태양에너지를 수소로 직접 전환하는 인공 광합성 기술의 상용화 가능성을 높인 인공나뭇잎 모듈을 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 제시했다.

23일 UNIST는 에너지화학공학과 이재성·석상일·장지욱 교수팀이 고효율, 고내구성, 대면적 확장성을 모두 갖춘 모듈형 인공나뭇잎을 개발했다고 밝혔다.

인공나뭇잎은 자연의 잎처럼 햇빛과 물만으로 수소를 생산하는 기술이다. 외부 전력을 따로 사용하지 않으며, 수소 생산 과정에서도 이산화탄소를 배출하지 않는 그린 수소 방식이다.

기존 태양전지 기반 전기 분해 방식(PV-EC)과 달리 전기 생산 단계를 생략하고 광에너지를 직접 화학에너지로 바꾸는 구조라 시스템 간 저항에 의한 손실이 적고 설치 면적을 줄일 수 있는 점이 장점이다.

그러나 낮은 효율과 내구성, 규모를 키우는 확장성이 어려워 상용화에 제약이 있었다.

연구팀은 페로브스카이트 기반 태양광 흡수층과 니켈-철-코발트 촉매를 활용해 1㎠ 단위의 고효율 광전극을 제작하고, 이를 4×4 배열로 확장한 모듈형 인공나뭇잎을 만들었다.

이 모듈은 별도 전원 없이도 태양광만으로 안정적인 수소 생산이 가능하다.

모듈 전체 수준에서 태양광 수소 전환 효율 11.2%를 달성했는데, 현재까지 보고된 인공나뭇잎 중 최고 수준이다.

특히 상용화에 필요한 10% 이상 효율을 모듈 규모에서 달성했다는 점에서 큰 의미가 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 염소를 첨가한 페로브스카이트 흡광층과 자외선에 강한 전자수송층, 촉매층의 조합으로 고효율과 안정성을 확보했다.

또 수분 노출에 의한 전극 손상을 막기 위해 특수 니켈 포일과 수지 봉지 기술을 적용해 140시간 연속 작동에서도 99%의 초기 성능을 유지할 수 있었다.

이재성 교수는 "태양전지 패널처럼 대면적 인공나뭇잎 패널로 확장도 가능해 상업화를 위한 결정적 진전을 이뤘다"고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 지난 5월 6일 자로 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 기후변화대응 사업과 우수연구자교류지원 사업(BrainLink), 기초과학연구원(IBS) 기초과학연구지원 사업 등을 통해 이뤄졌다.