UNIST, 세계 최고 효율 광전극 실증

생산 비용도 낮춰…기술 상용화 기대

(좌측부터) 김진영·이재성·임한권 교수, 김재형·이연정 연구원, 다르미쉬 한소라 박사, 문종아 연구원. [UNIST 제공]
(좌측부터) 김진영·이재성·임한권 교수, 김재형·이연정 연구원, 다르미쉬 한소라 박사, 문종아 연구원. [UNIST 제공]

[헤럴드경제(울산)=박동순 기자] 외부 전기 공급 없이 햇빛만으로 물에서 수소를 만드는 유기 광전극이 개발돼 차세대 그린수소 생산기술 상용화가 크게 기대되고 있다.

UNIST 탄소중립대학원 김진영 교수와 에너지화학공학과 이재성·임한권 교수팀은 빛을 흡수하는 유기 반도체층을 두 겹으로 쌓아 외부에서 별도로 전압을 가하지 않아도 수소를 생산하는 ‘탠덤 광전극’을 개발했다고 26일 밝혔다.

빛에너지를 이용해 전자를 움직이게 하는 광전극을 활용한 태양광 물 분해 기술은 수소 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는 ‘그린수소’를 생산하는 기술로 주목받고 있다. 광전극 내부 반도체가 빛을 흡수하면 전자가 촉매로 이동해 수소 발생 반응을 일으키는 원리다.

지금까지 유기 반도체를 쓰는 광전극은 흡수층 하나에서 얻는 전압만으로는 물을 수소와 산소로 분해하기 어려워 외부 전원이 필요했다.

이에 따라 연구팀은 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 반도체 층을 두 겹으로 쌓아 물 분해에 필요한 전압을 확보하면서 두 층에서 생긴 전압 손실이 발생하지 않도록 산화몰리브덴과 유기 분자 ‘2PACz’를 결합한 소재를 개발해 연결했다. 이 신소재는 습기를 흡수하지 않고 전하 이동을 도와 산성을 일으키는 기존 소재의 단점을 보완했다.

전유기(All-Organic) 탠덤 광음극의 작동 원리 모식도. 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 유기 반도체층 두 개를 쌓고, 두 층 사이의 연결층(Interconnecting Layer)을 통해 각각에서 생긴 전압을 통해 수소와 산소를 분해하는 모습을 보여주고 있다.
전유기(All-Organic) 탠덤 광음극의 작동 원리 모식도. 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 유기 반도체층 두 개를 쌓고, 두 층 사이의 연결층(Interconnecting Layer)을 통해 각각에서 생긴 전압을 통해 수소와 산소를 분해하는 모습을 보여주고 있다.

실험에서 0.56㎠ 크기 광전극은 외부 전원 없이 물을 분해하며 유기 반도체 기반 광음극 가운데 가장 높은 효율인 태양광 수소 전환 효율 7.9%를 기록했다. 안정성 실험에서는 개발된 광전극이 10시간 뒤에도 초기 광전류의 86%를 유지해 기존의 36%보다 훨씬 높은 효율을 보였다. 또 산소 발생 전극에 귀금속 대신 니켈·철·코발트로 만든 촉매를 적용함으로써 경제성도 높였다.

전 공정 경제성 평가(TEA) 결과, 현재 확보한 효율로 하루 10톤의 수소를 생산하는 설비를 가정했을 때 수소 1㎏당 생산 비용은 9.26달러로 추산됐지만, 향후 전환 효율을 이론적 한계 수준인 16%로 높이고 하루 생산량을 30톤으로 늘리면 수소 1㎏당 생산 비용을 4.26달러까지 낮출 수 있는 것으로 분석됐다.

김진영 교수는 “이번 연구는 유기 반도체를 쌓은 전극에서 성능을 떨어뜨리던 연결층의 불안정성과 부식 문제를 해결한 것으로, 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 김재형·이연정·문종아 연구원, 다르메쉬 한소라 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 환경·에너지 촉매 분야의 세계적 권위지인 ‘어플라이드 카탈리시스 B(Applied Catalysis B: Environment and Energy)’에 지난달 6일 온라인 공개됐다.


cityblue@heraldcorp.com