태양광 수소 생산 성능 기존 대비 1.6배 개선…상용화 위한 채산성 "잡힐 듯 말듯"

태양광 수소 생산 성능을 기존 대비 1.6배 개선할 수 있는 초박막 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 태양광 수소 생산이 가능한 채산성 확보는 아니어도, 기존대비 2~3배 정도 성능을 개선했다.

UNIST는 신소재공학과 조한희 교수 연구팀이 태양광 수소 생산 효율을 획기적으로 개선한 나프탈이미드계 자기조립분자 박막을 개발했다고 8일 밝혔다.

태양광 수소 생산은 물속에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼여 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 광전극(photoanode) 내부의 반도체가 빛을 흡수하면 전자가 생기는데, 이 전자가 기판으로 이동해 물이 수소와 산소로 분해되는 화학반응을 일으킨다.

획기적인 태양광 수소생산 기술을 개발한 UNIST 연구진. 왼쪽부터 조한희 교수(교신저자), 이의민, 이동현 연구원(이상 제1저자).

이번에 개발한 자가조립박막은 유기반도체와 기판 사이에서 전자를 전달해 주는 역할을 한다. 기존에는 이 역할을 두께가 두껍고 전하 전달 성능이 떨어지는 금속산화물층이 맡아왔다.

연구팀은 이 물질을 광전극에 적용했을 때, 7.97 mA/cm² 전류 밀도를 기록했다고 밝혔다. 이는 벌크 유기반도체(BHJ)를 기반으로 하는 광전극 중에서 가장 뛰어난 전류 밀도 성능이다. 광전극의 전류 밀도 성능이 뛰어날수록 수소가 반대쪽 전극에서 빠르게 생산된다.

또 이 물질은 금속산화물층과 달리 분자끼리 알아서 조립돼 박막을 형성하기 때문에 제작 공정 비용도 줄일 수 있다.

조한희 교수는 "기존 유기물 반도체 대비 160%정도 성능 개선이 이루어졌다, 기존에는 유기물 반도체 전류밀도가 2~3mA/cm² 정도였다"며 "상용화를 위해선 전류 밀도가 15.0mA/cm² 정도 나와야 하는데, 추가 연구가 이루어지면 이 지점에 도달하는 기간이 크게 단축될 것"으로 예측했다.

현재 연구팀은 이 기술을 특허 출원한 상태다.

연구팀은 박막을 이루는 분자를 ‘푸쉬-풀(push–pull) 구조’로 설계해 이 같은 물질을 개발했다. 푸쉬-풀은 한 분자 안에 전자를 밀어내는 부분과 당기는 부분이 공존하는 구조로, 이 구조의 분자들은 힘을 합쳐 강한 전기장을 형성할 수 있다.

형성된 전기장은 에너지 장벽을 낮추는 역할을 해, 전자가 자기조립분자박막을 뚫고 이동하는 ‘전자 터널링’ 현상이 활성화되는 원리다.

박막을 구성하는 SAM 단분자와 광전극 구조. 그림 a는 분자 하나에서 전자를 밀고 당기는 부분이 공존하는 푸시-풀 구조, b는 4종류의 단분자 구조도, c는 전자 추출 원리 설명도.(그림=UNIST)

조한희 교수는 “유기 반도체 기반 광전극은 가격이 저렴하고 대면적 제조가 가능하다는 장점이 있다”며 “이번에 개발된 자기조립분자막은 이러한 유기 광전극 기반 태양광 수소 생산 기술의 상용화 가능성을 크게 높인 물질이다. 전자 추출이 중요한 태양광전지, 발광다이오드, 광학 센서 소자 드에도 폭넓게 적용 가능하다"고 설명했다.