윤종승 USC 연구팀, 고효율·저비용 '광촉매 신기술' 개발
'네이처 에너지' 게재…'양방향 분리 전극' 원천기술 첫선
기존 광촉매보다 효율 1.5배 높여…광촉매 상용화에 '단초'
(로스앤젤레스=연합뉴스) 김종우 특파원 = 윤종승 서던캘리포니아대(USC) 교수팀이 태양에너지로부터 수소 생성율을 크게 증가시키고 안정성도 획기적으로 높인 새로운 반도체 광촉매 기술개발에 성공했다.
윤 교수팀이 새롭게 개발한 원천기술 '양방향 분리 전극'은 27일(현지시간) 에너지 분야의 세계 최고 권위지인 '네이처 에너지'(Nature Energy) 온라인에 게재됐다.
이번 연구의 주 저자는 강동석 박사이며 윤 교수는 교신저자로 참여했다. 재생에너지 분야에서 세계적 연구소로 평가받는 미국 콜로라도 주 국립재생에너지연구소(NREL)도 공동 저자로 동참했다.
양방향 분리 전극은 에피성장된 반도체 박막층을 성장기판에서 떼어내 투명한 기판에 옮겨 빛이 흡수되는 계면과 촉매반응이 일어나는 계면을 분리해 서로 반대쪽에 위치하도록 한 것이다.
이처럼 별도의 계면에 형성된 금속촉매는 태양빛 흡수에 영향을 주지 않을 뿐만 아니라 전하이동을 최적화해 태양광 수소변환 효율을 13.1% 증가시킨다는 것이다.
실제로 3-5족 화합물 반도체 기반의 광촉매는 모든 재료 중에서 가장 우수한 수소변환 효율을 보유하고 있지만, 과도한 생산비와 전해질에서 빠르게 부식하는 취약한 안정성으로 상용화에 어려움을 겪어왔다.
윤 교수는 이날 연합뉴스와의 통화에서 "이 기술은 태양광 물 분해에 쓰이는 기존 반도체 광촉매보다 최소 1.5배 이상 향상된 수소변환 효율을 얻을 수 있는 원천기술"이라고 밝혔다.
그는 "아직 상용화로 가려면 시간이 더 필요하지만, 이번 연구가 반도체 광촉매의 상용화에 필요한 15% 이상의 태양광 수소변환 효율과 안정성을 높이는 단초를 열었다는 데 의미가 있다"고 강조했다.
태양광을 이용한 전기화학적 물분해는 지구상에 풍부히 존재하는 물을 이용해 청정에너지인 수소를 생산하는 방법이다.
전통적인 화석에너지의 소비는 지구온난화와 환경오염, 에너지 부족 등의 문제를 일으키기 때문에 낮은 에너지 소비, 저오염을 기초로 한 저탄소 경제는 전 세계가 주목하고 연구하는 주제다.
이런 맥락에서 수소는 효율이 높고 깨끗한 2차 에너지 운반체로 미래의 중요한 청정 에너지원으로 각광을 받고 있다.
반도체 광촉매 시스템은 태양 빛 흡수를 통해 물을 분해해 수소를 생성하는 방식으로 태양에너지를 수소에너지로 전환하는 기술이다.
윤 교수는 "이 원천기술과 지난 2010년 개발한 차세대 화합물 반도체 태양전지 기술을 접목한다면 반도체 광촉매의 생산비용도 기존보다 10분의 1 이하로 크게 떨어뜨릴 수 있을 것"이라고 전망했다.
이번 연구는 미국 에너지부(US Department of Energy), 미국과학재단 (US National Science Foundation), 한화 첨단 소재 (Hanwha Advanced Materials)의 지원으로 수행됐다고 윤 교수는 덧붙였다.
윤 교수는 서울대를 졸업하고 미국 MIT공대에서 재료공학으로 박사학위를 취득했으며, 일리노이주립대의 벡크만 연구소를 거쳐 2011년부터 USC에서 화학·재료공학과에서 조교수로 재직하고 있다.
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