- UNIST 장지현 교수팀, 산화철 광전극 표면에 유기반도체·촉매 이중 코팅 -

- 성능·안정성 높은 광전극 개발… ACS Energy Lett. 추가 표지논문 선정 -

연구진 LSTME Busan 안효진 박사, UNIST 장지현 교수, 제 1저자 윤기용 박사, 동서대학교 이정훈 교수

태양에너지를 통한 그린수소생산은 가장 이상적인 수소생산시스템 중 하나로 각광받고 있다. 태양에너지를 흡수하는 반도체를 사용하면 반도체에서 생성된 전하를 통해 물을 분해하여 물과 수소를 만들기 때문에 어떠한 환경오염도 없으며 에너지로 사용된 수소는 다시 물로 순환되는 이상적인 에너지 순환 사이클을 가지고 있어 많은 연구가 이루어지고 있지만, 아직까지 태양광 수소 전환 효율이 매우 낮은 상태라 태양광 수소 전환 효율을 향상시켜야하는 것이 과제로 남아있다.

최근 유기반도체를 접합해 태양광으로 높은 효율과 안정성의 그린수소를 생산할 수 있는 광전극이 개발돼 주목받고 있다.

UNIST 에너지화학공학과 장지현 교수팀은 독일 FAU 에를랑겐 유체역학 연구소 부산지사 (LSTME Busan) 안효진 박사팀, 동서대학교 이정훈 교수팀과의 공동연구를 통해 기존의 무기 반도체를 기반으로 한 광전극의 중간층으로 유기반도체를 활용해 성능과 안정성이 우수한 광전극을 개발했다.

태양광을 활용한 그린수소 생산시스템은 태양 에너지를 흡수한 반도체에 생성되는 전하들을 통해 물을 분해해 수소를 생산하는 시스템이다. 이 시스템은 주로 무기 반도체를 활용한 광전극을 통해 연구됐다. 유기반도체의 경우 다른 무기 반도체 소재들과 비교해 저렴하고 다양한 공정법이 가능해 대규모 및 대면적 생산이 쉽다. 또한 높은 태양광 에너지 변환 효율 덕분에 수소 생산 효율도 높다는 장점을 가진다. 하지만 물속에서 쉽게 손상된다는 문제점으로 광전극에 활용되는데 한계가 있었다.

먼저 연구팀은 유기반도체를 물속에서 안정적으로 사용하기 위해 기존 광전극으로 활용되던 산화철 광전극 표면에 유기반도체를 코팅했다. 코팅된 유기반도체의 표면에 다시 한번 촉매(니켈·철 이중 층 수산화물)를 코팅시켜 유기반도체가 물과 직접 접촉하는 것을 방지했다. 이러한 방법을 통해 태양에너지를 흡수해 생성된 전하들이 수소생산반응을 도울 수 있는 역할을 할 수 있도록 광전극을 제조했다.

연구팀이 개발한 광전극은 기존 산화철 표면에 유기반도체를 코팅하는 것만으로도 기존 수소 생산 시스템 대비 2배의 효율을 보였으며, 이중 코팅으로 물과 접촉을 방지해 뛰어난 안정성까지 확인됐다.

유기 반도체를 광전극의 중간층으로 활용하기위한 전극제조 모식도 (상단). 실제 중간층으로 형성되어있는 투과전자현미경 이미지(좌측 하단). 무기 반도체 (산화철)에서부터 물분해촉매까지 전하이동을 도와주는 유기 반도체의 메커니즘 모식도 (우측 하단).

장지현 에너지화학공학과 교수는 “유기반도체를 활용하는 광전극의 이슈인 안정성 문제를 극복하여 유기반도체를 보다 더 적극적으로 수소생산을 위한 광전극에 적용할 수 있는 가능성을 확인했다”며 “이를 통해 기존 무기 반도체 위주의 광전극에서 보인 한계를 극복하며 태양에너지를 통한 그린수소 생산기술의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 수 있을 것이다”고 설명했다.

이번 연구성과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 에너지 분야의 국제학술지인 ‘ACS 에너지 레터(ACS energy letters)’ 5월 12일자 온라인 공개됐으며 연구의 우수성을 인정받아 추가 표지논문으로 선정돼 6월 9일 출판됐다. 주저자로는 안효진 박사(LSTME Busan)와 윤기용 박사 후 연구원(UNIST)이 참여했다.

이번 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 ‘중견연구자 지원 사업’과 ‘온사이트 수소충전소를 위한 광전기화학 수소생산기술 및 시스템 개발 사업’의 지원으로 수행됐다. 논문명은 Utilizing a siloxane-modified organic semiconductor for photoelectrochemical water splitting이다. 

