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국내 공동연구팀이 가시광선을 이용해 수소를 생산할 수 있는 새로운 광전극을 개발했다.
- 울산과학기술원(UNIST) 제공
백정민 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 교수와 이헌 고려대 신소재공학부 교수, 신종화 KAIST 신소재공학과 교수, 이재성 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수가 참여한 공동연구팀은 메타물질을 활용해 가시광선을 흡수할 수 있는 광전극을 개발했다고 1일 밝혔다.
기존 광전극은 태양광의 약 4%에 불과한 자외선만을 사용한다는 한계가 있었다. 때문에 태양광의 약 43%를 차지하는 가시광선 영역을 활용할 수 있는 고효율 광전극 개발 연구가 활발히 진행되고 있는 상황이다.
연구팀은 금 박막과 전기를 유도하는 유전체인 이산화티타늄(TiO2) 박막, 금 나노입자를 차례로 쌓아 메타물질 구조체를 만들어냈다.
이 구조체를 적용한 광전극은 내부 전기장이 부분적으로 30배 이상 확대돼 기존 광전극보다 전류가 2.3배 이상 더 많이 흐르는 것으로 나타났다. 또 가시광선 전 파장영역에서 높은 흡수율을 보였고 전체 전류 중 25% 이상이 가시광선 영역의 에너지를 흡수한 것으로 확인됐다.
연구팀은 메타물질 구조체를 대면적으로 제조하고 광전극의 광전환효율을 높일 수 있는 방안에 대해 연구할 계획이라고 밝혔다.
백 교수는 “메타물질을 적용해 기존 광전극이 흡수하지 못했던 가시광 영역의 에너지를 95% 이상 흡수해 활용할 수 있다”며 “이는 가시광선을 사용해 수소를 생산할 수 있는 원천기술을 확보한 의의가 있다”고 말했다.
연구 결과는 에너지과학 분야 저널 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 지난달 14일자 온라인판에 공개됐고 3월호에 게재돼 출판될 예정이다.
(나) 광전극의 광흡수도 그래프. 메타물질 구조체를 적용한 경우(파란색, 빨간색, 검은색 곡선) 전 파장 영역에 걸쳐 흡수도가 높게 나타났다.
(다) 메타물질 구조체를 적용한 광전극(상단)과 그렇지 않은 경우(하단)의 전기장 비교 그래픽 - 울산과학기술원 제공
