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친환경 수소 대량 생산 가능해진다

입력 2022.07.03. 14:18
지스트, 유기 반도체 기반 대면적 모듈 시스템 개발
이상한 교수 연구팀, 에너지 국제학술지 논문 게재
이상한 지스트 교수 연구팀이 개발한 유기 반도체 광전극 기반 모듈 시스템의 모식도.

국내 연구진이 비교적 저렴하고 효율적인 유기 반도체 기반 광전극을 활용해 장시간·대량 수소 생산이 가능한 대면적의 모듈 시스템을 개발해 눈길을 끌고 있다.

3일 지스트(광주과학기술원)에 따르면 이상한 신소재공학부 교수 연구팀은 태양에너지로부터 다량의 수소 생산을 가능하게 하는 유기 반도체 광전극 기반 모듈 시스템을 개발했다.

유기 반도체는 다른 반도체 소재에 비해 비교적 저렴하고 다양한 공정 방법을 가지고 있어 대규모·대면적 생산에 용이하고 에너지 전환 효율이 높아 유망한 광전극 소재로 꼽힌다.

(왼쪽부터) 이상한 교수, 서세훈 박사, 이종훈 박사, 김예준 석박통합과정생.

그러나 유기 물질 자체가 수분에 취약해 광전기화학 물 분해를 통한 수소 생산 실용화를 위해서는 유기 반도체 성능의 큰 저하 없이 장시간 구동하게 하는 기술 개발이 필요하다.

이에 연구팀은 광전극 내에 수분이 침투되는 것을 막아 유기 반도체가 장시간 구동할 수 있도록 하는 금속 캡슐화 기술을 적용, 현재까지 보고된 유기 반도체 광음극 가운데 가장 높은 안정성을 유지하는 데 성공했다.

금속 캡슐화는 유기 반도체와 같이 수분에 취약한 물질을 밀봉해 물질의 안정성을 보장하는 기술이다.

연구팀의 유기 반도체 광음극은 초기 성능과 비교해 95% 이상의 성능을 30시간 이상 유지했으며, 기존 연구보다 최소 20시간 이상 향상된 안정성을 보였다.

또한 기존 연구의 최고 효율인 4.3%와 비교해 이번 연구 성과는 12.3mA·cm-2의 높은 광전류와 5.3%의 높은 반쪽전지 효율을 달성했다.

연구팀은 이렇게 장시간 구동 가능한 유기 반도체 광음극을 연결한 광전극 모듈 시스템을 개발해 실제 태양광 아래에서 구동시켰다. 그 결과 실험실 단위를 넘어서 실제 환경에서 대면적의 유기 반도체 광음극 기반 모듈 시스템의 수소 생산 가능성을 확인했다.

이상한 교수는 "이번 연구를 통해 유기 반도체 기반 광전극의 큰 이슈인 안정성 문제를 극복했다"며 "이를 기반으로 개발한 대면적의 광전기화학 모듈 시스템은 친환경 수소 대량 생산 기술의 실용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것"이라고 기대했다.

한편 이상한 교수가 주도하고 서세훈 박사(로렌스 버클리 국립 연구소), 이종훈 박사(일리노이 대학교 어바나-샴페인), 김예준 지스트 석박통합과정생이 참여한 이번 연구는 에너지분야 상위 7% 논문인 'Journal of Materials Chemistry A'에 표지 논문으로 선정돼 지난달 28일 온라인 게재됐다. 이정민기자 ljm7da@mdilbo.com

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