대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 최종민 에너지공학과 교수 연구팀이 김영훈 국민대 화학과 교수 연구팀과 공동으로, 물 기반의 저전압 공정을 활용해 태양광으로 수소를 생산하는 고효율 광전극을 개발했다고 16일 밝혔다.
청정에너지인 수소를 태양광으로 만들어내는 기술에는 주로 이산화티타늄(TiO2) 소재가 쓰인다. 안정성이 높지만 자외선만 흡수할 수 있어 효율이 낮다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 넓은 빛을 흡수하는 은·비스무트계 나노소재를 함께 결합하는 연구가 진행되어 왔으나, 기존 방식은 이 소재들을 전극에 붙이기 위해 200볼트(V) 이상의 높은 전압과 독성이 있는 유기 용매를 사용해야 해 '친환경 수소 생산'이라는 본래의 취지에 어긋나는 문제가 있었다.
연구팀은 나노결정 표면의 분자를 물과 잘 섞이는 '친수성 분자'로 교체한 뒤, 물(수용액) 속에서 미세한 전기를 가해 입자를 전극에 달라붙게 하는 '수계 전기영동증착' 공정을 새롭게 적용해 이 문제를 완벽히 해결했다.
그 결과, 기존 200V에 달하던 공정 전압을 건전지 수준인 단 4V로 획기적으로 낮췄다. 또, 독성 유기 용매 없이 안전한 수용액 상태에서 단 3분 만에 전극에 소재를 입히는 데 성공, 고전압 환경에서 발생하던 표면 손상과 불순물(산화 부산물) 형성 문제까지 해결했다.
이렇게 개발된 새로운 광전극은 기존 단일 소재 전극보다 빛에 의해 발생하는 광전류가 약 10배 이상 대폭 향상됐다. 태양광과 유사한 환경에서 실험한 결과, 제곱센티미터당 3.0밀리암페어(mA/cm²)의 우수한 광전류 밀도를 기록했다. 또, 2시간 동안 연속으로 빛을 쪼인 후에도 초기 성능의 65.1%를 안정적으로 유지했으며, 기체 분석을 통해 수소가 정상적으로 발생함을 확인했다.
이번 성과는 유해 물질인 납이나 카드뮴을 철저히 배제한 소재를 사용하고, 증착 단계에서의 유기 용매 사용과 고전압 의존도를 대폭 줄였다는 점에서 '친환경 그린 수소' 생산에 도움이 될 전망이다. 그외 제조공정의 효율화와 현장 작업자의 안전성 확보는 물론, 타 산업으로의 기술 확장에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
최종민 교수는 “이번 연구는 고전압과 유독성 용매에 의존하던 기존 공정의 한계를 벗어나, 안전하고 깨끗한 물 기반의 저전압 공정으로 높은 수소 생산 효율을 달성한 것에 큰 의미가 있다”며 “향후 친환경 수소 생산 기술의 실용화를 앞당기는 중요한 밑거름이 될 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 '나노·소재기술개발사업' 및 과기정통부 '이노코어 사업'의 지원을 받아 수행됐다. DGIST 박진영 박사와 김해정 박사과정생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 저명 학술지인 '스몰(Small)'에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
