국내 연구진, 귀금속 촉매 불필요한 고효율 광전극 제조기술 개발

최태우 기자 / 기사승인 : 2019-12-24 15:11:04
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저비용 태양광-수소 생산기술로 저비용 대량 생산 시스템 구현에 기여
▲ 황화구리가 자연 증착된 용액공정 CIGS 광전극(CIGS/CuxS)의 태양광 물분해 수소 발생 성능 [KIST 자료인용]
[IT비즈뉴스 최태우 기자] 국내 연구진이 고효율·청정 수소를 생산에 활용되는 광전극을 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매 없이 구현하는 데 성공했다. 광전극은 태양광을 흡수해 전기에너지로 바꿔주는 물질로 친환경(태양광 물 분해) 기법을 통한 수소 생산에서의 핵심요소다.

수소는 에너지 사용 과정에서 온실가스와 미세먼지 발생 문제가 없는 대표적인 청정연료다. 수소차의 보급 등을 통해 그 쓰임이 크게 증가할 전망이다. 허나 기존의 화석연료를 사용해 수소를 생산하면 수소 생산량의 10배에 달하는 이산화탄소가 발생된다.

‘태양광 물 분해’를 통한 수소 발생 기술은 햇빛과 물을 원료로 사용하면서 부산물 없이 수소를 생산할 수 있는 기술이다. 광전극과 수소 발생 촉매가 태양광-수소 발생 소재로 주목을 받고 있으나 고비용의 제조법 및 값비싼 귀금속 소재를 필요로 하는 문제로 실용화에 어려움을 겪고 있다.

24일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면, 국가기반기술연구본부 민병권 본부장, 이동기·김병우 박사 연구팀이 기존 공정보다 저렴한 제조법과 소재를 활용해 귀금속 촉매 없이도 고효율의 태양광-수소 생산 성능을 보이는 광전극을 개발했다.

KIST 연구진은 저렴한 제조공정을 개발하기 위해 유연박막태양전지 소재로 주목받고 있는 황셀레늄화구리인듐갈륨(CIGS) 소재를 활용했다. 연구진은 대량생산과 대면적화가 쉬운 저가의 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하면서 고효율의 CIGS 광전극을 제조하는 데 성공했다.

특히 비용이 높아지는 주된 요소인 귀금속 촉매 대신에 CIGS 광전극의 합성과정에서 자연스럽게 형성되는 황화구리를 촉매로 활용하면서 비용을 획기적으로 절감할 수 있다고 연구진은 설명했다.

황화구리는 CIGS 제조 중 생성되는 부산물로 취급돼 제거하는 것이 일반적이었으나, KIST 연구진은 해당 물질이 부산물이 아니라 수소 발생용 촉매로도 활용될 수 있다는 것을 밝혀내고 이를 백금 대체 소재로 활용했다.

연구진에 따르면, 이번에 개발한 CIGS 광전극은 기존까지 보고된 용액공정 CIGS 광전극 중에서 가장 높은 태양광-수소 발생 전류량(-26㎃/㎠)을 기록했다. 별도 후공정이나 백금 촉매 없이도 기존의 백금 촉매를 사용한 CIGS 광전극 대비 높은 효율을 기록해 주목된다.

KIST 민병권 본부장은 “해당 연구는 태양광-수소 전환기술의 핵심 기술인 고효율 광전극을 저비용으로 구현할 수 있는 돌파구를 마련했다는 점에서 의미가 있다”며 “연구를 통해 개발된 저가의 고성능 광전극은 다가올 수소경제 시대에서 수소의 생산 및 사용 전체에 걸쳐 탄소발자국을 남기지 않는 친환경 시스템 구현에 기여할 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.

해당 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행됐다. 연구결과는 촉매 분야 최고 수준 과학전문지인 「ACS Energy Letters」(IF : 16.331, JCR 분야 상위 1.923%) 최신호에 게재됐다.

 

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