[인더스트리뉴스 최용구 기자] 국내 연구진이 태양광 흡수율을 극대화한 광전극을 통해 친환경 수소 생산의 새로운 가능성을 제시했다.
대구경북과학기술원(DGIST, 총장 국양) 양지웅 에너지공학과 교수팀과 DGIST 인수일 에너지공학과 교수, 단국대학교(총장 김수복) 김재엽 화학공학과 교수는 최근 에너지·환경분야 저널 ‘카본 에너지(Carbon Energy)’에 친환경 양자점 반도체 기술 관련 연구결과를 게재했다.
연구에선 반도체의 물리적 성질(이하 물성)과 관련된 양자점의 결함을 제어할 수 있는 방안이 논의됐다. 합성된 양자점을 광전기화학 소자에 적용시킬 경우 태양광에너지의 활용도를 높있 수 있다는 결과가 도출됐다.
연구진은 구리(Cu), 인듐(In), 셀레듐(Se)을 합성해 만든 ‘친환경 반도체 양자점(CuInSe₂)’으로 물성 제어의 어려움을 극복했다. 세가지 원소(구리, 인듐, 셀레듐)로 구성된 기존 삼원계 반도체는 양자점 수준에선 물성 제어가 어려운 것으로 알려져 있다.
합성 실험에선 여러 전구체에 대한 반응성 테스트가 진행됐다. 연구진은 결함제어, 물성 향상 등 조건을 고려해 최적의 양자점을 합성했다. 합성된 양자점은 4 나노미터 가량의 크기로 균일하게 유지됐으며 가시광선 및 근적외선을 효과적으로 흡수했다. 전하 농도, 전도도, 전하 재결합 속도 등 반도체 물성도 고루 향상시켰다.
합성된 친환경 양자점을 적용한 광전기화학 소자는 수소 생산의 효율성을 높였다. 연구진에 따르면 순수한 이산화 타이타늄(TiO₂) 광전극 대비 20배 가량 증대된 광전류 밀도(약 10.7 mA cm-2)를 나타내며 수소를 생산했다.
‘광전기화학적 수소 생산’은 차세대 청정에너지원으로 주목받는 기술이다. 태양광에너지와 전기에너지로 물을 분해시켜 청정 그린수소를 생산하는 원리다. 다만 아직은 높은 효율을 기대할 수 없다.
청정수소는 수소생태계에서 절대적인 상징성을 지닌다. 기존 정유화학 공정에서 생성되는 부생수소나 추출수소는 온실가스를 동반한 ‘그레이(Gray) 수소’에 속한다. 수소사회가 앞으로의 국가경쟁력으로 여겨지는 배경에 ‘저탄소성’이 있다는 것을 감안하면 그레이 수소는 방향이 다르다.
광전기화학적으로 수소를 생산하는 과정에선 주로 산화물 반도체를 이용해 물을 분해한다. 다만 산화물 반도체는 ‘밴드갭’이 넓어 수소 생산 효율이 굉장히 낮다.
밴드갭은 반도체, 절연체 등에서 가전자대와 전도대에 있는 전자상태 밀도가 ‘제로’로 되는 에너지 영역과 그 에너지 차를 일컫는다.
밴드갭이 넓어지면 태양광 에너지의 극히 일부 밖에 흡수할 수 없는 데, 산화물 반도체 중 하나인 이산화티타늄(TiO2)의 태양광 에너지 흡수율이 낮은 것도 같은 원리다.
DGIST 관계자는 “이번 연구에서 제안된 양자점은 우수한 광학적, 전기적 특성을 보였기 때문에 추후 광수소 생산, 수광소자, 이미지 센서, 태양전지, 광CO2 전환 기술 등에 폭넓게 활용이 가능할 것”이라고 기대했다.
연구진은 이번 성과가 실용화까지 가기 위한 과제로 ‘수계 환경에서의 친환경 양자점 안정성 향상’을 우선 꼽았다.
양지웅 교수는 “친환경 기술로 양자점 물성을 대폭 향상시켰다”라며, “특히 세계 최고 수준의 태양광 수소 생산 성능을 보인 결과가 나타났다”고 강조했다.
인수일 교수는 “친환경 양자점 반도체 기술이 기존 디스플레이뿐만 아니라 환경 및 에너지 문제 해결에도 광범위하게 적용될 것으로 기대한다”고 말했다.
