에너지시스템학과

우리 대학 조인선 교수 연구팀이 수소 에너지의 생산 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 새로운 나노 구조를 개발하는 데 성공했다. 수소는 차세대 신재생 에너지로 가장 주목받고 있는 에너지원이다.

7일 조인선 교수(신소재공학과∙대학원 에너지시스템학과)는 미국 스탠포드대학교 연구팀과 함께 이중 정렬된 이종접합 나노구조를 제안, 단일 정렬된 광전극 대비 4배 이상 높은 태양광-수소 전환효율을 갖는 새로운 광전극 구조를 개발했다고 밝혔다.

관련 연구는 ‘향상된 광전기화학 물 분해를 위한 이중 배향 비스무스 바나데이트/산화주석 이종접합(Dual textured BiVO4/Sb: SnO2 heterostructure for enhanced photoelectrochemical Water-splitting)' 이라는 제목의 논문으로 화학공학 국제 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF=13.273, JCR 상위 2.45 %)> 5월1일자에 게재되었다. 이번 연구에는 우리 학교 대학원 에너지시스템학과 석사과정의 정유재 학생이 제1저자로 참여했고, 미국 스탠포드대학교 한현수 박사도 함께 했다.

광전극을 이용하면 태양광으로 물을 분해해 수소를 얻을 수 있다. 이러한 태양광-수소 생산 기술은 청정 에너지인 태양광과 물로부터 수소를 생산할 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 그러나 기존의 단일 광전극 소재를 이용하면 광 흡수율과 전기 전도도 등에서 한계를 보여, 태양광-수소 전환 효율을 높이기 어려웠다.

이러한 한계를 해결하고자 그동안 서로 다른 광전극 소재를 적층하는 이종 접합 기술의 활용에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 공동 연구팀은 소재의 결정 구조학적 배향에 따라 소재 성질이 다르게 나타나는 비등방성에 주목, 연구를 진행했다. 그 결과 표면 결정면 제어 및 이종 접합 기술이 결합된 새로운 이중 정렬 이종 접합 모델을 개발하는 데 성공했다. 이에 전자 정공 재결합을 크게 줄이고 효율적으로 전하를 수집할 뿐 아니라, 수소 발생 반응에 유리한 결정면이 표면에 드러나 획일적으로 수소 발생 특성을 향상시킬 수 있었다.

연구에 참여한 정유재 학생은 “학부 4학년(신소재공학과)때부터 학부 연구생으로서 연구에 참여해 왔다”며 “팔달관 연구실 중 가장 늦은 시간까지 불이 켜진 연구실을 만들겠다라는 마음가짐으로 노력했고, 그 결과 좋은 성과를 얻을 수 있었다”고 말했다.

이어 “연구에 관심 있는 학부생들이라면 주저 없이 교수님들과 상의하고 조언을 구해 보면 좋겠다”며 “직접 실험에 참여하면서 전공에 대한 흥미를 느낄 수 있고, 더불어 논문이나 특허까지 발전시킬 수 있어 여러모로 도움이 되는 경험을 쌓을 수 있을 것”이라고 조언했다.  

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기초연구실 사업의 지원으로 수행되었다.

이종 접합 광전극 구조와 전하 수송/수집 특성 모식도. (왼쪽)이중정렬 접합구조. (오른쪽)단일 정렬 접합구조