□연구 개요

1. 연구배경

태양광 수소전환을 위한 광전극은 광전극이 직접 물에 들어가 물을 분해해 주어야 하기 때문에 이러한 이유로 상대적으로 물속에서도 안정적인 무기 반도체들을 광전극으로 만들어 태양광 수소전환에 대한 연구가 주로 이루어져왔다. 그러나 무기 반도체들의 경우 무기 반도체들의 가지고 있는 고유의 낮은 전기전도도 및 태양광 수소전환 효율을 향상시키기위한 반도체 자체의 태양광 에너지를 흡수하는 범위등을 제어하는 것이 매우 까다롭다는 단점이 있다.

반면, 유기 반도체의 경우 무기 반도체에 비해 비교적 이러한 반도체 고유의 특성들을 조절하기 쉬우며 제조하는 공정도 다양하여 대면적 생산에도 용이하다는 장점이 있지만 물속에서 쉽게 손상된다는 치명적인 단점으로 인해 유기 반도체를 태양광 수소전환을 위한 광전극으로 활용하는데 있어 큰 걸림돌로 작용한다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 유기 반도체를 광전극으로써 안정적으로 사용하기위한 광전극을 디자인하였다. 기존의 유기반도체가 물에 들어갔을 때 손상되는 문제점을 해결함과 동시에 광전극의 태양광 수소전환효율을 향상시키는 것을 목표로 삼았다.

연구팀은 기존 무기 반도체로 활용되던 산화철 광전극을 제조한뒤 산화철 표면에 유기반도체를 코팅해주었고, 다시 유기반도체 표면에 물 분해 반응에 필요한 촉매들을 균일하게 코팅해줌으로써, 유기 반도체가 물에 직접 접촉하는 것을 방지하면서 장시간 안정적이면서 기존의 산화철 전극보다 2배 효율이 향상되는 전극제조 기술을 확보했다.

대부분의 유기 반도체의 활용법은 유기 반도체가 물속에서도 안정하게 유지할 수 있도록 만드는 것을 목표로 하였지만 이번 연구에서는 근본적으로 유기 반도체가 물에 접촉하는 것을 막아줌과 동시에 무기 반도체인 산화철과 물 분해 촉매사이에 중간층으로 유기반도체를 활용하면서 태양에너지로부터 발생된 전하들의 흐름을 더 원활하게 만들어 주는 역할을 할 수 있었다.

제안한 광전극 디자인에서 태양광 수소전환 효율은 기존의 산화철로 이루어진 광전극에 비해 효율이 2배 증가하였으며 65시간까지의 효율감소 없이 지속적으로 사용 가능한 것을 확인하였다.

3. 기대효과

본 연구팀이 제안한 ‘유기 반도체를 무기반도체와 물 분해 촉매층 사이의 중간층으로 활용’으로 기존의 광전극에 비해 태양광 수소전환 효율을 2배까지 향상시키는데 성공했다.

유기 반도체들의 장기간 안정적인 광전극으로써의 활용은 기존의 태양광 수소전환 연구에 수소전환 효율 한계를 극복하며 그린수소생산에 대한 상업화를 앞당길 하나의 기술이 될 수 있으며, 다양한 유기반도체들과 무기반도체들의 하이브리드 시스템에 적용 가능할 것으로 기대된다.

□용 어 설 명

1. 유기 반도체 (Organic semiconductor)

탄소와 수소 원자 혹은 질소, 황 및 산소와 같은 헤테로 원자로 이루어진 파이 결합 분자 또는 중합체에 의해 만들어진 반도체 물질이다. 기존의 실리콘과 같은 대표적인 무기반도체에 비해 구부러지거나 휘어질수도 있고 쉽게 반도체 물성을 조절할 수 있어 디스플레이, 태양전지, FET(field-effect transistor), 태양광을 통한 수소생산 광전극등 많은 분야에 적용하기 위한 연구가 이루어지고 있다.

ACS Energy Letters 추가표지논문 선정(supplementary cover)

2. 무기 반도체 (Inorganic semiconductor)

실리콘, 갈륨과 같은 비탄소 물질로 만들어진 반도체 물질이다. 무기 반도체는 전기적 특성이 낮기 때문에 전기적 특성을 향상 시키기위해 주로 높은 온도 (섭씨 수백도 이상)에서 특수한 불순물을 주입되어지기도 한다.

3. 그린수소 (Green hydrogen)

물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 태양광 또는 풍력 같은 신재생에너지를 통해 물을 분해하여 얻은 수소를 그린수소라고 한다. 그린수소의 경우 수소를 생산할 때 어떠한 환경오염도 없으며 수소가 에너지로 사용된 후 다시 물로 돌아오기 때문에 가장 이상적인 수소 에너지 활용 시스템으로도 불린다.

4. 산화철 (Iron oxide)

철과 산소의 화합물로 광전극에는 주로 헤머타이트(hematite)라 불리는 α-Fe2O3구조의 물질이 주로 활용되어 진다. 산화철은 이미 산화가 된 상태이기 때문에 물속에서 매우 안정적이며 태양 에너지를 많이 흡수 할 수 있어 태양광을 통한 수소생산의 광전극에 많이 활용되어지고 있다.

UNIST 홍보실 제공