세계 최고 수준 태양광 수소 생산 기술 개발

DGIST-단국대 공동연구팀
친환경 양자점 결함제어 통해
환경·에너지 문제 적용 기대감

DGIST 에너지공학과 양지웅 교수팀이 삼원계 친환경 반도체 양자점의 결함제어 합성법을 통해 세계 최고 수준의 광수소 생산법을 개발했다. DGIST 에너지공학과 인수일 교수, 단국대학교(총장 김수복) 화학공학과 김재엽 교수와 공동연구를 통해 개발한 이번 기술은 친환경 양자점의 물질적 성질을 자유롭게 제어해 광전기화학 소자에 적용하고, 이를 통해 효과적으로 태양광 수소를 생산하는 방법이다.

청정에너지원인 수소의 생산이 대부분 석유 분해 방식 등 비친환경적인 환경에서 이뤄져 이를 해결하기 위해 태양에너지와 전기에너지를 활용해 물을 분해하는 친환경적 수소 생산 방식인 ‘광전기화학적 수소 생산’에 대한 연구가 많은 주목을 받고 있다.

기존의 경우 산화물 반도체를 이용해 물을 분해했지만 수소 생산 효율이 낮다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 구리(Cu), 인듐(In), 셀레듐(Se)으로 구성된 친환경 CuInSe2 반도체 양자점을 이용해 태양광 흡수율을 극대화한 광전극을 제작하고, 광전기화학적 수소 생산에 활용했다. 실험을 통해 양자점 합성과정에서 다양한 전구체의 반응성 차이를 발견하고 친환경 양자점 결함제어와 함께 물성 향상에 성공하게 됐다.

연구팀이 개발한 기술을 이용해 합성된 양자점은 대략 4 나노미터의 크기로 균일하게 유지됐고, 가시광선 및 근적외선을 효과적으로 흡수할 뿐만 아니라, 조성 및 구리(Cu)의 빈자리 결함구조를 제어해 자체 도핑 효과를 통해 전하 농도, 전도도, 전하 재결합 속도 등 반도체 물성을 향상 시킬 수 있었다.

모든 영역의 태양광 에너지를 효과적으로 활용해 수소를 생산할 수 있었고 순수한 이산화 타이타늄(TiO2) 광전극 대비 20배 가량 증대된 광전류 밀도(약 10.7 mA cm-2)를 나타내며 수소를 생산했는데, 이는 친환경 양자점을 활용한 연구 중 세계 최고 수준의 성능이다.

DGIST 에너지공학과 양지웅 교수는 “새롭게 개발한 친환경 기술로 양자점 물성을 대폭 향상하게 됐는데, 특히 세계 최고 수준의 태양광 수소 생산 성능을 보인 결과도 나타나 매우 기쁘다”고 말했고, 인수일 교수는 “본 연구를 통해 친환경 양자점 반도체 기술이 기존 디스플레이뿐만 아니라 환경 및 에너지 문제 해결에도 광범위하게 적용될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 단국대학교 김재엽 교수는 “친환경 반도체 양자점으로도 뛰어난 광수소 생산 성능을 얻을 수 있음을 본 연구를 통해 입증했다”고 말했다.

이 연구는 연구재단 우수신진연구사업 등의 지원을 통해 이뤄졌으며, 연구결과는 세계적 에너지·환경분야 저널인 ‘카본 에너지(Carbon Energy, IF: 21.556)’에 온라인 게재됐다.

김종현기자 oplm@idaegu.co.kr

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