귀금속 촉매 없이 고효율의 광전극 제조기술, 대면적·대량생산 가능
저비용의 태양광·수소 생산기술, 친환경 수소 생산 시스템 구현에 기여
[서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 한국과학기술연구원(KIST)는 24일 국가기반기술연구본부 민병권 본부장, 이동기 박사, 김병우 박사 연구팀은 기존 공정보다 값싼 제조법과 소재를 활용하여 비싼 귀금속 촉매 없이도 고효율의 태양광·수소 생산 성능을 보이는 광전극을 개발했다고 밝혔다.
수소는 에너지 사용 과정에서 온실가스와 미세먼지 발생 문제가 없는 대표적인 청정 연료이며, 수소차의 보급 등을 통해 그 쓰임이 크게 증가할 전망이다. 하지만 기존의 화석연료를 이용하는 공정을 통해 수소를 생산하면 수소 생산량의 10배에 달하는 이산화탄소가 발생 되는 문제가 있어 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
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| [서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 교신저자 민병권 KIST 박사(국가기반기술연구본부장) . [제공=KIST] 2019.12.24 swiss2pac@newspim.com |
그중 '태양광 물 분해'를 통한 수소 발생 기술은 햇빛과 물을 원료로 하여 이산화탄소 등의 부산물 없이 청정한 수소를 생산할 수 있는 기술이다. 이에 다양한 광전극과 수소 발생 촉매들이 태양광-수소 발생 소재로 연구돼 오고 있으나, 고비용의 제조법 및 값비싼 귀금속 소재를 필요로 하는 문제로 실용화에 어려움을 겪고 있다.
KIST 연구진은 저렴한 제조 공정을 개발하기 위해 유연 박막 태양전지 소재로 주목받고 있는 황셀레늄화구리인듐갈륨(CIGS) 소재를 활용했다. 대량생산과 대면적화가 쉬운 저가의 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하여 고효율의 CIGS 광전극을 제조하는 데 성공하였다.
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 연구진은 해당 물질이 부산물이 아니라 유용한 수소 발생용 촉매로도 활용될 수 있다는 것을 밝혀내고 이를 백금 대체 소재로 활용하였다.
KIST 연구진이 개발한 CIGS 광전극은 기존까지 보고된 용액공정 CIGS 광전극 중에서 가장 높은 태양광·수소 발생 전류량(-26mA/cm2)을 기록하였다. 별도의 후공정이나 백금 촉매 없이도 기존의 백금 촉매를 사용한 CIGS 광전극들 보다 더욱 높은 효율을 기록했다는 점에서 혁신적인 연구결과이며, 산업적 활용 가능성도 크다.
민병권 KIST 본부장은 "본 연구는 태양광-수소 전환기술의 핵심 기술인 고효율 광전극을 저비용으로 구현할 수 있는 돌파구를 마련했다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "본 연구를 통해 개발된 저가의 고성능 광전극은 다가올 수소경제 시대에서 수소의 생산 및 사용 전체에 걸쳐 탄소발자국을 남기지 않는 친환경 시스템 구현에 이바지할 것으로 기대된다"라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원을 받아 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야 최고 수준 과학전문지인 'ACS Energy Letters'(IF : 16.331, JCR 분야 상위 1.923%) 최신호에 출판됐다.
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