이상한 GIST 교수팀, 95% 이상 성능 30시간 이상 유지·5.3% 효율 기록
반도체 기반 광전극 안정성 극복·친환경 수소 대량 생산 실용화 기여
국내 연구진이 저렴하고 효율적인 유기 반도체 기반 광전극을 활용해 장시간·대량 수소 생산이 가능한 대면적 모듈 시스템을 개발했다. 그린수소 생산 기술 효율성 향상과 안정성 개선에 기여할 것으로 기대된다.
광주과학기술원(GIST)은 이상한 신소재공학부 교수팀이 태양에너지로부터 다량의 수소 생산이 가능한 유기 반도체 광전극 기반 모듈 시스템을 개발했다고 29일 밝혔다.
유기 반도체는 다른 반도체 소재와 비교해 비교적 저렴하고 다양한 공정 방법을 갖고 있다. 대규모·대면적 생산에 쉽고 에너지 전환 효율이 높아 유망한 광전극 소재로 꼽힌다. 하지만 유기 물질 자체가 수분에 취약해 광전기화학 물 분해를 통한 수소 생산 실용화를 위해 유기 반도체 성능의 큰 저하 없이 장시간 구동하도록 하는 기술개발이 시급하다.
이 교수팀은 광전극 내에 수분이 침투되는 것을 막아 유기 반도체가 장시간 구동할 수 있도록 하는 금속 캡슐화 기술을 적용, 지금까지 보고된 유기 반도체 광음극 가운데 가장 높은 안정성을 유지하는 데 성공했다.
금속 캡슐화는 유기 반도체와 같이 수분에 취약한 물질을 밀봉해 물질의 안정성을 보장하는 기술이다. 밀봉하려는 물질을 액체 금속인 인듐-갈륨 합금과 금속 포일(보호층)을 이용해 외부 수분 침투를 완전히 차단한다. 기존 연구에서 유기 금속 할로겐화물 페로브스카이트 기반 광음극에 도입해 우수한 성능을 기록한 바 있다.
연구팀의 유기 반도체 광음극은 초기와 비교해 95% 이상의 성능을 30시간 이상 유지해 기존 연구보다 최소 20시간 이상 향상된 안정성을 보였다. 기존 연구의 최고 효율인 4.3%보다 높은 5.3% 효율과 광전류를 나타냈다.
연구팀은 유기 반도체 광음극을 연결한 광전극 모듈 시스템을 개발, 실제 태양광 아래에서 구동한 결과 실험실 단위에서 벗어나 실제 환경에서 대면적 유기 반도체 광음극 기반 모듈 시스템 수소 생산 가능성과 확인했다.
이상한 교수는 “반도체 기반 광전극 이슈인 안정성 문제를 극복했으며 이를 기반으로 제작한 대면적의 광전기화학 모듈 시스템은 친환경 수소 대량 생산 기술의 실용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.
이 교수가 주도하고 서세훈 미국 로렌스 버클리 국립 연구소 박사, 이종훈 미국 일리노이 대학교 어바나-샴페인 박사, 김예준 GIST 석사·박사통합과정생이 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 미래 수소 원천기술개발 사업, 중견 연구자 사업 및 GIST-MIT 공동연구 사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다. 에너지 분야 상위 7% 논문인 '재료화학 저널 A' 표지 논문으로 선정돼 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
