‘유기반도체’ 활용 그린수소 생산 기법 개발… 이중 코팅으로 효율 2배↑

[인더스트리뉴스 최용구 기자] ‘유기반도체’가 접목된 광전극으로 그린수소를 생산할 수 있는 길이 열릴 전망이다. 태양광에너지 변환 효율이 우수한 유기반도체의 특성을 살리는 방법이 국내 연구진에 의해 개발됐다.  

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 장지현 교수팀과 독일 FAU 에를랑겐 유체역학 연구소 부산지사(LSTME Busan) 안효진 박사팀, 동서대학교 이정훈 교수팀은 물속에서도 손상되지 않는 유기반도체 코팅 실험에 최근 성공했다. 

유기반도체는 탄소와 수소 원자 또는 질소, 황 및 산소로 이뤄진 파이 결합 분자와 관련된다. 이들 원자와 분자 또는 중합체로 이뤄진 반도체다.   

유기반도체를 광전극의 중간층으로 활용하기 위한 전극제조 모식도(위). 투과전자현미경 이미지(좌측 하단). 유기반도체의 메커니즘 모식도(우측 하단) [사진=UNIST]

구부러지거나 휘어질 수 있으며 쉽게 반도체 물성을 조절할 수 있다. 디스플레이, 태양전지, FET(field-effect transistor), 태양광 수소 생산 등에서의 적용 가능성이 논의되고 있다. 

태양광을 활용한 그린수소 생산은 반도체에 생성된 전하를 이용하는 원리다. 태양에너지를 흡수한 반도체에 생성된 전하를 통해 물을 수소로 분해한다. 

이 과정에는 주로 무기반도체를 활용한 광전극이 적용됐다. 무기반도체는 실리콘, 갈륨과 같은 비탄소 물질로 만들어진 반도체다.

유기반도체의 경우 물속에서 쉽게 손상돼 적용에 한계가 있었다. 유기반도체는 무기반도체 소재 대비 저렴하면서도 다양한 공정법이 가능하다. 그만큼 대규모 및 대면적 생산에 용이하다. 태양광에너지 변환율이 우수해 높은 수소 생산 효율을 기대할 수 있다. 

연구팀은 유기반도체를 물속에서 안정적으로 사용하기 위해 산화철 광전극 표면에 유기반도체를 코팅했다. 이어 코팅된 유기반도체의 표면에 촉매(니켈·철 이중 층 수산화물)를 재차 코팅시킴으로써 물과의 접촉을 차단했다.  

참여 연구진들 [사진=UNIST]

연구팀에 따르면 유기반도체 코팅만으로도 기존 수소 생산시스템 대비 약 2배의 효율을 보였다. 무기반도체를 적용했을 때 보다 수소 생산 효율을 극대화시켰다.    

장지현 교수는 “유기반도체를 활용하는 광전극의 이슈인 안정성 문제를 극복했다는 것에 의미가 있다”며, “기존 무기반도체 위주의 광전극에서 보인 한계를 극복하고 그린수소 생산기술의 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 수 있을 것”이라고 전망했다.

유기반도체를 광전극에 적용하는 과정은 태양광 수소전환 효율과 밀접하다. 그린수소 생산에 대한 상업화를 가늠할 수 있는 주요 대안으로 평가받는다. 학계는 여러 유기반도체와 무기반도체의 하이브리드 시스템에도 주목하고 있다. 

이번 연구성과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 에너지 분야의 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터(ACS energy letters)’에 지난 5월 12일자로 공개됐다. 연구의 우수성을 인정받아 추가 표지논문으로도 출판됐다.(6월 9일)