울산과학기술원(UNIST)이 태양광을 이용한 수소 생산 기술의 상용화를 앞당길 핵심 물질을 개발했다.

조한희 UNIST 신소재공학과 교수팀은 태양광 수소 생산 성능을 향상시킬 수 있는 나프탈이미드계 자기 조립 분자 박막을 개발했다고 8일 밝혔다.

태양광 수소 생산은 햇빛을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 물속 광전극(photoanode)에 빛을 쪼이면 내부 반도체가 빛을 흡수해 전자를 생성하고, 이 전자가 기판으로 이동하면서 물 분해 반응이 일어난다.

연구팀이 개발한 자가 조립 박막은 유기 반도체와 기판 사이에서 전자를 전달하는 역할을 한다. 기존에는 두께가 두껍고 전하 전달 성능이 낮은 금속산화물층이 이 기능을 담당했다.

이 물질을 광전극에 적용한 결과 7.97 mA/㎝²의 전류 밀도를 나타냈다. 벌크 유기 반도체(BHJ) 기반 광전극 가운데 가장 우수한 전류 밀도 성능이다. 광전극의 전류 밀도가 높을수록 반대쪽 전극에서 수소가 빠르게 생산된다.

이 물질은 분자끼리 스스로 조립돼 박막을 형성하기 때문에 금속산화물층과 달리 제작 공정 비용을 줄일 수 있다는 장점도 있다.

연구팀은 박막을 이루는 분자를 '푸쉬-풀(push-pull) 구조'로 설계했다. 푸쉬-풀은 한 분자 안에 전자를 밀어내는 부분과 끌어당기는 부분이 함께 있는 구조다. 이 구조의 분자들이 모여 강한 전기장을 만들고, 이 전기장이 에너지 장벽을 낮춰 전자가 자기 조립 분자 박막을 통과하는 '전자 터널링' 현상을 활성화한다.

조한희 교수는 "유기 반도체 기반 광전극은 가격이 저렴하고 대면적 제조가 가능하다는 장점이 있다"며 "이번에 개발된 자기 조립 분자막은 이런 유기 광전극 기반 태양광 수소 생산 기술의 상용화 가능성을 크게 높인 물질"이라고 설명했다.

이어 "이번 연구의 분자 설계 전략인 푸시-풀 분자 구조는 태양광 수소 생산 기술뿐만 아니라 전자 추출이 중요한 태양광전지, 발광다이오드, 광학 센서 소자에 폭넓게 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 '에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 11월 11일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 기초연구실지원사업, 우수신진연구사업, 이노코어 사업, 스위스 ETH Leading House Asia의 지원을 받아 수행됐다.