▲ 고효율 무배선 인공나뭇잎 기반 태양광 수소 생산 시스템(출처: UNIST)

국내 연구진이 태양에너지를 수소로 직접 전환하는 인공나뭇잎 모듈을 개발해 탄소 중립 실현을 위한 그린 수소 생산기술 발전에 기여할 전망이다.

UNIST 에너지화학공학과 이재성·석상일·장지욱 교수팀은 고효율·고내구성·대면적 확장성을 모두 갖춘 ‘모듈형 인공나뭇잎’을 개발했다고 23일 밝혔다.

인공나뭇잎은 자연의 잎처럼 햇빛과 물만으로 수소를 생산하는 기술로, 외부 전력을 따로 사용하지 않으며 수소 생산 과정에서도 이산화탄소를 배출하지 않는 그린 수소 생산 방식이다.

기존 태양전지 기반 전기분해 방식(PV-EC)과 달리 전기 생산 단계를 생략하고 광에너지를 직접 화학에너지로 바꾸는 구조라 시스템간 저항에 의한 손실이 적고 설치 면적도 줄일 수 있다. 그러나 낮은 효율, 내구성과 그 규모를 키우는 확장성 문제로 상용화에 제약이 있었다.

연구팀은 페로브스카이트 기반의 태양광 흡수층과 니켈-철-코발트 촉매를 활용해 1㎠ 단위의 고효율 광전극을 제작하고, 이를 4×4 배열로 확장한 모듈형 인공나뭇잎을 개발했다. 해당 모듈은 별도 전원 없이도 태양광만으로 안정적인 수소 생산이 가능하며, 모듈 전체 수준에서 태양광 수소 전환 효율(Solar to Hydrogen Efficiency, STH) 11.2%를 달성했다.

이는 현재까지 보고된 인공나뭇잎 중 최고 수준이며, 상용화에 필요한 10% 이상의 효율을 모듈 규모에서 달성했다는 점에 큰 의미가 있다는 설명이다.

연구진은 고효율과 안정성을 확보한 이유로 염소를 첨가한 페로브스카이트 흡광층(Cl:FAPbI₃)과 자외선에 강한 전자수송층(Cl:SnO), 촉매층(NiFeCo)의 조합을 꼽았다.

또 전극의 수분 노출에 의한 손상을 막기 위해 특수 니켈 포일과 수지 봉지 기술을 적용해 140시간 연속 작동에서도 99%의 초기 성능을 유지할 수 있었다.

이재성 교수는 “이번 성과는 단순히 실험실에서의 고효율 수소 생산을 넘어서, 실제 현장에서 사용할 수 있는 수준의 모듈형 인공광합성 장치로 상용화의 기준인 10% 이상의 효율을 달성했다는 점에서 의미가 크다”며, “태양전지 패널처럼 대면적 인공나뭇잎 패널로 확장도 가능해 상업화를 위한 결정적 진전을 이뤘다”고 말했다.