‘수소 효율적 생산’ 녹색기술 개발

[산업일보]
실리콘 나노선을 활용해 햇빛으로 물을 분해해 수소를 효율적으로 생산하는 녹색기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

황성필 교수(34세, 명지대)가 주도하고 계주홍 석사과정생(공동1저자) 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)이 추진하는 일반연구자지원사업(신진연구)의 지원을 받아 수행됐고, 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’誌 온라인 속보(12월 14일자)에 게재됐다.

황성필 교수 연구팀은 실리콘웨이퍼에 나노선을 만들어 햇볕을 쬐면 나노선이 태양에너지를 활용해 물을 분해해, 기존의 평평한 실리콘 판에 비해 수소 발생량이 획기적으로 증가함을 밝혀냈다.



지금까지 태양에너지를 활용한 연구들은 태양전지 패널로 전기를 만드는 방법이 대부분이었지만, 발전 및 저장과 운반에 문제가 있었다. 즉, 야간에는 발전이 불가능하고, 날씨와 계절적인 요인의 영향을 받는 등 태생적인 한계가 있어 안정적인 에너지원으로 활용하기에는 어려움이 있었다.

황 교수팀은 물을 분해하면 수소가 발생한다는 점에 착안해, 실리콘 나노선을 이용해 태양에너지를 수소에너지로 직접 변환시키는 연구를 수행했다.

수소를 생산·활용하면 기존의 전기발전에 비해 보관과 운반이 쉬워 석유를 활용하는 것처럼 수소를 직접 차세대 에너지원으로 이용할 수 있다. 게다가 수소는 연소 후에도 이산화탄소 발생 없이 오직 물만 배출하는 청정에너지로서 저탄소 녹색성장의 시대에 주목받는 에너지원이기도 하다.

연구팀은 실리콘웨이퍼를 화학적으로 식각(금속촉매무전해식각)해 저렴하면서도 간단하게 100nm두께(nm(나노미터): 10억분의 1미터)와 20μm길이(μm(마이크로미터): 백만분의 1미터)의 실리콘 나노선이 수직으로 밀집된 구조물을 만들어 태양에너지를 받아 활성화된 전자가 실리콘 표면까지 도달하는 거리를 단축시켜 전자 소실량을 최소화해 수소 발생량을 획기적으로 증가시켰다. 또한 나노구조가 빛의 파장보다 작아 빛이 반사되는 성질도 제거해 흡수되는 빛 에너지의 양을 극대화하였다.

또한 이 과정에서 소량의 백금 나노입자를 나노구조물 위에 제작해 촉매로 이용하는 방법을 동시에 연구해, 수소 발생량을 크게 증가시킬 수 있었다.

황성필 교수는 “이번에 개발된 실리콘 나노선 광전극은 반도체산업에서 널리 쓰이는 실리콘웨이퍼를 이용해 만든 것으로, 나노선이 효율적으로 광수소를 발생시킬 수 있음을 입증함과 동시에 기존의 반도체시설들을 활용한 광수소 대량 생산의 가능성을 보여주었다. 생산된 수소는 운반과 보관이 전기보다 용이하므로, 미래 수소 경제(hydrogen economy)에서 나노과학이 중요한 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.