GIST 이상한 교수팀, 고품질 단결정 광전극 형성법 개발 “친환경 수소에너지 생산 효율화 기대” 박은성 기자 pes@kjdaily.com

2017년 09월 05일(화) 20:00

“친환경 에너지 생산 기술 분야에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대됩니다.”

이 지역 대학 연구팀이 친환경 수소 에너지를 더 효율적으로 생산할 수 있는 새로운 고품질 단결정 광전극 형성법을 최초로 개발해 주목을 끌고 있다.

주인공은 GIST(광주과학기술원) 신소재공학부 이상한 교수팀.

5일 GIST에 따르면 이 교수팀이 태양광을 이용한 물 분해시 수 나노미터(nm) 두께의 기능성 삽입층을 이용하면 아주 쉽게 고품질의 단결정 광전극을 형성할 수 있는 기술을 개발했다.

태양광을 흡수해 전자와 정공을 발생시키는 물질로 만들어진 광전극은 전자와 정공과 반응해 친환경 재생 가능한 수소에너지로 전환된다.

광전극 대표적인 물질은 비스무스 바나데이트(BiVO4)인데, 현재까지 이 물질을 구동가능한 고품질의 단결정 광전극형태로 제작한 사례가 없다. 여기에다 광효율에 직·간접적으로 영향을 줄 수 있는 물리적 요소들인 결정면 및 결함(defect)에 따른 비스무스 바나데이트의 광 활성 거동에 대한 근본적인 이해가 부족한 실정이다.

이에 연구팀은 수 나노미터(nm) 두께의 나노박막 삽입층만으로도 고품질의 단결정 비스무스 바나데이트 광전극을 성장할 수 있음을 밝혀냈다. 또 산화텅스텐(WO3)을 삽입층으로 했을 때, 격자 부정합의 감소로 인해 비스무스 바나데이트 광전극이 고품질의 단결정으로 성장한 사실도 규명했다. 산화텅스텐 삽입은 첫째로 산화텅스텐이 비스무스 바나데이트에 비해 낮은 에너지 레벨로 인한 전하수송층으로의 역할을 수행한다는 점과 광 전류 밀도가 10배 이상 향상된다는 성과도 얻었다.

광 전류 밀도가 높다는 것은 태양광으로부터 받은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율이 크다고 말할 수 있다. 이렇게 발생된 전기 에너지가 물을 분해해 수소를 만들어 낼 수 있다. 즉, 단순히 수 나노미터 두께의 산화텅스텐 삽입을 통해 고품질의 단결정 비스무스 바나데이트 광전극이 형성됨과 동시에 결과적으로 고효율의 수소 생산을 가능하게 했다고 연구팀은 설명했다.

이상한 교수는 “이번 연구를 통해 수 나노미터의 두께의 삽입층을 이용하면 고품질의 단결정 비스무스 바나데이트 광전극이 형성될 수 있음이 밝혀졌다”면서 “연구 결과를 통해 추후 결정면에 따른 비스무스 바나데이트의 광 활성 거동에 대한 근본적인 이해도 가능하리라 예상된다”고 밝혔다.

한편, GIST 기후변화대응기술 개발과제의 지원으로 수행된 이번 연구는 이 교수가 주도하고 송재선 박사과정과 차재성 석사과정(공동 제1저자)이 참여했으며, 연구 결과는 에너지소재 분야의 세계적 학술지인 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이’에 최근 온라인으로 게재됐다.

/박은성 기자 pes@kjdaily.com