위해 금속산화물이 아닌 전도도가 높아서 광전효율이 좋고 공정비용도 저렴하며, 대면적화에도 유리한 장점을 가진 유기반도체 물질을 이용해 광 전기화학적 물 분해를 하려는 시도가 있었지만, 시스템 특성상 물속에서 화학반응이 일어나야 하고 이때 유기물이 불안정한 문제가 있어 유기반도체 물질을 활용하기가 쉽지 않았다.


그런데 최근 유기반도체 기반의 고효율·고안정성 광전극이 개발돼 화제다. 광전극을 물에 넣고 햇볕을 쪼여 수소를 얻는 ‘태양광 수소’ 시대가 더 앞당겨질 전망이다.


UNIST 장지욱·양창덕·조승호 교수팀이 유기반도체 물질을 물로부터 효과적으로 보호하는 ‘모듈시스템’을 이용해 성능과 안정성이 모두 우수한 광전극을 개발했다. 기존 무기반도체 기반 광전극보다 수소 생산 효율이 2배 이상 높을 뿐 아니라, 대면적 제조가 가능해 가격 측면에서도 유리하다.


태양광 수소 생산에 쓰이는 광전극은 태양광 에너지를 흡수해 전하 입자를 만드는 반도체 물질로 이뤄졌다. 생성된 전하 입자가 전극 표면에서 물과 반응해 수소와 산소를 만드는 것이 태양광 수소 생산의 원리다.


반응이 물속에서 일어나기 때문에 안정한 금속산화물 무기반도체 광전극이 주로 연구됐다. 반면 유기반도체 물질은 수소 생산 효율은 훨씬 높지만 물 안에서 빠르게 손상된다는 문제가 있어 광전극으로 쓰이지 못했다.


연구팀은 액체금속(인듐-칼륨 합금), 니켈포일, 그리고 니켈포일 위에서 바로 자란 촉매(니켈-철 이중층 수산화물)로 구성된 모듈시스템을 이용해 물속에서 안정된 유기반도체 광전극을 만들었다.



▲ 유기반도체 기반 광전극(photoanode) 구조 및 이를 이용한 광 전기화학적 물 분해(수소생산) 시스템 모식도



니켈포일은 물이 유기반도체와 직접적으로 접촉하는 것을 막고, 포일 위에 바로 성장시킨 촉매가 전체 반응을 돕는다. 또 니켈포일과 유기반도체 사이를 메우는 물질이 액체 금속이라 물은 빈틈없이 차단하면서도 전하 입자의 흐름은 막지 않는다. 새로운 광전극의 수소 생산 효율(반쪽 전지 효율)은 기존 무기반도체 광전극의 2배 이상인 4.33%를 기록했다.


에너지화학공학과 장지욱 교수는 “높은 효율을 갖는 유기물을 광전극에 적용할 수 있다는 가능성을 보인 연구”라며 “기존에 효율 측면에서 한계가 있었던 태양광 수소 전환 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.


에너지화학공학부 양창덕 교수는 “유기반도체는 무기반도체와 달리 무궁무진한 조합을 만들 수 있어 효율이 더 높은 새로운 유기반도체 물질을 계속 발굴할 수 있다”며 “이 때문에 추가적 성능 향상이 기대된다”고 강조했다.


신소재공학과 조승호 교수는 “이번에 개발된 시스템은 하나의 모듈로써 니켈포일 위에 자란 촉매나 유기반도체의 종류를 바꿔 쓸 수 있는 것이 장점”이라며 “현재 전하 이동을 돕는 새로운 촉매에 대한 연구를 계속해 나가고 있다”고 언급했다.


연구팀이 제안한 ‘유기 광활성물질 기반 광 산화극’으로 유기 활성층의 안정성을 확보하면서 물 산화반응을 효과적으로 촉진시켜 태양광 수소전환 효율을 극대화하였다.


수소 사회 진입을 목전에 둔 만큼, 이 같은 새로운 구조를 통해 광 전기화학적 물 분해 성능을 향상시킬 수 있음을 보여 다양한 유기 광 활성물질을 이용한 고효율 디바이스 제작에 활용될 수 있고, 이를 통해 이산화탄소 없는 수소 생산 기법의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.


한편, 기후변화대응기술기초원천기술사업, 기본 (개인)연구 사업, 신진 연구 사업 등의 지원으로 이뤄진 이번 연구 성과는 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 11월 2일자로 공개됐다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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