전기·빛 활용 ‘이중모드 수소 생산 전극’ 운용
곽진성 교수 연구팀, 작동 원리 실증까지 성공
친환경 기술 세계적 권위지 '에코매트'에 게재

친환경 미래 에너지로 꼽히는 수소를 낮에는 햇빛으로, 밤에는 전기로 쉬지 않고 만들어낼 수 있는 혁신적인 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

국립창원대학교는 반도체물리학과 곽진성 교수 연구팀이 전기와 빛 두 가지 방식을 모두 사용해 수소를 효율적으로 생산하는 ‘이중모드 이종접합 전극’을 개발하고 작동 원리를 실증하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

국립창원대 반도체물리학과 곽진성 교수 연구팀. 국립창원대 제공

기존의 수소 생산 전극은 하나의 소재가 빛을 흡수하고, 전기를 전달하며, 수소를 만들어내는 모든 과정을 혼자 담당해야 했다.

이 때문에 각 기능이 서로 간섭을 일으켜 전체적인 생산 효율이 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 소재 간 ‘역할 분담’ 방식을 도입했다.

실리콘 바탕 위에 수직으로 세운 질화갈륨(GaN) 나노로드가 빛을 받아 전기를 일으키고 전달하는 ‘발전기’ 역할을 맡고, 그 표면을 감싼 이황화티타늄(TiS2)이 수소를 직접 만드는 ‘촉매 공장’ 역할을 하도록 공간적으로 분리한 것이다.

이 새로운 구조 덕분에 하나의 장치로 전하 공급 방식에 따라 두 가지 모드를 자유롭게 전환할 수 있게 됐다.

연구팀은 이를 활용해 햇빛이 드는 낮 8시간 동안은 빛을 이용한 광전기화학 방식으로, 빛이 없는 밤 16시간 동안은 전기를 이용하는 전기화학 방식으로 24시간 내내 멈추지 않고 수소를 생산하는 운용 시나리오를 제시했다.

실제 24시간 동안 진행된 연속 시험에서도 전극의 구조와 주요 화학 성질이 안정적으로 유지되어 상용화 가능성을 입증했다.

이번 연구 결과는 친환경 기술 분야의 세계적 권위지인 ‘에코매트(EcoMat, IF 12.6)’에 게재되며 학술적 가치를 높게 평가받았다.

곽진성 교수는 “하나의 물질에 여러 기능을 억지로 집어넣는 대신, 소재별로 전하 생성과 촉매 반응 역할을 명확히 나눠 효율을 대폭 높인 것이 핵심”이라며 “향후 실제 환경에서의 장기 안정성을 높이고 소재 두께를 정밀하게 제어해 성능을 한층 더 끌어올릴 계획”이라고 밝혔다.

이번 성과는 국립창원대 G-램프(LAMP)사업단의 지원을 받아 한국과학기술연구원(KIST)과의 공동연구로 결실을 맺었다.

연구팀의 손호기 박사후연구원과 황혜경 박사과정생이 공동 제1저자로 참여해 청년 연구자들의 뛰어난 연구 역량을 보여줬다.