친환경 수소 생산 시스템 구현에 기여

[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) 국가기반기술연구본부 민병권 본부장, 이동기 박사, 김병우 박사 연구팀이 기존 공정보다 값싼 제조법과 소재를 활용하여 비싼 귀금속 촉매 없이도 고효율의 태양광-수소 생산 성능을 보이는 광전극을 개발했다.

수소는 대표적인 친환경 연료로, 연소 후에도 잔여물로 물만을 배출하기 때문에 온실가스를 배출하는 석탄·석유 등 기존 탄소기반 원료를 대체하여 지속가능한 발전을 가능하게 할 청정연료로 각광받고 있다. 하지만 현재 수소를 생산하는 방법은 이산화탄소 온실가스를 배출하기 때문에, 진정한 친환경 연료로 쓰이기 위해서는 생산 단계에서도 온실가스를 배출하지 않는 기술이 요구된다.

이에 태양빛의 에너지를 이용해 물을 분해하여 수소를 생산하는 “태양광 물분해” 기술이 차세대 수소생산 기술로 꾸준히 연구되고 있다.

태양광 물분해란 햇빛을 흡수하여 물(H₂O)로부터 수소(H₂)와 산소(O₂)를 생산하는 촉매 반응을 일컫는다. 식물의 광합성 반응에서는 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소로부터 화합물을 합성한다. 태양광 물분해 반응은 빛을 흡수하여 수소를 생산하고자 하므로, 인공광합성의 한 예라고 볼 수 있다.

태양광을 이용해 고효율로 물을 분해하기 위해서는 좋은 광전극을 만드는 것이 중요하다. 광전극은 광에너지를 흡수하여 전기에너지로 바꿀 수 있는 반도체와 전기에너지를 물에 전달하는 것을 도와 물을 수소로 바꿔주는 촉매로 구성된다.

하지만 이 반도체의 제조공정은 일반적으로 고진공 기반의 장비를 요구하기 때문에, 대량생산 및 대면적화에 쉽지 않다. 게다가 촉매로는 대개 백금 등의 귀금속이 쓰이는데, 이 또한 광전극의 가격을 높여 상용화를 가로막는 요인이 된다.

이에 KIST 연구팀은 저렴한 제조 공정을 개발하기 위해 유연 박막 태양전지 소재로 주목받고 있는 황셀레늄화구리인듐갈륨(CIGS) 소재를 활용했다.

황셀레늄화구리인듐갈륨(CIGS) 화합물은 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 황(S), 셀레늄(Se)의 원소가 일정 비율로 결합된 화합물로, 반도체의 특성을 나타낸다. 얇은 두께(1~3 ㎛)로도 대부분의 빛을 흡수할 수 있으며 기판에 따라 휘어질 수 있는 특성이 있어 차세대 태양전지용 물질 후보 중 하나로 지목되고 있다. 물을 환원시켜 수소를 생산하기에 적절한 전자구조를 가지고 있어 광촉매 전극으로 관심이 점차 증가 중이다.

▲ 황화구리가 자연 증착된 용액공정 CIGS 광전극의 태양광 물분해 수소 발생 성능

연구팀은 대량생산과 대면적화가 쉬운 저가의 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하여 고효율의 CIGS 광전극을 제조하는 데 성공했다. 또한, 고비용을 발생시키는 주된 요소인 귀금속 촉매 대신에 CIGS 광전극의 합성 과정에서 자연스럽게 형성되는 황화구리를 수소 발생 촉매로 활용하여 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 방법을 제시하였다.

본래 황화구리는 CIGS 제조 중 생성되는 부산물로 취급되어 제거하는 것이 일반적이었다. 하지만 KIST 연구팀은 해당 물질이 부산물이 아니라 유용한 수소 발생용 촉매로도 활용될 수 있다는 것을 밝혀내고 이를 백금 대체 소재로 활용하였다.

연구팀이 개발한 CIGS 광전극은 기존까지 보고된 용액공정 CIGS 광전극 중에서 가장 높은 태양광-수소 발생 전류량(-26 ㎃/㎠)을 기록했다. 별도의 후공정이나 백금 촉매 없이도 기존의 백금 촉매를 사용한 CIGS 광전극들보다 높은 효율을 기록했다는 점에서 혁신적인 연구결과이며, 산업적 활용 가능성도 크다.

KIST 민병권 본부장은 “이번 연구는 태양광-수소 전환기술의 핵심 기술인 고효율 광전극을 저비용으로 구현할 수 있는 돌파구를 마련했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “이번 연구를 통해 개발된 저가의 고성능 광전극은 다가올 수소경제 시대에 수소 생산 및 사용 전반에 걸쳐 탄소발자국을 남기지 않는 친환경 시스템 구현에 이바지할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 저가 제작공정 및 귀금속을 대체하는 새로운 대안의 저가 촉매를 제시함으로써 태양광 물분해 기술의 생산비용을 대폭 절감하고 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 촉매 분야 과학전문지 ‘ACS Energy Letters’ 최신호에 출판되었다.

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