[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

태양에너지를 통한 그린수소생산은 가장 이상적인 수소생산시스템 중 하나로 각광받고 있다. 태양에너지를 흡수하는 반도체를 사용하면 반도체에서 생성된 전하를 통해 물을 분해하여 물과 수소를 만들기 때문에 어떠한 환경오염도 없으며 에너지로 사용된 수소는 다시 물로 순환되는 이상적인 에너지 순환 사이클을 가지고 있어 많은 연구가 이루어지고 있지만, 아직까지 태양광 수소 전환 효율이 매우 낮은 상태라 태양광 수소 전환 효율을 향상시켜야하는 것이 과제로 남아있다.

태양광 수소전환을 위한 광전극은 광전극이 직접 물에 들어가 물을 분해해 주어야 하기 때문에 이러한 이유로 상대적으로 물속에서도 안정적인 무기 반도체들을 광전극으로 만들어 태양광 수소전환에 대한 연구가 주로 이루어져왔다. 그러나 무기 반도체들의 경우 무기 반도체들의 가지고 있는 고유의 낮은 전기전도도 및 태양광 수소전환 효율을 향상시키기위한 반도체 자체의 태양광 에너지를 흡수하는 범위등을 제어하는 것이 매우 까다롭다는 단점이 있다.

반면, 유기 반도체의 경우 무기 반도체에 비해 비교적 이러한 반도체 고유의 특성들을 조절하기 쉬우며 제조하는 공정도 다양하여 대면적 생산에도 용이하다는 장점이 있지만 물속에서 쉽게 손상된다는 치명적인 단점으로 인해 유기 반도체를 태양광 수소전환을 위한 광전극으로 활용하는데 있어 큰 걸림돌로 작용한다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 유기 반도체를 광전극으로써 안정적으로 사용하기위한 광전극을 디자인하였다. 기존의 유기반도체가 물에 들어갔을 때 손상되는 문제점을 해결함과 동시에 광전극의 태양광 수소전환효율을 향상시키는 것을 목표로 삼았다.

연구팀은 기존 무기 반도체로 활용되던 산화철 광전극을 제조한뒤 산화철 표면에 유기반도체를 코팅해주었고, 다시 유기반도체 표면에 물 분해 반응에 필요한 촉매들을 균일하게 코팅해줌으로써, 유기 반도체가 물에 직접 접촉하는 것을 방지하면서 장시간 안정적이면서 기존의 산화철 전극보다 2배 효율이 향상되는 전극제조 기술을 확보했다.

대부분의 유기 반도체의 활용법은 유기 반도체가 물속에서도 안정하게 유지할 수 있도록 만드는 것을 목표로 하였지만 이번 연구에서는 근본적으로 유기 반도체가 물에 접촉하는 것을 막아줌과 동시에 무기 반도체인 산화철과 물 분해 촉매사이에 중간층으로 유기반도체를 활용하면서 태양에너지로부터 발생된 전하들의 흐름을 더 원활하게 만들어 주는 역할을 할 수 있었다.

제안한 광전극 디자인에서 태양광 수소전환 효율은 기존의 산화철로 이루어진 광전극에 비해 효율이 2배 증가하였으며 65시간까지의 효율감소 없이 지속적으로 사용 가능한 것을 확인했다.

3. 기대효과

본 연구팀이 제안한 ‘유기 반도체를 무기반도체와 물 분해 촉매층 사이의 중간층으로 활용’으로 기존의 광전극에 비해 태양광 수소전환 효율을 2배까지 향상시키는데 성공했다.

유기 반도체들의 장기간 안정적인 광전극으로써의 활용은 기존의 태양광 수소전환 연구에 수소전환 효율 한계를 극복하며 그린수소생산에 대한 상업화를 앞당길 하나의 기술이 될 수 있으며, 다양한 유기반도체들과 무기반도체들의 하이브리드 시스템에 적용 가능할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 유기 반도체 (Organic semiconductor)

탄소와 수소 원자 혹은 질소, 황 및 산소와 같은 헤테로 원자로 이루어진 파이 결합 분자 또는 중합체에 의해 만들어진 반도체 물질이다. 기존의 실리콘과 같은 대표적인 무기반도체에 비해 구부러지거나 휘어질수도 있고 쉽게 반도체 물성을 조절할 수 있어 디스플레이, 태양전지, FET(field-effect transistor), 태양광을 통한 수소생산 광전극등 많은 분야에 적용하기 위한 연구가 이루어지고 있다.

2. 무기 반도체 (Inorganic semiconductor)

실리콘, 갈륨과 같은 비탄소 물질로 만들어진 반도체 물질이다. 무기 반도체는 전기적 특성이 낮기 때문에 전기적 특성을 향상 시키기위해 주로 높은 온도 (섭씨 수백도 이상)에서 특수한 불순물을 주입되어지기도 한다.

3. 그린수소 (Green hydrogen)

물의 전기분해를 통해 얻어지는 수소로, 태양광 또는 풍력 같은 신재생에너지를 통해 물을 분해하여 얻은 수소를 그린수소라고 한다. 그린수소의 경우 수소를 생산할 때 어떠한 환경오염도 없으며 수소가 에너지로 사용된 후 다시 물로 돌아오기 때문에 가장 이상적인 수소 에너지 활용 시스템으로도 불린다.

4. 산화철 (Iron oxide)

철과 산소의 화합물로 광전극에는 주로 헤머타이트(hematite)라 불리는 α-Fe2O3구조의 물질이 주로 활용되어 진다. 산화철은 이미 산화가 된 상태이기 때문에 물속에서 매우 안정적이며 태양 에너지를 많이 흡수 할 수 있어 태양광을 통한 수소생산의 광전극에 많이 활용되어지고 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 유기 반도체를 광전극의 중간층으로 활용하기위한 전극제조 모식도 (상단). 실제 중간층으로 형성되어있는 투과전자현미경 이미지(좌측 하단). 무기 반도체 (산화철)에서부터 물분해촉매까지 전하이동을 도와주는 유기 반도체의 메커니즘 모식도 (우측 하단)

상단의 이미지는 기존에 만들어오던 무기 반도체(Ti-Fe2O3)에 먼저 유기 반도체(PSi)를 스핀코팅을 통해 2-4 nm 수준으로 코팅을 한후 그 위에 다시 물분해 촉매(NiFe(OH)x)를 2 nm 수준으로 유기 반도체위에 코팅하여 유기 반도체가 물에 접촉되는 것을 방지해주는 광전극 디자인에 대한 모식도 이다. 좌측상단의 투과전자현미경의 이미지를보면 물분해촉매가 유기 반도체위에 잘 코팅이 되어있어 광전극이 물에 접촉하여도 유기반도체가 물과 접촉하는 것을 방지해 줄 수 있다는 것을 알 수 있다. 우측하단은 광전극의 중간층으로써 사용되어지는 유기 반도체가 무기 반도체로부터 물분해 촉매까지 태양에너지로 인해 생성된 전하들의 전달을 원활하게 해줄 수 있다는 메커니즘에 대한 모식도이다.