GIST, 고효율 물분해 수소생산 원뿔대 집광 나노구조 광전극 제조

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국내 연구진이 친환경 수소에너지 생산효율을 높일 수 있는 새로운 집광 나노구조의 광전극 제작기술을 개발했다.

광주과학기술원(GIST·총장 문승현)은 송영민 전기전자컴퓨터공학부 교수팀이 원뿔대의 질화 갈륨 광전극이 효율적인 수소생산을 위해 적합한 집광 나노구조라는 사실을 규명했다고 6일 밝혔다.

효율적인 수소를 생산하기 위해서는 전하가 광전극과 전해질 사이의 계면으로 전달되는 것이 중요하다. 하지만 기존 광전극 물질은 높은 굴절률을 갖는 반도체로 구성돼 빛의 반사로 인해 전하가 형성되는 것을 방해한다.

(a) 원기둥, 원뿔대, 원뿔 구조 모식도 (b) 원뿔 비율에 대한 평균 흡수율 향상 그래프 (c, d) 원뿔 비율에 대하여 달라지는 흡수 깊이 정도
<(a) 원기둥, 원뿔대, 원뿔 구조 모식도 (b) 원뿔 비율에 대한 평균 흡수율 향상 그래프 (c, d) 원뿔 비율에 대하여 달라지는 흡수 깊이 정도>

이를 해결하기 위해 송 교수팀은 원기둥과 원뿔대, 원뿔 등 3가지 형태의 나노구조를 설계하고, 광학 시뮬레이션으로 질화 갈륨에 적용해 빛의 흡수와 집광효율을 동시에 높일 수 있는 광학 구조를 분석했다.

그 결과 서서히 기울어지는 형태인 원뿔대 나노 구조 표면에서 빛의 굴절률이 점차 증가해 빛의 반사를 줄여 흡수율을 가장 높이는 것으로 나타났다. 광전류 밀도가 3배 가량 증가한다는 사실을 확인했다.

송영민 교수는 “이번 연구는 태양광 물분해의 효율을 떨어뜨리는 광전극 물질의 고유 특성인 높은 굴절률과 제한적인 전하 이동거리를 동시에 해결했다는 점에서 의미가 있다”며 “값 싸게 대면적에 응용이 가능해 향후 태양광 물분해 소자에 널리 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

송영민 GIST 교수.
<송영민 GIST 교수.>

광주=김한식기자 hskim@etnews.com