물을 분해해 수소 만드는 새로운 접근법 제시 강유전체 광전극을 이용한 고효율 수소생산 가능성 제시 허령 기자입력 2017-07-19 08:46:44

한국연구재단은 이상한 교수(광주과학기술원)·장호원 교수(서울대) 연구팀이 자체적으로 +, -극을 가지고 있는 강유전체의 분극 값이 클수록 광전류 밀도가 높아짐을 밝혀내, 고효율의 물 분해 수소 생산을 위한 새로운 접근법을 제시했다.
현재까지 강유전체의 자발 분극 값과 광 변환 효율 간의 연관성은 명확히 실험적으로 증명 되지 않았으나, 해당 연구를 통해 강유전체 자발 분극 값과 광 변환 효율 사이의 상관관계를 최초로 밝혀냈다.
연구결과, 비스무스 페라이트 광전극 박막에서 결정 방향별로 다른 자발 분극 값이 나타났다. 결정 방향의 유형 중 하나인 수직 결정 방향에서는 65μC/㎠, 비틀어진 대각선 결정 방향에서는 110μC/㎠로 나타난다. 이러한 자발 분극의 차이로 인해서 같은 비스무스 페라이트 물질이라도 수직 결정 방향보다 비틀어진 대각선 결정 방향에서 광전류 밀도가 5배 이상 향상됐다. 광전류 밀도가 높다는 것은 태양광으로부터 받은 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율이 크다는 것이다. 이렇게 발생된 전기 에너지가 물을 분해해 수소를 만들어 낼 수 있다. 즉, 더 높은 자발 분극 값을 갖는 강유전체를 광전극으로 사용해, 결과적으로 수소 생산 효율을 높일 수 있다.
이상한 교수는 “이 연구는 자체적으로 내부 전계를 가진 강유전체 자발 분극 값과 광 변환 효율 사이의 상관관계를 실험적으로 입증한 최초의 사례다. 강유전체의 자발 분극 값이 태양광 변환 효율을 높일 수 있는 물리적 성질 중의 하나임을 새롭게 제시했다. 이 연구결과는 수소 생산뿐 아니라 태양 전지 등 에너지 생산 기술 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

 

박막.jpg

결정 방향 별 비스무스 페라이트 광 전극 박막의 광 특성 향상에 대한 모식도
같은 비스무스 페라이트 물질임에도 불구하고 수직 결정 방향에 비해 비틀어진 대각선 결정 방향에서 광전류 밀도가 5배 이상이나 향상되었고 개시 전위도 역시 0.180V 감소하는 것을 알 수 있다.

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 기존의 여러 보고에서 강유전성 비스무스 페라이트 물질은 비교적 낮은 밴드갭인 2.2~2.7eV를 가지고 있어 광소자로의 활용 가능성이 매우 높은 물질이며, 상당히 높은 자발 분극 값을 가지고 있을 뿐만 아니라, 결정 방향 별로 다른 자발 분극 값을 가지고 있다. 하지만 비스무스 페라이트의 결정 방향 별 광소자의 특성 차이에 대한 연구는 체계적으로 진행 및 검증이 되지 않았다. 따라서 자발 분극 값이라는 물리적인 변수가 광 변환효율 향상에 어떻게 기여할 수 있는지를 확인하고자 본 연구를 시작하게 됐다.

 

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 이 연구는 강유전체의 자발 분극 값과 광 변환효율 특성 사이의 상관관계를 밝히기 위한 목적으로 진행됐다. 이를 위해 먼저 결정 방향 별 비스무스 페라이트 박막들을 성장해 박막들의 결정 구조 및 전기적 특성을 확인하는 것을 위주로 연구가 진행됐다. XRD 분석을 통해 결정 방향 별 비스무스 페라이트 박막들을 모두 고품질로 성장시켰고, 강유전 특성도 결정 방향별로 다른 자발 분극 값을 가짐을 확인(001방향 : 65μC/㎠, 110방향 : 94μC/㎠, 111방향 : 110μC/㎠)했다. 이러한 기본적인 물 분해 광전극 박막의 특성을 기반으로 전해질 내에서 광전류 밀도를 측정했고, 자발 분극 값에 비례해 001방향 대비 111방향에서 5배 이상이나 향상됨과 함께 개시 전위도 역시 0.180V 감소하는 것으로 확인됐다. 이러한 결과를 통해 강유전체의 높은 자발 분극 값은 태양에너지 전환 효율의 한계를 극복하기 위한 중요한 물리적 변수임이 새롭게 확인되었고, 친환경 물 분해를 이용한 수소 생산성 향상의 가능성을 크게 높였다고 할 수 있다.

 

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 해결(극복)했는지.
A. 본 연구에서 진행된 강유전체 물질을 전기화학적 물 분해 분야에 적용하는 과정에서 기존 연구와의 가장 큰 차별점이라 할 수 있는 것은 전해질 내에서 실험이 진행이 된다는 점이다. 강유전체의 자발 분극의 방향을 전해질 내에서 스위칭하는 것은 화학적 안정성 측면에서 상당히 어렵다. 추가로 물 분해 성능 향상을 위해서는 박막 내 강유전성 도메인들을 균일하게 스위칭하는 것 또한 매우 중요한 요소이다. 이를 위해, 본 연구에서는 화학적 안정성 및 강유전성 도메인들의 균일성을 위해 정밀하게 조건들(전기장 세기, 시간)을 조절해서 진행할 수 있었다.

 

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 기존 강유전체 물질 관련 연구들은 비교적 높은 밴드갭으로 인해 광소자 분야보다는 비휘발성 메모리 분야에 치중해 연구가 진행됐지만, 본 연구는 물 분해 광전극으로 강유전체를 적용함으로 인해 기존 연구를 탈피한 미래지향적인 융합 연구적 접근을 했다고 할 수 있다. 또한, 기존에 알려진 이론적인 내용을 기반으로 최초로 자발 분극 값과 태양에너지 변환 효율과의 관계를 실험적으로 증명했다. 본 연구 결과를 바탕으로 자발 분극이라는 태양에너지 전환 효율을 높일 수 있는 새로운 물리적 변수를 제공함으로써, 앞으로 다가올 에너지 위기에 대처하기 위한 새로운 방향을 제시했다고 할 수 있다.

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 이번 연구를 통해 강유전체 물질을 친환경 물분해 분야에서 활용 가능성을 보여주었지만 대표적인 물 분해 광전극 물질인 비스무스 바나데이트(BiVO4)나 헤마타이트(α-Fe2O3)에 비해 광 변환효율 측면에서 부족한 점을 갖고 있어, 추가적으로 광효율에 유리한 특성이 있는 강유전체 개발 및 서로의 단점을 보완해줄 수 있는 물질들의 이중구조 형성 등을 구현해 광전기화학 물 분해 성능 향상을 목표로 하고 있다.

 

Q. 기타 특별한 에피소드가 있었다면.
A. 이번 연구는 이상한 교수가 광주과학기술원에서 교수로 연구를 시작하면서 진행된 연구라고 할 수 있다. 연구실의 시작과 함께 진행된 연구인만큼 의욕적으로 진행 됐고, 이 연구가 진행되어감에 따라 장비들의 셋업 및 분석 기술이 계속 확립·발전된 만큼 시작부터 현재까지 4년간 연구실의 발전과 역사를 대변해준다고 할 수 있다.

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