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연세대 문주호 교수, ‘그린 수소’ 생산기술로 이달의 과학기술인상 수상

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글 : desk(webmaster@global-autonews.com)
승인 2022-01-19 09:16:01

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과학기술정보통신부(장관 임혜숙, 이하 과기정통부)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 연구재단)은 ‘이달의 과학기술인상’ 1월 수상자로 연세대학교 신소재공학과 문주호 교수를 선정했다. ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.

 

과기정통부와 연구재단은 “2050 탄소중립을 실현할 친환경 미래에너지로 수소가 주목받는 가운데, 문주호 교수가 태양광소자 기술에 기반을 둔 ‘그린 수소’ 생산 연구로 미래 에너지 개발의 국가 경쟁력을 강화한 공로를 높이 평가했다”고 밝혔다.


그린 수소 생산하는 ‘태양광 물분해’ 고효율화

 

그린 수소는 태양광이나 풍력 등 재생에너지에서 나온 전기로 물을 분해해 수소를 생산하는 수전해수소를 말한다. 수소 연료는 화석 연료와 달리 탄소를 발생시키지 않는 청정 연료이지만, 정작 수소 생산 과정에서 화석 연료를 사용하고 그 과정에서 온실 가스가 발생하기 때문에 반쪽짜리 청정 연료로 여겨지고 있다. 반면 그린 수소는 화석 연료 없이 생산되므로 온실 가스를 배출하지 않아 탄소중립 시대 핵심 기술로 평가받는다. 다만 기존 방식에 비해 생산 단가가 3배가량 비싸다는 단점이 있어 수소 연료 사용을 위해서는 그린 수소 생산의 저비용 고효율화가 관건이다.

 

문주호 교수는 태양전지를 활용해 물을 분해하여 수소를 얻는 ‘태양광 물분해 소자’를 기존 대비 저비용 고효율화하는 데 성공했다. 산화 알루미늄 구조체에 기반한 반투명 태양전지를 활용해 소를 생산하는 소자(태양전지-광전극 물분해 소자)를 세계 최초로 제안한 것. 기존의 ‘태양광-수소 생산시스템’은 고가의 반도체 물질과 복잡한 생산 공정으로 고비용 저효율의 어려움을 겪고 있으나, 연구팀은 태양광-수소 변환 효율이 높은 적층형 텐덤(Tandem) 소자 개발에 성공해 저가 반도체로 저비용 고효율의 그린 수소 생산에 성공했다.

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태양광-수소 변환 효율 세계 최초 10% 달성

 

상부 전극으로 사용되는 반투명 태양전지의 경우, 산화 알루미늄 구조체에 페로브스카이트 빛 흡수 물질을 채워 넣는 방식으로 제작됐다. 산화 알루미늄 구조체를 사용하면, 구조체의 기공 크기 제어를 통해 다양한 빛 흡수 물질을 이용해 적절한 투과도와 높은 효율을 동시에 갖는 상부 전극의 제작이 가능하다. 즉, 재료 고유의 물리적 특성과 무관하게 태양전지가 흡수할 수 있는 빛 파장대 및 광량의 정밀한 조절이 용이하여 흡수층 재료 선택의 범위가 넓어진다. 더불어 하부 물분해 광전극은 셀렌화안티몬(Sb2Se3) 기반으로 제작해 효율적으로 태양광을 흡수하고, 상부의 태양전지를 통과한 긴 파장의 빛을 효과적으로 활용해 높은 전류를 발생시키도록 했다.

 

연구팀은 반투명 태양전지를 통해 흡수되는 빛 파장대를 정밀하게 조절하고, 이에 고효율 물분해 광전극을 적용해 넓은 파장의 태양광을 효과적으로 분배 및 활용했다. 또한 상부 태양전지 및 하부 물분해 광전극의 광학적 특성을 기반으로 최적 투과도 및 달성 가능한 최대 효율을 이론적으로 계산했다. 이를 바탕으로 제작한 태양전지-광전극 물분해 소자는 세계 최초로 10%가 넘는 태양광-수소 변환 효율을 달성할 수 있었다. 해당 연구는 세계적 학술지인 에 게재됐다.

 

문주호 교수는 “이번 연구는 태양광으로 물을 분해하여 그린 수소를 생산한 것으로, 넓은 범위 파장의 태양광을 효율적으로 활용할 수 있도록 광전극 기반 소자를 개발하여 세계 최고 수준의 태양광-수소 변환 효율을 달성했다는 데에 의의가 있다”며 “본 연구가 태양광-수소 변환 소자의 새로운 패러다임이 되기를 바란다”고 밝혔다.

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“전자 ‘스핀 특성’ 이용한 물분해 소자 제작할 것”

 

태양광 물분해 소자는 반도체 물질이 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 형성하고, 이들이 소자 표면까지 이동해 물분해 반응을 유도하여 수소를 생산한다. 이 시스템에서 효율을 높이기 위해 기존에는 전자와 정공의 양을 늘리거나 이들의 이동을 촉진시키는 방향으로 연구를 진행해 왔다. 반면 문 교수는 전자와 정공의 물리적 특성 중 하나인 ‘스핀’에 집중하고 있다. 이 스핀을 정밀하게 제어하면 원치 않는 반응을 원천적으로 억제할 수 있어, 물분해 소자의 수명을 비약적으로 증가시키고 효율을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다.

 

문 교수는 지난해부터 스핀-그린 수소 연구단을 이끌며 관련 연구를 진행 중이다. 그는 “스핀 특성을 제어하는 것은 매우 어려운 작업인데, 마침 우리 연구팀이 세계 최초로 개발한 카이랄 페로브스카이트 물질을 이용하면 스핀 특성을 쉽게 제어할 수 있어 해당 연구에 접목했다. 다양한 이론적 계산과 실험을 통해 고효율 물분해 소자를 장시간 구동할 수 있도록 하여 해당 소자를 상용화 목전에 올리는 것이 연구단의 최종 목표”라고 밝혔다.

 

{자료 출처 : 한국과학기술단체 총연합회KOFAST 한국과총 웹진)

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