▲ 한국표준과학연구원이 개발한 광전극 보호막의 산소 결함 양 제어 기술 모식도

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 태양광으로 물을 전기 분해해 수소를 생산하기 위한 핵심기술을 개발, 그린수소 실용화뿐만이 아니라 인공 광합성 기술에도 활용이 가능하다.

한국표준과학연구원은 태양광 전극의 수명을 10배 향상 시켜 그린 수소 생산에 최적화된 태양광 전극 보호막 생산기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

그린 수소는 신재생 에너지 등을 이용해 탄소 배출 없이 생산되는 수소로, 태양광을 흡수할 수 있는 전극을 물에 담근 후 전기로 물을 분해해 수소를 얻어내는 방식이 대표적이다.

하지만 이 방식은 태양광과 물에 의해 전극이 쉽게 부식되고 이를 방지하기 위해 보호막을 씌우면 전기 전도율이 떨어져 수소 생산 효율이 낮아진다. 이는 그린 수소의 도입이 어려웠던 이유 중 하나다.

태양광 전극의 보호막은 이산화티타늄(TiO2) 등 주로 산화물 소재가 사용된다. 산화물은 전기가 잘 통하지 않지만 보호막 제조 공정에서 전하의 이동 통로 역할을 하는 산소 결함(defect)이 형성되면 물 분해가 가능해진다.

광전극의 수명을 늘리기 위해서는 전극의 부식을 막을 만큼 내구성이 좋으면서 전기 전도율이 높은 보호막을 개발하는 것이 관건이다.

KRISS는 수소 생산 효율을 극대화할 수 있도록 이산화티타늄(TiO2) 보호막의 산소 결함 양을 제어하는 기술을 세계 최초로 개발했다.

연구진은 산소 결함의 양에 따라 전하가 이동하는 원리를 광전자분광법과 전기화학적 분석법을 통해 규명함으로써 광전극의 수명 연장과 수소 생산에 최적화된 결함 양을 제시했다.

기존 연구들이 산소 결함에 의존한 것과 달리 이번 연구에서는 산소 결함의 양을 의도한 대로 조절할 수 있는 생산방식을 제안, 이는 산업계에서 이미 쓰이고 있는 공정을 활용해 양산이 가능한 방식이다.

실험 결과에 따르면, 보호막이 없는 광전극은 1시간 이내에 수명이 급격히 저하돼 수소 생산 효율이 초기 대비 20% 미만으로 감소한 반면, 수소 생산에 최적화된 보호막을 씌운 광전극은 100시간 후에도 85% 이상의 성능을 유지했다.

이번 성과를 이용하면 태양광 전극의 효율과 수명을 극대화할 수 있다. 또 이산화탄소를 포집 후 태양광을 이용해 화학에너지원으로 전환하는 인공 광합성 기술에도 응용 가능하다.

KRISS 소재융합측정연구소 김안순 책임연구원은 “이번 성과를 적용하면 기존 방식 대비 태양광 전극의 수명을 약 10배 향상할 수 있어 그린 수소 실용화를 앞당길 핵심기술”이라고 밝혔다.

KRISS는 후속 연구를 통해 태양광 전극의 수명을 최대화하기 위한 최적의 산소 결함 양과 그 원리를 밝힐 예정이다.

한편, KRISS 기본사업과 과학기술정보통신부 소재혁신선도프로젝트의 지원을 받은 이번 연구의 성과는 재료화학 분야 국제학술지인 저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A, IF=14.511)에 2월 28일자 표지 논문(back cover)으로 게재됐다.