(왼쪽부터) 김진영 UNIST 교수, 우한영 고려대학교 교수, 하정민 고려대학교 연구원, 김재형 UNIST 연구원. UNIST 제공

그림. 특수 고분자를 적용한 유기 광전극 구조와 수소 생산 성능. 친수성 곁사슬에 아이오딘 이온이 있는 다기능성 특수 고분자(PNDI-NI)를 사용한 경우(연보라색) 가장 높은 수소 생산 효율을 보였다. UNIST 제공

세계 최고 수준의 태양광 수소 생산 성능을 갖춘 유기 반도체 광전극이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 탄소중립대학원 김진영 교수와 고려대 우한영 교수팀이 무기 광전극에 비견되는 수소 생산 성능을 지닌 장수명 유기 광전극을 개발했다고 밝혔다.

태양광 수소는 광전극의 반도체 광활성층이 햇빛을 받으면 생기는 전자가 물에서 화학 반응을 일으키면서 만들어진다.

유기 반도체 광활성층을 사용하는 유기 광전극은 백금 촉매가 고르게 입혀지지 않거나 수소 생산 반응 도중 쉽게 떨어지는 문제가 있었다. 유기 광전극이 생산비용이 저렴하면서 가볍고 유연하다는 장점에도 상용화가 어려운 주요 원인이다.

공동 연구팀은 광전극의 반도체 광활성층에 자체 개발한 다기능성 특수 고분자를 코팅해 효율과 내구성이 뛰어난 유기 광전극을 만들었다.

이 유기 광전극은 외부 전압을 고려한 광전 변환 효율(ABPE)이 8.88%로 세계 최고 수준의 성능을 보였다. 일반적으로 유기 광전극보다 효율이 뛰어난 것으로 여겨지는 무기 광전극과 유사한 수준이다.

연구팀 관계자는 "특수 고분자 코팅부터 백금 촉매 형성까지 모두 용액 상태에서 진행할 수 있어 대면적 제작에 유리하고, 백금 외 다양한 촉매 물질과 유기 광전극으로 확장할 수 있는 기술"이라고 말했다.

한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스'(Advanced Energy Materials)에 지난달 6일 게재됐다.

송현수 기자 songh@busan.com