[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

전 세계 전력 소비의 약 19%는 실내조명으로 사용되고 있다. LED와 형광등 등 실내 조명은 하루 중 장시간 켜져 있고, 일정한 조도와 스펙트럼을 유지한다는 점에서 태양광과 대비되는 잠재적인 에너지원이다.

이번 연구에서는 그간 배터리, 에너지저장장치 집중되었던 실내조명 재활용 연구를 광전극으로 확장하고자 했다. 태양광 기반 광전극은 일사량, 기후, 설치 환경 등 외부 요인에 따라 성능 변동이 크다는 한계를 갖는 반면 오히려 조도와 환경 조건이 상대적으로 안정적인 실내조명이 광전극 시스템을 구동하기에 더 적합한 환경일 수 있다고 판단했다.

2.연구내용

연구팀은 실내 조명 환경에 적합한 광전극 소재를 찾기 위해 여러 광전극을 비교 검토한 결과, 카드뮴 황화물/이산화티타늄(CdS/TiO₂) 광전극이 다른 소재에 비해 실내 조명 조건에서 상대적으로 높은 광전 성능을 보인다는 점에 주목했다. CdS는 가시광선 흡수가 가능해 실내 조명에서도 전하를 만들 수 있고, TiO₂와 결합했을 때 생성된 전하가 비교적 효율적으로 분리·전달되는 특성을 갖는다. 특히 실내 조명처럼 빛의 세기가 낮은 조건에서는 CdS/TiO₂ 광전극 표면에 전하가 과도하게 축적되지 않아, 태양광 조건에서 문제가 되던 급격한 열화가 완화되는 양상이 나타났다.

연구팀은 이러한 특성을 바탕으로 CdS/TiO₂ 광전극의 성능과 안정성을 동시에 끌어올리기 위해 표면에 인산염을 도입한 Pi@(CdS/TiO₂) 광전극을 설계했다. 표면 반응 분석과 이론 계산을 통해, 인산기에 포함된 산소가 광전극 표면에서의 산화 반응을 촉진하고 정공(양전하의 전하입자)이 빠르게 이동할 수 있는 경로를 형성함으로써 전하 전달을 보다 원활하게 만든다는 점을 확인했다.

이어 연구팀은 수소 발생 반응을 담당하는 3차원 니켈(3D-Ni) 촉매를 광전극과 결합해, 외부 전압 없이도 작동하는 무바이어스 광전극 시스템[Pi@(CdS/TiO₂)‖3D-Ni]을 구성했다. 이 시스템을 도선 없이 연결한 인공 나뭇잎 구조로 확장한 뒤 실내 조명 아래에서 구동한 결과, 실제 수소가 안정적으로 생성되는 모습을 확인했다. 나아가 대면적 인공 나뭇잎 4개를 실내 조명용 특수 소켓에 장착해, 일반 실내조명만으로도 지속적인 수소 생산이 가능함을 실험적으로 보여줬다.

3.기대효과

이번 연구는 실내조명을 구동 환경으로 설정한 광전극을 세계 최초로 선보였다. 또 기존 CdS 양자점 기반 광전극이 갖던 안정성 한계를 실내조명 환경을 적용한 역발상과 인산염 코팅을 통해 우회적으로 극복할 수 있음 보여줬다. 특히 대면적 인공 나뭇잎 실험을 통해 실내조명 기반 광전극 시스템이 실험실 수준을 넘어 실제 활용 가능성으로 확장될 수 있음 입증했다는 데 큰 의미가 있다.

[붙임] 용어설명

1.카드뮴 황화물 (Cadmium Sulfide, CdS)

가시광선 영역의 빛을 흡수해 전자와 정공 같은 전하 입자를 만들어내는 반도체 소재다. 실내 LED나 형광등처럼 밝기가 낮은 조명에서도 전하 생성이 가능해 실내 조명용 광전극 소재로 적합하다. 다만 강한 햇빛에 노출되면 전하가 표면에 축적되며 광부식이 쉽게 일어나는 한계가 있다.

2.이산화 티타늄 (Titanium Oxide, TiO₂)

광전극에서 생성된 전자를 외부로 전달하는 역할을 하는 산화물 반도체다. 카드뮴 황화물과 결합했을 때 전자와 정공이 서로 섞이지 않도록 분리해 주며, 전자가 수소 생산 촉매로 이동하는 통로 역할을 한다. 화학적으로 안정해 광전극의 구조적 지지체로도 활용된다.

3.인산염 (Phosphate, Pi)

광전극 표면에 도입되는 보호층 물질이다. 카드뮴 황화물 표면에서 전하가 과도하게 쌓이는 것을 막아 광부식을 억제하는 동시에, 정공이 표면 반응에 빠르게 쓰이도록 유도해 전하 전달을 원활하게 만든다. 이번 연구에서는 광전극의 안정성과 작동 특성을 함께 조절하는 요소로 작용했다.

4.3차원 니켈 촉매 (Three-dimensional Nickel, 3D-Ni)

수소 발생 반응을 담당하는 금속 촉매다. 꽃 모양의 다공성 구조를 가져 표면적이 넓고, 물 분해 과정에서 생성된 수소 기체가 쉽게 빠져나갈 수 있다. 광전극에서 전달된 전자를 받아 물을 수소로 바꾸는 역할을 한다.

5.무바이어스 (Unbiased)

외부 전압을 인가하지 않은 상태를 뜻한다. 이번 연구에서는 추가적인 전기 에너지 없이, 빛만으로 광전극과 촉매가 함께 작동해 수소가 생성되는 시스템을 의미한다.

6.인공 나뭇잎 (Artificial Leaf)

광전극과 수소 생산 촉매를 하나의 구조로 결합한 무선 광전극 시스템이다. 양극과 음극을 하나로 모듈화해 별도의 전선 연결 없이도 작동하며, 식물의 잎처럼 빛을 받아 화학 에너지(수소)를 만들어낸다는 개념에서 이름이 붙었다.

[붙임] 그림설명

그림설명. 연구팀이 개발한 실내조명용 수소 생산 인공 나뭇잎의 구조와 성능

(상단)　인공 나뭇잎을 이루는 광전극의 구조와 전하 전달 경로. 실내 조명을 받으면 황화물(CdS/TiO₂) 광전극에서 전하(전자, 정공)가 생성되고, 전자는 FTO 기판과 이산화티타늄 층을 거쳐 3차원 니켈(3D-Ni) 촉매로 전달된다. 전달된 전자는 니켈 촉매 표면에서 수소 발생 반응(HER)을 일으킨다.

(하단 좌측) 수소 발생 촉매와 광전극이 연결된 인공 나뭇잎 (하단 우측) 실내조명을 쪼였을 때 약 119 μA/cm²의 광전류를 기록함.