^*도핑 (Doping): 반도체 물질의 전하 전달 속도를 높이기 위하여 소량의 다른 원소를 반도체 격자(물질의 원자구조) 내에 도입하는 것

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

기후변화에 대한 세계적인 관심과 수소 연료전지 자동차의 빠른 확산으로 먼 훗날의 일로만 여겨지던 수소경제가 이미 우리가 피부로 느낄 정도로 가까이 다가오고 있다. 그러나 수소경제의 핵심이 되는 수소는 현재 천연가스나 석유 등과 같은 화석연료의 개질을 통하여 생산되고 그 과정에서 온실가스인 이산화탄소가 발생하기 때문에 기후변화 억제에 대한 기여도는 제한적일 수밖에 없다. 따라서 세계 여러 국가 들은 수소 생산 과정에서 이산화탄소 발생이 전혀 없는 그린수소 생산 기술을 경쟁적으로 개발하고 있는 실정이다.

‘그린 수소’ 생산기술 중 지구상에서 가장 풍부한 재생에너지인 태양에너지를 이용하여 물을 분해함으로써 수소를 얻는 태양광 수소1) 기술이 가장 이상적이다. 그러나 현재로서는 그 효율이 낮아서 기존의 화석연료 개질로 생산되는 수소에 비하여 가격경쟁력이 떨어진다. 따라서 태양광 수소 생산의 효율 향상을 위한 연구 개발이 국내외적으로 활발히 진행되고 있다.

태양광수소 생산시스템의 핵심은 햇빛을 받아 물을 분해시키는 광촉매2) 전극이고, 이 광촉매의 성능이 수소생산 효율(태양광전환효율)3)을 결정한다. 산화철은 물속에서 안정하고 값이 싸며 환경에 무해할 뿐만 아니라 넓은 파장대의 햇빛을 흡수할 수 있는 유망한 광촉매로서 각광을 받고 있다. 그러나 전자적 성질이 아주 열악하여 그대로 사용 했을 경우 매우 낮은 효율을 보인다. 산화철 광촉매 전극의 효율을 높이기 위해서는 여러 변형전략을 도입하여 전자적 성질을 개선시키고자 하는데 지난 20년간의 많은 연구에도 불구하고 그 발전 속도는 만족스럽지 못하였다.

2. 연구내용   

오랫동안 태양광 수소 생산 기술의 실용화를 위한 연구를 수행해 온 본 연구팀은 중국 대련 물리화학연구소와의 협력을 통하여 산화철 광촉매 전극의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 변형기술을 개발하였다.

연구팀은 탄탈럼(Ta)이 도핑(doping)4)된 산화철(Fe2O3)5) 코어(Core) 위에 결정 재성장법(crytal re-growth)6)을 통하여 도핑되지 않은 산화철 쉘 (Shell)로 감싼 ‘코어-쉘(core-shell) 나노 막대’7) 구조를 합성한 후 이를 하이브리드 마이크로웨이브 소결법(Hybrid microwave annealing)8)으로 처리하여 광촉매 전극 (그림 참조)을 만들었다. 이렇게 제조된 산화철 광촉매 전극은 물질 내에서의 전하의 손실을 최소화 할 수 있음을 발견하였다.

지금까지 개발된 변형기술들은 대부분 광전류 발생을 높이거나 혹은 광전류 발생 개시 전압을 낮추거나 하는 단일 기능을 보이는데 반하여 이번 개발된 기술은 전류 발생과 개시전압의 개선을 동시에 이루는 이중 기능 특성을 보였다. 물질 내에서 전하손실이 최소화된 덕분이다. 결과적으로 변형된 산화철 광전극은 변형 전에 비하여 66.8 %의 광전류 증가와 함께 270 mV의 개시 전압 강하를 달성하였다.

3. 기대효과

지구상에 무궁무진하게 존재하는 태양 빛과 물로부터 수소를 제조하는 기술이 성공할 경우 비용이 적게 들고 환경오염 물질은 전혀 발생하지 않는 '꿈의 기술'을 확보하게 된다. 이번 성과는 태양광 수소 생산시스템의 상용화 목표인 10%의 태양광 전환 효율을 향한 진전에서 중요한 이정표이다. 진정한 수소경제를 이루기 위한 경쟁력 있는 그린 수소 생산 방법을 확보로 세계 에너지 시장에서 선도적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

1. 태양광수소 (Solar hydrogen)

지구상에 무궁무진한 햇빛을 이용하여 물을 분해하여 수소를 얻는 궁극적인 미래 에너지 기술이다. 태양 빛을 흡수하는 반도체 광촉매 물질을 물과 접촉하여 수소를 얻는다.

2. 광촉매

빛을 받아 높은 에너지를 가진 광전자와 전공을 발생시켜 물을 분해하여 수소와 산소를 만들거나 유해 물질을 분해하여 환경오염을 방지하게 하는 반도체 물질 . 

3. 태양광 전환효율

정해진 면적에 도달하는 태양에너지 중 수소생산에 쓰인 비율. 생산된 수소의 양을 입사하는 태양에너지의 양으로 나누어서 계산함.

4. 도핑 (Doping)

반도체 물질의 전하 전달 속도를 높이기 위하여 소량의 다른 원소를 반도체 격자(물질 내부 구조) 내에 도입하는 것

5. 산화철 (Fe2O3)

안정하고 친환경적인 산화물 반도체로서 대표적인 가시광선 광촉매의 일종. 철의 붉은 녹 성분임.

6. 결정재성장 (Crystal re-growth)

일단 결정(규칙적 물질 원자 배치 구조)을 만든 후 그 위에 같은 조건에서 다시 한 번 결정을 성장시켜 코어-쉘 구조를 만드는 방법

7. 코어-쉘 나노막대 (Core-Shell Nanorod)

연필처럼 가운데 코어를 쉘로 둘러싼 이중 원통형 막대 구조체

8. 하이브리드 마이크로웨이브 소결 (Hybrid microwave annealing)

마이크로웨이브 소결시 흑연과 같은 우수한 마이크로웨이브 흡수체를 도입하여 빠른 시간 내에 더 높은 온도에서 소결시키는 방법

[붙임] 그림설명

그림1. 개발된 촉매의 구조 및 수소 생성 반응 모식도. 코어-쉘 나노막대 구조의 산화철 광촉매 전극이 햇빛을 흡수하여 광전자(photoelectron, 음전하)와 전공(hole, 양전하)을 생성하고 이들이 물을 분해하여 수소 (H2)와 산소 (O2)를 만드는 과정을 보여주는 모식도