외부에서 전기를 공급하지 않고 햇빛만으로 물에서 수소를 만드는 유기 광전극의 세계 최고 효율을 국내 연구진이 달성했다.

26일 울산과학기술원(UNIST)은 탄소중립대학원 김진영 교수와 에너지화학공학과 이재성·임한권 교수팀이 빛을 흡수하는 유기 반도체층을 두 겹으로 쌓아 외부에서 전압을 가하지 않아도 수소를 생산하는 '탠덤 광전극'을 개발했다고 밝혔다.

광전극을 이용한 태양광 물 분해는 수소 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않는 '그린수소' 기술이다.

광전극 내부 반도체가 빛을 흡수하면 전자가 촉매로 이동해 수소 발생 반응을 일으키는 원리다.

특히 유기 반도체를 쓰는 광전극은 반도체 소재를 용액에 녹여 바를 수 있어 상업화를 위한 대형 전극을 만드는 데 유리하다. 그러나 흡수층 하나에서 얻는 전압만으로는 물을 수소와 산소로 분해하기 어려워 외부 전원이 필요했다.

연구팀이 개발한 광전극은 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 반도체층이 두 겹으로, 물 분해에 필요한 전압을 확보할 수 있다.

두 반도체층에서 생긴 전압을 손실 없이 합칠 수 있도록 산화몰리브덴과 유기 분자 '2PACz'가 결합한 새로운 연결 소재를 개발해 적용했다.

기존에 쓰이던 연결 소재는 산성이 강하고 습기를 잘 흡수해 인접한 층을 손상시켰다. 반면 산화몰리브덴은 강한 산성을 띠지 않고 습기도 잘 흡수하지 않으며, 2PACz는 결함을 줄이고 전하 이동을 돕는 역할을 한다. 또 반도체층을 입힐 때 사용하는 용매에도 잘 견딘다.

실제 실험에서 0.56㎠ 크기 광전극은 외부 전원 없이 물을 분해해 태양광 수소 전환 효율 7.9%를 기록했다.

외부 전원 없이 작동하는 유기 반도체 기반 광음극 중 가장 높은 효율이라고 연구팀은 설명했다.

안정성 실험에서는 10시간 뒤에도 초기 광전류의 86%를 유지했다. 기존 연결 소재를 쓴 광음극은 광전류가 초깃값의 36%로 줄었다.

연구팀은 320㎠ 크기 대면적 모듈 시스템을 만들어 실제 자연광 아래에서 외부 전압 없이 수소를 생산하는 야외 실증에도 성공했다.

전 공정 경제성 평가(TEA) 결과 현재 효율로 하루 10t의 수소를 생산하는 설비를 가정했을 때, 수소 1㎏당 생산 비용은 9.26달러로 추산됐다.

유기 반도체로 전극 제작 비용을 낮춘 덕에 전환 효율이 7.9%인데도, 효율 10%인 광전극과 비슷한 생산비를 보였다.

김진영 교수는 "유기 반도체를 쌓은 전극에서 성능을 떨어뜨리던 연결층의 불안정성과 부식 문제를 해결한 연구"라며 "용액으로 가공할 수 있는 유기 반도체 장점을 살려 그린수소 생산 비용을 낮추는 데 기여할 것"이라고 말했다.

한국연구재단과 UNIST의 지원을 받은 이번 연구는 환경·에너지 촉매 분야 국제 학술지인 '응용 촉매 B: 환경과 에너지'(Applied Catalysis B: Environmental and Energy)에 지난 9월 6일 온라인으로 소개됐다.