대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 양지웅 교수팀은 삼원계 친환경 반도체 양자점의 결함제어 합성법을 통해 세계 최고 수준의 광수소 생산법을 개발했다고 31일 밝혔다.

DGIST 에너지공학과 인수일 교수, 단국대 화학공학과 김재엽 교수와 공동연구를 통해 개발한 이번 기술은 친환경 양자점의 물질적 성질을 자유롭게 제어해 광전기화학 소자에 적용하고 이를 통해 효과적으로 태양광 수소를 생산하는 방법이다.

최근 탄소중립 달성을 위한 차세대 청정에너지원으로 수소가 주목받고 있지만 청정에너지원인 수소의 생산이 대부분 석유 분해 방식 등 비친환경적인 환경에서 이루어진다는 문제가 존재한다.

이를 해결하기 위해 태양에너지와 전기에너지를 활용해 물을 분해하는 친환경적 수소 생산 방식인 광전기화학적 수소 생산에 대한 연구가 많은 주목을 받고 있다.

전기분해와 더불어 태양광 에너지까지 활용하기에 매우 높은 효율성을 기대하고 있지만 아직 실험적으로는 높은 효율이 구현되지 못하고 있기에 생산 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

기존의 경우 광전기화학적으로 수소를 생산하기 위해 주로 수계 환경에서 안정성이 높은 산화물 반도체를 이용해 물을 분해했다.

산화물 반도체는 안정성이 높지만, 수소 생산 효율이 굉장히 낮다는 한계점이 존재하는데 그 이유는 넓은 밴드갭으로 인해 태양광 에너지의 극히 일부만 흡수하고 물 분해 과정에 활용할 수 있기 때문이다.

대표적인 예로 산화물 반도체 중 하나인 이산화티타늄(TiO₂)의 경우 넓은 밴드갭으로 인해 전체 태양광 에너지 중 4% 이하만 흡수해 활용할 수 있다는 근본적인 한계를 가지고 있다.

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.

기존에는 3가지 원소(구리, 인듐, 셀레듐)로 구성된 삼원계 반도체가 양자점 수준에서 물성(물질의 성질) 제어에 제약이 있는 것으로 알려져 있었으며 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㎚의 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 향상시킬 수 있었다.

또 합성된 친환경 양자점을 광전기화학 소자에 적용 시 모든 영역의 태양광 에너지를 효과적으로 활용해 효과적으로 수소를 생산할 수 있었다.

특히 최적화된 결함 농도를 지니는 양자점을 활용할 때 순수한 이산화 타이타늄(TiO₂) 광전극 대비 20배 가량 증대된 광전류 밀도(약 10.7 mA cm-2)를 나타내며 수소를 생산했다. 이는 친환경 양자점을 활용한 연구 중 세계 최고 수준의 성능이다.

양지웅 교수는 "새롭게 개발한 친환경 기술로 양자점 물성을 대폭 향상하게 됐는데 세계 최고 수준의 태양광 수소 생산 성능을 보인 결과도 나타나 매우 기쁘다"고 말했다.

인수일 교수는 "이번 연구를 통해 친환경 양자점 반도체 기술이 기존 디스플레이뿐만 아니라 환경 및 에너지 문제 해결에도 광범위하게 적용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

한편 연구는 연구재단 우수신진연구사업 등의 지원을 통해 이뤄졌으며 연구결과는 세계적 에너지·환경분야 저널인 카본 에너지(Carbon Energy)에 온라인 게재됐다.