양자점 이용 ‘태양광수소 생산법’ 개발

DGIST·단국대 공동연구팀

이번 연구를 수행한 DGIST 연구팀 [DGIST 제공]

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 양지웅, 인수일 교수 연구팀이 단국대학교 김재엽 교수와 함께 세계 최고 수준의 광수소 생산법을 개발했다. 이 기술은 친환경 양자점의 물질적 성질을 자유롭게 제어하여 광전기화학 소자에 적용, 이를 통해 효과적으로 태양광 수소를 생산하는 방법이다.

최근 탄소중립 달성을 위해 태양에너지와 전기에너지를 활용해 물을 분해하는 친환경적 수소 생산 방식인 ‘광전기화학적 수소 생산’에 대한 연구가 많은 주목을 받고 있다. 전기분해와 더불어 태양광 에너지까지 활용하기에 매우 높은 효율성을 기대하고 있지만, 아직 실험적으로는 높은 효율이 구현되지 못하고 있기에, 생산 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

기존에는 광전기화학적으로 수소를 생산하기 위해 주로 수계 환경에서 안정성이 높은 산화물 반도체를 이용해 물을 분해했다. 산화물 반도체는 안정성이 높지만, 수소 생산 효율이 굉장히 낮다는 한계점이 존재한다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 구리(Cu), 인듐(In), 셀레듐(Se)으로 구성된 친환경 CuInSe2 반도체 양자점을 이용해 태양광 흡수율을 극대화한 광전극을 제작하고, 광전기화학적 수소 생산에 활용했다.

연구팀이 개발한 기술을 이용해 합성된 양자점은 대략 4 나노미터의 크기로 균일하게 유지됐고, 가시광선 및 근적외선을 효과적으로 흡수할 뿐만 아니라, 구리(Cu)의 빈자리 결함구조를 제어하여 자체 도핑 효과를 통해 전하 농도, 전도도, 전하 재결합 속도 등 반도체 물성을 향상 시킬 수 있었다.

그리고 합성된 친환경 양자점을 광전기화학 소자에 적용 시 모든 영역의 태양광 에너지를 효과적으로 활용해 효과적으로 수소를 생산할 수 있었다. 특히 최적화된 결함 농도를 지니는 양자점을 활용할 때 순수한 이산화 타이타늄(TiO2) 광전극 대비 20배 가량 증대된 광전류 밀도를 나타내며 수소를 생산했는데, 이는 친환경 양자점을 활용한 연구 중 세계 최고 수준의 성능이다.

양지웅 교수는 “새롭게 개발한 친환경 기술로 양자점 물성을 대폭 향상하게 됐는데, 특히 세계 최고 수준의 태양광 수소 생산 성능을 보인 결과도 나타나 매우 기쁘다”고 말했다.

인수일 교수는 “이번 연구를 통해 친환경 양자점 반도체 기술이 기존 디스플레이뿐만 아니라 환경 및 에너지 문제 해결에도 광범위하게 적용될 것으로 기대한다”고 전했다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 에너지·환경분야 국제학술지 ‘카본 에너지’에 게재됐다.

구본혁 기자

nbgkoo@heraldcorp.com