▲ 박태호 포스텍 교수.

태양광 청정에너지를 이용해 수소를 생산할 수 있는 기술이 개발돼 고효율, 저비용 수소에너지 제조를 위한 차세대 나노소재 개발 및 광전기화학 셀 설계 분야의 원천기술 개발에 기여할 것으로 기대되고 있다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 최근 국내 연구진이 썬크림, 건축 내장재에 주로 사용되는 광촉매인 ‘티타늄 산화물(TiO₂)’을 이용해서 태양광 흡수 능력 및 전기 전도도를 크게 향상시킨 나노소재 제조 기술을 개발해 태양광 물 분해 수소생산 소자 효율을 최대 이론값 수준으로 끌어올리는데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구는 연세대학교 박종혁 교수, 아주대학교 신소재공학과 조인선 교수, 포스텍 박태호 교수 연구팀이 공동으로 수행했고, 미래창조과학부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 지원됐다. 연구결과는 나노분야 권위지인 나노레터스(Nano Letters)지 온라인판에 8월18일 게재됐다.

연구팀은 티타늄 산화물 기반 나노튜브를 양극산화법으로 제조하고, 전기전도도향상을 위해 저온 용액공정을 통해 나노튜브 내부에 산소공공을 생성하고 포면에 10nm크기의 나노결정을 형성했다.

이후 고온/급속 화염공정을 결합해 전사된 나노튜브와 투명전도체 사이의 계면특성을 획기적으로 향상시키는데 성공했다.

이를 통해 전자/정공 재결합율을 8%이하로 낮춤으로써 티타늄산화물 광전극의 이론 광전류값(2.1mA/㎠)에 매우 근접한 값을 얻는데 성공했다.

연구에서 개발된 융합공정기반 환원기술의 경우, 티타늄 산화물 보다 밴드갭이 작은 산화철(Fe₂O₃) 또는 비스무스 바나늄 산화물(BiVO₄)과 같은 신규 광전극 소재에 적용할 경우 획기적인 효율향상을 통해 태양광-수소생산 효율 10%를 얻을 수 있으리라 기대되고 있다.

또한 기존에 문제가 되었던 장기 안정성 문제도 크게 향상되어 광전기화학셀의 상업화 가능성을 한층 높일 수 있는 기술로 기대되고 있다.

연구팀은 이번 연구를 통해 고효율, 저비용 수소에너지 제조를 위한 차세대 나노소재 개발 및 광전기화학 셀 설계 분야의 원천 기술 개발에 기여할 것으로 기대하고 있다.

연구팀 관계자는 “이번에 개발된 용액/화염 듀얼공정 기반 나노소재 고기능화 기술은 비단 티타늄 산화물 소재뿐만 아니라 밴드갭이 좀 더 작은 신규 소재들(텅스텐산화물, 산화철 또는 비스무스 바나듐산화물)에 확대 적용이 가능하다”며 “이들 소재들은 이론 효율 값이 매우 높기 때문에 추가 연구개발을 통해 효율 한계인 10%의 벽을 충분히 넘을 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

교신저자인 박태호 포스텍 교수는 “현재 화장품 및 페인트 등의 많은 제품에 사용되고 있는 산화 티타늄 소재의 응용분야 확대를 기대할 수 있으며 미래 청정에너지인 태양광 에너지 수소변환 기술의 상용화 가능성을 혁신적으로 가속화할 수 있는 계기를 마련한 연구결과”라고 밝혔다.

▲ 이번 연구에서 개발한 티타늄 산화물 나노튜브 전사코팅법과 화학/화염 듀얼 환원처리기술 개요도.