유니스트, 태양광 수소 생산 성능 높이는 혁신 박막 개발

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≪<font color=red>울산광역매일</font>≫ 유니스트, 태양광 수소 생산 성능 높이는 혁신 박막 개발

유기반도체 광전극 한계 돌파…전류 밀도 최고 수준 달성
푸쉬-풀 구조 적용해 전자 이동 가속…상용화 가능성 확대

햇빛을 이용해 물에서 수소를 생산하는 ‘태양광 수소 생산 기술’ 상용화가 한층 더 빨라질 전망이다. 기술의 핵심 부품인 광전극 효율을 크게 개선할 수 있는 새로운 박막 물질이 국내 연구진에 의해 개발됐기 때문이다.

UNIST 신소재공학과 조한희 교수 연구팀은 태양광 수소 생산 성능을 크게 높일 수 있는 자기조립분자 박막을 개발했다고 8일 밝혔다.

태양광 수소 생산 기술은 물속에 넣은 광전극에 햇빛을 비춰 물을 수소와 산소로 분해하는 방식이다. 광전극 내부의 반도체가 빛을 흡수하면 전자가 생기고, 이 전자가 기판으로 이동하며 분해 반응을 유도한다. 결국 전자가 얼마나 효율적으로 이동하느냐가 기술 경쟁력을 좌우한다.

연구팀이 개발한 새로운 박막은 유기반도체와 기판 사이에서 전자 이동을 돕는 매개체 역할을 한다. 기존에는 이 기능을 금속산화물층이 맡아왔지만, 두께가 두껍고 전하 전달 속도가 느리며 제조 비용이 크다는 한계가 있었다.

이번 물질을 적용한 광전극은 7.97 밀리암페어/제곱센티미터의 전류 밀도를 기록했다. 이는 현재까지 보고된 유기반도체 기반 광전극 가운데 가장 우수한 성능으로, 전류 밀도가 높을수록 수소 생산 속도도 빨라진다.

또한 이 박막은 금속산화물과 달리 분자가 스스로 정렬해 얇은 막을 형성하는 방식이어서 제작 공정이 간단하고 비용 절감 효과도 크다.

조 교수팀은 박막을 이루는 분자를 ‘푸쉬-풀(전자 밀어내기·당기기)’ 구조로 설계해 이러한 성능을 구현했다. 분자 안에서 전자를 밀어내는 부분과 당기는 부분이 동시에 존재해 강한 내부 전기장이 형성되고, 이 전기장이 전자 이동을 가속하는 원리다.

조한희 교수는 “유기반도체 기반 광전극은 제조비가 낮고 넓은 면적 생산이 가능해 산업적 가치가 크다”며 “이번 박막은 태양광 수소 생산 기술의 실용화 가능성을 크게 끌어올린 중요한 성과”라고 말했다.

그는 또 “이번 분자 설계 전략은 수소 생산 기술뿐 아니라, 태양광 전지나 발광 소자, 광센서 등 전자 이동 성능이 중요한 다양한 기기에 폭넓게 적용 가능하다”고 덧붙였다.

이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지에 최근 게재됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구실지원사업, 우수신진연구사업, 이노코어 사업, 스위스 연구기관 지원 등을 받아 수행됐다. 정호식 기자