에너지시스템학과

우리 학교 조인선 교수(신소재공학과.에너지시스템학과, 사진) 연구팀이 세계 최고 수준의 태양광-수소 전환 효율을 갖는 전극 소재를 개발하는 데 성공했다.

조인선 교수와 샤올린 쳉(Xiolin-Zheng) 미국 스탠포드대학 교수, 한현수 스탠포드대학 연구원이 포함된 공동 연구팀은 태양광으로 수소 에너지를 생산하는 전극 소재의 효율을 획기적으로 끌어 올렸다. 관련 연구 성과는 <에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)> 4월18일자에 게재됐다. 

태양광-수소 기술은 반도체와 촉매를 이용해 태양광과 물에서 수소를 생산하는 친환경 에너지 기술이다. 신재생에너지가 주목받으면서 '꿈의 기술'로 각광 받아왔지만 기존의 광 전극 소자 기술로는 태양광-수소 전환 효율을 높이는 데 한계가 있었다. 

태양광-수소 생산 기술의 상용화를 위해서는 10% 이상의 전환 효율이 필요하지만, 여러 걸림돌 탓에 높은 효율을 내는 데 어려움을 겪어왔던 것.

조인선 교수 연구팀은 모든 소재가 결정구조의 방향에 따라 물리적 성질이 달라지는 비등방성을 나타낸다는 점에 주목했다. 이 원리를 기반으로 증착 온도를 비롯한 여러 변수를 조절, 기존에 무작위로 배치되던 촉매 결정들을 표면 에너지가 가장 낮은 면이 전극 기판과 평행하도록 우선 배향시켜 물질 고유의 특성을 조정하는 연구를 시작했다.

결국 대표적 산화물 반도체인 비스무스 바나데이트(BiVO4)를 레이저 증착법으로 투명전극 위에 증착, 결정 구조가 특정 방향으로 우선 배향된 광 전극 소재를 성공적으로 제조하는 데 성공했다. 

조 교수는 “이렇게 제조한 광 전극은 무작위로 배향된 기존 광 전극 소재에 비해 12배 이상 높은 전하 수송 효율과 3배 이상 높은 표면 촉매 반응 효율을 보였다”라고 설명했다.

그 결과 태양광-수소 전환 효율이 16배 이상 향상되었고, 이는 이론상 효율 82% 정도로 세계 최고 수준이다.

조인선 교수는 “이번 연구를 통해 태양광-수소 생산 소자의 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있는 계기를 마련한 셈”이라며 “비단 광전극 소재 뿐 아니라 태양전지, 배터리, 반도체 소자와 같은 다양한 에너지 생산-저장 기술 소자의 소재 합성에 적용할 수 있어 그 응용 가능성도 매우 크다”라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 기초연구사업(신진연구) 지원으로 수행됐다.

C축으로 우선 배향된 비스무스 바나데이트(BiVO4) 광전극. 표면의 산소 발생 반응을 향상시키고 전자 수송도를 높이며, 투명전극 기판으로의 전자 수집을 용이하게 한다.