이재성 포항공과대학교 교수팀이 태양빛을 이용해 수소 생산 효율을 획기적으로 높이는 기술을 개발했다. 현재 수소는 천연가스 · 석유 · 석탄과 같은 화석연료에 열을 가하거나, 물을 전기 분해하는 방법으로 제조한다. 그러나 전자는 화석연료 자원은 한정돼 있는 데 다 생산 과정에서 CO2를 많이 배출하기에 미래 청정에너지인 수소의 제조 방법으로 부적합하다. 또한, 후자는 전기의 생산 단가가 높아 대규모 실용화 기술로 부적합하다. 이에 따라 현재 활발하게 연구하는 분야가 햇빛을 받으면 전기를발생시키는광촉매 전극을 이용해 직접 물을 분해해 수소를 대량 생산하는 기술이다.
광촉매 전극으로 직접 물을 분해해 수소를 대량 생산하는 기술은 지구상에 무궁무진한 태양에너지와 물로부터 수소 에너지를 제조하므로, 비용이 적게 들고 생산 과정에서 환경오염 물질이 발생하지 않는다는 점에서'꿈의 기술'로 불린다. 그러나 태양 에너지를 수소로 전환할 때 효율이 10%정도여야 경제성이 있는데, 현재 세계적으로 3%대에 지나지 않는다. 이재성 포항공과대학교 교수팀은 서로 다른 반도체를 접합해 광전극을 만드는 기술과 광전극 표면을 다수의 나노 막대로 조립하는 기술을 개발해 광전자의 손실을 줄여 수소 생산 효율을 4%로 높였다. 연구팀은 산화 텅스텐 광전극(반도체) 위에 얇은 층의 비스무스 바나데이트((BiVO4 ; 반도체)를 적층해 기존 산화 텅스텐만으로 만든 광전극에 비해 빛의 흡수를 늘리면서 광전자 손실을 줄였다. 다공성 막을 나노 틀로 삼아 광전극 표면에 광촉매 물질인 페롭스카이트 화합물을 나노 막대 형태로 조립한 결과, 나노 구조에 의해 광전자 손실이 효과적으로 줄어드는 것을 확인했다. 이 교수는 "에너지 효율을 4%대로 향상한 새로운 핵심 기반 기술 개발에 의미가 있다"면서, "지금과 같은 속도로 연구를 지속한다면, 신재생에너지로부터 양질의 수소를 경제적으로 대량 생산하는 태양연료 기술을 2020년 실용화할 수 있다"라고 말했다. 연구 성과인 이종 접합 광전극 제조 기술은 에너지 환경 분야 학술지(IF=9.5)인 영국의《Energy and Environment Science》에, 나노 막대 광전극 개발은 재료 분야 학술지(IF=10.9)인《Advanced Materials》에 개재됐다.
친환경적으로 수소 경제 앞당겨 햇빛으로 물을 분해해 수소를 대량 생산하는 기술은 비용이 적게 들며, 수소의 질이 뛰어나다. 또한, 광촉매를 전극 형태로 제조한 광전극은 이를 위한 물질의 선택 폭이 넓으며, 수소의 생산 효율을 획기적으로 늘린다. 10여 년 전부터 세계 다양한 연구실에서 끊임없이 연구해 온 이유다. 이재성 포항공대교수팀은 이종 접합(Heterojunction) 광전극 제조기술과 나노 막대 형태의 광전극을 제조하는 요소 기술 개발을 통해 기존 광전극에 비해 약 74% 그리고 4배의 수소 생산 효율을 보이는 광전극 개발에 성공한 것이다. 먼저, 이종 접합 광전극 제조 기술이란, 두 종류의 반도체 중 한 물질은 햇빛의 흡수량을 늘리고, 다른 한 물질은 햇빛의 흡수량을 통해 만든 광전자의 손실을 줄이는 것이다. 즉, 두 가지 반도체 물질의 장점을 살리고 단점을 보완하는 방법이다. 연구팀은 산화 텅스텐 광전극 위에 얇은 층의 비스무스 바나데이트를 적층해 광전자의 손실을 크게 줄였다. 이렇게 개발한 이종 접합 광전극이 단일 반도체를 사용하는 산화 텅스텐 광전극에 비해 더 많은 태양광을 사용할 뿐만아니라 수소 생산 효율도 74% 높았다.
다음으로 태양광에서 수소를 생산하는 태양 연료 개발 요소 기술인 나노 막대 형태의 광전극을 개발해 수소 생산 효율을 크게 늘렸다. 기존 광전극은 나노 막대와 같은 1차원 구조의 나노 물질로 전극을 만들 경우 효율은 높았으나, 그 과정에서 900도 이상 고온에서 합성되는 페로브스카이트Perovskite 광촉매 물질로부터 나노 구조를 제작하는 일은 쉽지 않았다. 연구팀은 다공성 산화 알루미나 막을 나노 구조를 만드는 틀로 삼아, 그 기공 안에서 광촉매 막대를 성장시키는 방법으로 페로브스카이트 나노막대 광전극을 만드는 데 성공했다. 이렇게 제작한 나노 막대 광전극은 기존 나노 구조를 갖추지 못한 전극에 비해 성능이 4배 정도 좋았다. 주사 전자 현미경 등을 이용한 나노 구조 분석에서 다공성 산화 알루미나 막을 틀로 삼아 만든 광전극은 고온에서도 나노 막대 구조를 유지했으며, 이 구조는 햇빛을 받아 만든 광전자의 손실을 효과적으로 줄였다. 이종 접합 광전극 제조 기술과 나노 막대 광전극 제조 기술은 모두 고효율 광전극을 만들기 위한 요소 기술로, 이를 발판으로 한 응용 기술 개발과 실용화를 향한 더 높은 효율의 광전극 개발이 꾸준히 이어질 것으로 보인다.
【Tip】용어 따라 잡기 — · 광촉매(Photocatalysts) | 햇빛을 받아 물을 분해해 수소와 산소를 만드는 반도체 물질. · 광전자 | 반도체 물질이 빛을 받으면 가전대(Valence Band)에 있는 전자가 전도대(Conduction Band)로 여기돼 광전자를 형성. · 정공(Hole) | 전자가 여기된 가전대의 빈자리로 양전기를 띰. · 페로프스카이트 | ABO3를 기본 단위로 하는 결정 구조의 하나. 칼슘티타늄산화물(CaTiO3)과 같은 결정 구조를 갖는 물질을 통상 ABO3 형태의 페로프스카이트라 함.
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