▲ Si을 갈바니치환을 하면 보통은 위의 그림처럼 되지만 Cd 이온을 이용하면 아래 그림처럼 표면적을 극대화해 햇빛흡수율을 높일 수 있는 3D 나노트리구조를 만들 수 있다. .

수소를 태양광을 통해 생산하는 방식에 있어 효율을 기존대비 2배 이상 높이는 기술이 국내외 연구진에 의해 개발돼 수소연료전지나 자동차 상용화에 크게 기여할 전망이다.

재료연구소(소장 강석봉)는 표면기술연구본부 임재홍 박사와 한양대학교 좌용호 교수, 미국 UC Riverside의 명노상 교수가 공동 협력 연구를 통해 단결정 Si 기판을 이용한 갈바니치환법을 통한 단결정 나노소재를 개발했다고 밝혔다.

수소는 무공해 에너지원으로 미래에 화석연료를 대체할 것으로 기대되고 있다. 현재 수소 제조를 위해선 물을 전기분해하는 방식이 대표적으로 알려져 있지만 높은 전기비용 때문에 태양광을 활용한 기술이 주목받고 있다.

연구진은 실리콘(Si)을 테릴륨(Te)으로 치환하는 전기화학공정을 적용해 하이브리드 3D 구조로 표면을 구성, 수소생산 효율을 2배 이상 올리고 신뢰성도 확보했다. 실리콘 단결정 기판위에 500 나노미터크기의 작은 구슬과 같은 폴리머 구체를 단일층으로 형성한 후 에칭을 통해 형성된 실리콘 나노구조에 습식공정으로 테릴륨 3D 나노구조체를 형성해 표면적을 극대화시켜 이를 통해 햇빛 흡수율을 높인 것이다.

또한 이번에 개발한 기술을 적용하면 시간이 지나도 수소발생량에 큰 차이가 없어 상용화의 걸림돌이었던 신뢰성을 확보할 수 있다. 기존 기술은 10분 정도 사용하면 수소 발생량이 현저히 낮아지는 문제점이 있었다.

재료연구소 임재홍 박사는 “이번 성과는 지구상에 풍부한 자원이지만 에너지 생산 효율이 낮아 상용화에 걸림돌이 되었던 실리콘을 3D 하이브리드 소재로 구현해 고효율 및 고신뢰성 특성을 가지는 에너지 생산 소재의 제조가 가능하다는 것을 입증하는 선례”라며 “친환경에너지원인 수소를 생산할 수 있는 소재를 더욱 다양한 분야에 적용할 수 있는 원천기술 확보의 첫 단추를 잘 끼운 것”이라고 말했다.

재료연구소 임재홍 박사는 “이번 성과는 에너지 생산 효율이 낮아 상용화에 걸림돌이 되었던 풍부한 자원인 실리콘을 3D 하이브리드 소재로 구현, 대량생산에 적합한 전기화학공정을 이용해 단결정 나노소재 합성 및 다양한 소재 합성에 적용할 수 있는 공정을 제시하는데 의의가 있다”며 “이번 연구로 고품위 나노소재 합성에 대한 경쟁력을 확보함으로써 향후 에너지 저장 및 생산에 응용하는 원천 기술 개발에 한 걸음 더 다가가게 됐다”고 연구개발 의의를 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 나노기반소프트일렉트로닉스연구와 산업통상자원부에서 지원하는 핵심소재원천사업 및 에너지미래기술사업, 미국 UC Riverside 등이 공동 수행했다. 연구결과는 세계적인 학술지인 ‘Nanoscale’ 20호(10월21일자)의 표지논문으로 게재됐다.