[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

기후변화 대응을 위한 전 세계적인 탄소중립 정책에 따라, 연소 시 이산화탄소를 전혀 배출하지 수소가 차세대 연료로 주목받고 있다. 특히 태양에너지를 활용하여 물을 분해해 수소를 생산하는 태양광 수소 생산 기술은 이론적으로 가장 친환경적이고 지속 가능한 방식으로 꼽힌다. 그러나 지금까지 개발된 대부분의 기술은 효율은 높지만 내구성이 부족하거나, 대규모로 확장하기 어려운 한계를 안고 있었다.

이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 ‘인공나뭇잎’ 기술이 제안되어 왔다. 인공나뭇잎은 자연의 나뭇잎처럼 별도의 전원 없이 햇빛과 물만으로 수소를 생산할 수 있는 개념으로, 공간 효율성과 경제성이 뛰어나 차세대 수소 생산기술로 각광받고 있다. 하지만 실제로 상용화가 가능한 수준의 효율과 내구성, 그리고 확장성을 동시에 만족시키는 인공 나뭇잎 기술은 아직 없었다.

2.연구 내용

공동 연구팀은 고효율·고내구성의 페로브스카이트 광전극을 개발하고, 이를 모듈화하여 상용화 가능한 수준으로 확장한 ‘인공나뭇잎’을 구현하는 데 성공하였다.

연구팀은 광흡수체로 염소가 도핑된 포름아미디늄 페롭스카이트(FAPbI₃)를 사용하고, 자외선에 안정한 염소 도핑된 산화주석(Cl:SnO₂)을 전자수송층으로 적용해 소재의 안정성과 효율을 동시에 확보하였다. 여기에 니켈-철-코발트 촉매층을 더하고, 수분 접촉을 막기 위해 니켈 포일로 광전극을 감싸는 방식으로 구조적 안정성을 높였다.

개발된 광전극은 실험실에서 사용하는 단일전극 수준의 크기를 넘어서, 4×4 배열의 모듈로 확장되었으며, 이 모듈은 별도 외부 전원 없이 햇빛만으로 수소를 생산하는 데 성공하였다. 태양광 수소 전환 효율(Solar to Hydrogen Efficiency)은 11.2%로, 이는 현재까지 보고된 인공나뭇잎 기술 중 가장 높은 수준이며, 해당 면적 스케일에서도 이 효율을 유지한 최초의 사례다.

3.기대 효과

수소는 연소 시 온실가스를 배출하지 않으며, 무게당 저장할 수 있는 에너지가 휘발유의 2.7배 달하는 차세대 연료다. 하지만 지금까지 수소는 천연가스나 석탄 등 화석연료를 고온으로 처리해 생산되는 경우가 대부분이었으며, 이 과정에서 이산화탄소가 발생해 오히려 환경오염을 유발하는 한계가 있었다.

이번 연구로 개발한 고효율 인공나뭇잎 기반 광전기화학 시스템은 외부 전력 없이 오직 태양광만으로 수소와 산소를 동시에 생산할 수 있는 구조로, 실용화 수준의 전환효율(11.2%)을 대면적 모듈에서 구현하였다. 특히 무배선 구조와 모듈기반 확장 기술을 통해 소형 광전극 수준의 고효율을 유지하면서도 상업적 규모로의 확장이 가능함을 입증하였다.

이와 같은 기술은 향후 태양광 수소 생산 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 뿐만 아니라, 국가 차원의 탄소중립 목표 달성에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 실외 환경에서 장기간 안정적으로 작동하며, 고가의 백금 사용을 최소화한 경제적 시스템이라는 점에서도 기술적·경제적 경쟁력을 동시에 갖춘다. 이러한 성과는 향후 글로벌 에너지 시장에서 우리나라가 친환경 청정 수소 생산 기술을 선도할 수 있는 발판이 될 것으로 전망된다.

[붙임] 용어설명

1. 태양광 수소 (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.인공나뭇잎 (Artificial Leaf)

자연의 광합성 작용을 모방하여, 별도의 외부 전기 없이 햇빛과 물만으로 수소를 생산할 수 있는 고집적형 태양광 수소 전환 장치. 광흡수체와 전기화학 촉매가 일체형으로 통합된 구조를 지닌다.

3.광(촉매)전극 (Photoelectrode)

빛을 받아 높은 에너지를 가진 광전자와 전공을 발생시켜 물을 분해하여 수소와 산소를 만들 수 있는 반도체 물질을 광촉매라 하며, 광촉매를 전극으로 만들어 물분해 시스템을 구성하면 외부 전기 없이 그린 수소를 생산할 수 있다.

4.태양광 수소 전환 효율 (Solar to Hydrogen Efficiency, STH)

입사되는 태양광 에너지 대비 생성된 수소에 저장된 화학에너지의 비율을 의미하며, 실용화를 위한 기준은 일반적으로 10% 이상이다.

5.페로브스카이트 (Perovskite)

ABX₃ 구조를 가진 결정체로, 높은 광흡수율과 전하이동 특성을 가져 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있으며, 이번 연구에서는 FAPbI₃가 사용되었다.

6.전자수송층 (Electron Transport Layer, ETL)

광전극 내에서 광흡수체에서 생성된 전자를 전극으로 이동시키는 역할을 하는 층. 본 연구에서는 UV 안정성이 우수한 염소 도핑된 산화주석(Cl:SnO₂)이 사용되었다.

7.모듈 기반 스케일업 (Module based Scale up)

소형 광전극을 기본 단위로 하여 이를 병렬 및 직렬로 연결함으로써 대면적 시스템으로 확장하는 방식. 효율 손실을 최소화할 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 고효율 무배선 인공나뭇잎 기반 태양광 수소 생산 시스템 좌측의 PEC 패널은 광전극을 4×4 배열로 구성한 모듈형 구조로, 별도의 외부 전원 없이 물속에서 태양광만으로 수소(H₂)와 산소(O₂)를 동시에 생성할 수 있다. 우측 하단은 광양극(photoanode)과 광음극(photocathode)의 층별 구조를 보여준다. 광흡수층으로는 염소 도핑된 페로브스카이트(Cl:FAPbI₃)가 사용됐으며, 자외선 안정성이 높은 전자수송층(Cl:SnO₂)과 산화·환원 반응을 위한 촉매층(NiFeCo 등)이 통합돼 있다. 전체 모듈은 태양광 수소 전환효율 11.2%를 기록했으며, 무배선 구조와 방수 설계를 통해 대면적 확장성과 장기 내구성까지 확보한 차세대 그린수소 생산 기술의 실현 가능성을 보여준다.