“카드뮴 중금 없는” 친환경 양자점 소자…태양광 수소시대 연다

- DGIST-포항가속기연구소 공동 연구성과

이번 연구를 수행한 공동연구진. 양지웅(왼쪽부터) DGIST교수, 인수일 DGIST 교수, 김기욱·김화평 석박사통합과정생, 이효철 석사, 포항가속기연구소 안형주 박사.[DGIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 양지웅·인수일 교수 연구팀이 포항가속기연구소 안형주 박사팀과 공동연구를 통해 인체에 무해한 친환경 삼원계 양자점의 합성 원리를 밝혀내고, 이를 활용한 태양광 기반 고효율 수소 생산 기술을 개발했다.

연구팀은 중금속을 포함하지 않은 삼원계 반도체 소재인 ‘황화구리인듐(CuInS₂)’ 양자점의 합성 메커니즘을 세계 최초로 규명하고, 이 메커니즘을 정밀하게 제어해 태양광을 통해 수소를 생산하는 광전기화학 소자를 구현했다. 특히 해당 양자점 기반 소자는 현재까지 보고된 친환경 양자점 시스템 중 세계 최고 수준의 수소 생산 활성을 기록해 큰 주목을 받고 있다.

양자점(Quantum Dot)은 수 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 초미세 반도체 입자로, 빛을 흡수하거나 방출하는 능력이 뛰어나 디스플레이, 태양전지, 광센서, 수소 생산 기술 등에 활용되는 핵심 소재다. 그러나 기존 양자점은 카드뮴, 납 등 중금속을 포함한 경우가 많아 인체 및 환경에 해로운 단점이 있었다.

황화구리인듐 양자점의 생성 메커니즘 개략도.[DGIST 제공]

연구팀이 주목한 ‘황화구리인듐’ 삼원계 양자점은 중금속이 없어 인체와 환경에 안전하지만, 세 가지 원소가 동시에 반응하는 복잡한 구조 특성상 합성 과정 제어가 매우 어려운 한계가 있었다. 이에 연구팀은 실시간 X선 산란 분석 등 첨단 분석 기법을 활용해 양자점이 생성되는 정확한 과정을 규명하는 데 성공했다.

이를 통해 양자점의 크기와 구조를 정밀하게 제어하는 합성법을 제시했고, 해당 양자점을 기반으로 태양광을 이용해 물에서 수소를 분리해내는 고효율 소자를 구현해 미래 수소에너지 기술의 핵심 후보로 주목받고 있다.

양지웅 교수는 “양자점의 합성 메커니즘을 바탕으로 우수한 특성의 친환경 양자점을 합성할 수 있다는 가능성을 입증한 의미 있는 성과”라며 “향후 수소 생산뿐만 아니라 디스플레이, 광센서, 태양전지 등 다양한 반도체 광전소자 분야로 기술이 확장될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐다.