태양광·수소 생산용 전극 소재기술 국내 연구진 개발

고효율·저비용 수소에너지 생산 기술 상용화 기대

▲조인선 아주대 교수

[에너지경제신문 김민준 기자] 태양광으로 수소에너지를 생산하는 전극 소재의 효율을 획기적으로 끌어올리는 기술이 한미 공동 연구진에 의해 개발됐다.

조인선 아주대학교 교수, 스탠포드대학교 샤올린 쳉·한현수 연구원 연구팀은 세계 최고 수준의 태양광·수소 전환 효율을 갖는 전극 소재 개발에 성공했다고 22일 발표했다. 태양광·수소 기술은 반도체와 촉매를 이용해 태양광과 물로 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 신재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 ‘꿈의 기술’이라고 불릴 정도로 주목받고 있지만, 기존의 광 전극 소자 기술로는 태양광·수소 전환 효율을 높이는 데 한계가 있었다.

태양광·수소 생산 기술의 상용화를 위해서는 10% 이상의 전환 효율이 필요하다. 하지만 대표적인 광 전극 소재인 티타늄 산화물(TiO2), 산화철(Fe2O3) 등은 높은 전자·정공 재결합률, 낮은 전기 전도도 때문에 효율이 저하되는 걸림돌로 작용했다.

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. 결국 태양광·수소 생산 소자로 사용되는 대표적인 산화물 반도체 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 레이저 증착법으로 투명전극 위에 증착해 결정 구조가 특정 방향으로 우선 배향된 광 전극 소재 개발에 성공했다.

이렇게 제조한 광 전극은 무작위로 배향된 기존 광 전극 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.

조인선 교수는 "이 연구는 기존 소재의 한계를 극복해 태양광·수소 생산 기술을 획기적으로 발전시킨 세계 최고 수준"이라며 "앞으로 우선 배향된 비스무스 바나데이트 광 전극을 이용한 태양광·수소 생산 소자 상용화 연구를 지속적으로 진행할 것"이라고 밝혔다.

▲조인선 아주대학교 교수, 스탠포드대학교 샤올린 쳉·한현수 연구원 연구팀이 세계 최고 수준의 태양광·수소 전환 효율을 갖는 전극 소재 개발에 성공했다.