친환경 수소 생산 소자 만든 문주호 연세대 교수 이달의 과학기술인상

이달의 과학기술인상 1월 수상자

태양광을 수소로 변환하는 효율이 10%를 넘긴 태양광소자를 세계최초로 개발한 문주호 연세대 신소재공학과 교수가 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 선정됐다. 과기정통부 제공

태양광을 수소로 바꾸는 소자의 효율을 10%로 끌어올린 기술을 세계 최초로 개발해 국제 학계와 산업계의 주목을 받은 문주호 연세대 신소재공학과 교수가 이달의 과학기술인에 선정됐다. 

과학기술정보통신부는 5일 이달의 과학기술인상 1월 수상자로 문 교수를 선정했다고 밝혔다. 과기정통부는 “최근 2050년까지 탄소 배출량과 흡수량을 같게 하는 탄소중립을 실현할 친환경 미래 에너지로 수소가 주목받는 가운데 문 교수가 태양광소자 기술에 기반을 둔 그린 수소 생산 연구로 미래 에너지 개발에서 국가 경쟁력 강화에 이바지한 공로를 높이 평가했다”고 밝혔다.

수소는 친환경 에너지로 여겨지지만, 수소 생산과정 중 배출하는 탄소량은 생산방식에 따라 차이가 있다. 가령 화석연료로부터 수소를 생산하는 ‘그레이 수소’는 탄소 배출량이 가장 많으며, ‘블루 수소’도 화석연료로 수소를 생산하지만 탄소 포집·저장(CCS) 기술을 통해 탄소 배출량을 줄였다. 반면 그린 수소는 태양광을 에너지원으로 물을 분해해 수소를 생산하는 시스템으로, 이산화탄소 배출이 없어 궁극적인 친환경 수소라 불린다.

문 교수는 투과도 조절이 가능한 산화 알루미늄 구조체 기반의 반투명 태양전지를 활용해 수소를 생산하는 ‘태양전지-광전극 물분해 소자’를 세계 최초로 제안했다. 

기존의 태양광 수소 생산시스템은 고가의 반도체 물질과 복잡한 생산 공정으로 고비용 저효율의 어려움을 겪고 있다. 연구팀은 서로 다른 두 종류의 소자를 접합한 적층형 탠덤 소자를 개발해 저가 반도체로 저비용 고효율의 그린 수소 생산에 성공했다. 

이 소자의 상부 전극은 산화 알루미늄 구조체에 페로브스카이트 빛 흡수 물질을 채워 넣는 방식으로 제작됐다. 산화 알루미늄 구조체를 사용하면, 구조체의 기공 크기 제어를 통해 다양한 빛 흡수 물질을 이용해 적절한 투과도와 높은 효율을 동시에 갖는 상부 전극의 제작이 가능하다. 즉, 재료 고유의 물리적 특성과 무관하게 태양전지가 흡수할 수 있는 빛 파장대와 광량의 정밀한 조절이 용이해 흡수층 재료 선택 범위가 넓어진다.

하부 물분해 광전극의 경우 셀렌화안티몬(Sb2Se3)을 사용했다. 이를 통해 상부의 태양전지를 통과한 긴 파장의 빛을 효과적으로 분배하고 활용하면 높은 전류를 발생시킬 수 있다.

연구팀은 상하부 전극을 접합해 세계 최초로 10%가 넘는 태양광과 수소 변환 효율을 달성했다.  이 결과는 지난 2020년 11월 국제학술지 ‘에너지와 환경과학’에 게재했다.

문 교수는 “넓은 범위 파장의 태양광을 효율적으로 활용할 수 있도록 광전극 기반 소자를 개발해 세계 최고 수준의 태양광-수소 변환 효율을 달성했다”며 “이 연구가 태양광-수소 변환 소자의 새로운 패러다임이 되기를 바란다”고 밝혔다.

이달의 과학기술인상은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 이바지한 연구개발자를 격려하기 위해 제정됐다. 수상자는 과기정통부 장관상과 함께 상금 1000만 원을 받는다. 

[서동준 기자 bios@donga.com]