물을 분해해 수소 만드는 새로운 접근법 제시

[산업일보]
물을 분해해 수소를 생산할 수 있는 새로운 접근법이 제시됐다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 이상한 교수(광주과학기술원)·장호원 교수(서울대) 연구팀이 자체적으로 +, -극을 가지고 있는 강유전체의 분극 값이 클수록 광 전류 밀도가 높아진다는 사실을 최초로 실험으로 밝혀 고효율의 물 분해 수소 생산을 위한 또 다른 접근법을 제시했다고 밝혔다.

지구에 존재하는 대부분의 물질은 내부에 전기적인 극(+, -전극)이 없다. 하지만 차세대 비휘발성 메모리 소자로 각광을 받고 있는 강유전체는 자체적으로 극을 가지고 있다. 이러한 특성은 빛을 받았을 때 전자-정공을 효율적으로 분리할 수 있어 태양 광 변환 효율을 높인다. 현재까지 강유전체의 자발 분극 값과 광 변환 효율 간의 연관성은 명확히 실험적으로 증명되지 않았다.

연구팀은 강유전체 자발 분극 값과 광 변환 효율 사이의 상관관계를 최초로 실험적으로 밝혔다. 연구결과, 비스무스 페라이트 광전극 박막에서 결정 방향별로 다른 자발 분극 값이 나타났다.

결정방향의 유형 중 하나인 수직 결정 방향에서는 65 마이크로 클롱(μC/cm2), 비틀어진 대각선 결정 방향에서는 110 마이크로 클롱(μC/cm2)이 나타난다. 이러한 자발 분극의 차이로 인해서 같은 비스무스 페라이트 물질이라도 수직 결정 방향에 비해 비틀어진 대각선 결정 방향에서 광 전류 밀도가 5배 이상 향상됐다.

광 전류 밀도가 높다는 것은 태양광으로부터 받은 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율이 크다고 말할 수 있다. 이렇게 발생된 전기 에너지가 물을 분해해 수소를 만들어 낼 수 있다. 즉, 더 높은 자발 분극 값을 가지는 강유전체를 광전극으로 사용해 결과적으로 수소 생산 효율을 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

이상한 교수는 “이 연구는 자체적으로 내부 전계를 가진 강유전체 자발 분극 값과 광 변환 효율 사이의 상관관계를 실험적으로 최초로 입증했다. 강유전체의 자발 분극 값이 태양 광 변환 효율을 높일 수 있는 물리적 성질 중의 하나임을 새롭게 제시했다. 이 연구결과는 수소 생산 뿐 아니라 태양 전지 등 에너지 생산 기술 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.