전북대학교는 라용호 신소재공학부 교수(정보소재공학 전공)팀이 전기화학적으로 매우 안정적이고, 빛이 수소로 변환되는 '수광 효율'이 매우 좋은 질화물(GaN) 반도체를 독특한 나노구조체로 제작해 신개념 복합 나노구조체 기반 GaN 반도체 광전극 개발에 성공했다고 16일 밝혔다.
기존 귀금속 촉매 대비 매우 높은 신뢰성을 바탕으로 수소에너지 생산 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
친환경 그린수소 생산을 위해서는 물을 전기분해하는 방법이 가장 효과적이다. 이를 위해선 촉매가 사용되는데, 수소 생산 효율이 뛰어난 백금과 같은 귀금속 촉매가 전극으로 활용되고 있다. 하지만 귀금속 촉매는 제조 단가가 비싸고, 수소 생산 효율이 시간이 흐를수록 떨어지는 문제점을 안고 있다.
라용호 교수와 엄대영 연구교수는 이를 해결하기 위한 돌파구를 'GaN 반도체'와 '고품위 복합 나노구조체'에서 찾았다. 연구팀이 제안한 이번 기술은 외부 귀금속 촉매의 사용 없이 GaN 반도체만으로 장시간 동안 매우 안정적으로 광전기화학적 물분해를 통한 수소 발생 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다는 점에서 세계 학계의 주목을 받고 있다.
이번 연구 결과는 화학공학 분야 최고 권위 학술지 중 하나인 '케미칼 엔지니어링 저널' 최신호에 게재했다.
수전해 수광용 반도체 소재 중 '3족-GaN'은 태양광 내 가시광선부터 적외선 파장 범위까지의 수전해 광전기화학적 산화·환원전위를 모두 포용할 수 있는 물질이다. 동시에 매우 높은 전기화학적 안정성, 고온 안정성, 긴 수명, 넓은 수광 파장대역(자외선~적외선)을 가진 와이드 에너지 밴드갭 반도체로써 차세대 수전해 광전극 소재로 각광을 받고 있다.
이러한 장점에도 불구, 넓은 수광 파장대역을 가진 고농도 인듐 조성의 질화물(InGaN) 반도체는 물질 내 높은 결정 결함 밀도와 제한된 수광 반응 영역으로 인해 여전히 고효율 수소 환원 반응 광전극 제작 및 상용화 측면에서 어려움이 있었다.
연구팀은 해당 문제점 극복을 위해 수광 반응 비표면적이 극대화된 GaN 1D 나노선 구조체의 동축 표면상에 고농도 InGaN) 피라미드 형태인 0D 나노구조체를 고품위로 합성함으로써 태양광 스펙트럼 흡수 효율을 극대화시킬 수 있는 신개념 복합 나노구조체를 유기금속화학증착법(MOCVD)을 통해 새롭게 개발했다.
태양광 흡수에 의해 고농도 InGaN 나노구조체 내에 생성된 전하 캐리어들의 표면 재결합을 효과적으로 방지함으로써 수소 환원 반응 효율을 극대화시킬 수 있는 독특한 가변 에너지 밴드 구조 설계로 인한 양자-슬라이딩 이동 효과를 정의하는 신개념 에너지 밴드갭 메커니즘을 세계 최초로 정립했다.
실험 결과, 개발한 GaN 반도체 기반 복합 나노구조체 광전극은 기존에 널리 사용되고 있는 귀금속 소재의 광전극에 비해 넓은 비표면적과 효율적인 전하 캐리어의 이동 원리에 의해 수소발생 효율이 비약적으로 향상되었음을 확인했다. 광전기화학적 물분해 기반 수소 생산 기술 실용화의 치명적 단점이었던 장시간 안정성 역시 획기적으로 개선시킨 고무적인 연구결과를 보였다.
연구팀은 “이번 핵심기술은 MOCVD를 통해 제조해 대량 생산이 가능하기 때문에 그린수소 생산의 실용화를 앞당길 수 있는 선도적인 원천기술이 될 것”이라며 “새만금지역의 그린수소 산업과 대한민국 수소경제사회를 가속화시키는 데 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 핵심 기술 개발은 라용호 교수 연구팀의 엄대영 연구교수가 제1저자로 실험을 주도했으며, 한국연구재단의 나노및소재기술개발사업의 지원을 받아 수행했다.
전주=김한식 기자 hskim@etnews.com
