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| 울산과기원, ‘메타물질 광전극’ 개발 |
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| 태양광의 약 40%를 차지하는 가시광 영역의 에너지 95% 이상 흡수 가능 |
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한국에너지절약신문 
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| ▲ 태양빛을 이용해 물을 분해하는 새로운 광전극을 개발한 UNIST(울산과기원)의 백정민 신소재공학부 교수팀과 이헌 고려대 신소재공학부 교수, 신종화 KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 교수, 이재성 UNIST 에너지 및 화학공학부 등 국내 연구진. (사진제공=울산과기원) © 한국에너지절약신문 | |
물을 수소와 산소로 분해하는 ‘메타물질 광전극’이 개발됐다. 햇빛 대부분을 차지하는 가시광선을 흡수해 물 분해에 활용하는 전극이다. 기존에 발표된 자외선 기반의 광전극보다 수소 생산 효율을 높일 것으로 기대되고 있다.
UNIST(울산과기원, 총장 : 정무영)의 백정민 신소재공학부 교수팀과 이헌 고려대 신소재공학부 교수, 신종화 KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 교수, 이재성 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수가 참여한 국내 연구진이 태양빛을 이용해 물을 분해하는 새로운 광전극을 개발했다.
백정민 교수팀이 개발한 광전극을 물에 넣으면 태양빛을 받아들여 수소와 산소로 분리해낸다. 이는 기존에 발표된 광전극과 마찬가지지만 ‘메타물질’을 활용한 건 처음이다. 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 성질을 인공물질이다. 전자기파나 빛에 대한 물리적인 성질을 마음대로 조절할 수 있어 투명망토를 만드는 물질로도 알려져 있다.
이번에 개발한 메타물질 흡수체는 ‘금속-유전체-금속’ 구조를 가진다. 금(Au) 필름을 맨 아래층에 깔고, 가운데 전기를 유도하는 유전체인 이산화티타늄(TiO₂) 필름, 위층에는 금 나노입자를 올린 형태다.
백정민 교수는 “금속-유전체-금속 형태의 수직형 메타구조를 산소 생산용 광전극에 활용한 첫 시도”라며 “태양광의 약 40%를 차지하는 가시광 영역의 에너지 95% 이상을 흡수할 수 있다”고 설명했다. 그는 이어 “기존 TiO₂ 기반의 광전극이 흡수하지 못했던 가시광 영역의 태양에너지를 이용한다는 점에서 의미가 크다”고 평가했다.
메타물질 구조체는 금으로 이뤄진 기판 위에 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD)을 통해 TiO₂박막을 만들고, 그 위에 금속 입자를 제조하는 방법으로 제조됐다. 이렇게 만든 구조물 안쪽에는 부분적인 전기장이 30배 이상 확대됐다.
이를 적용한 광전극은 기존 TiO₂ 박막 기반 광전극보다 2.3배 이상 크게 증가된 전류가 흘렀다. 전체 전류 중 25% 이상이 가시광 영역의 태양에너지를 흡수한 결과로 나타났다.
이헌 고려대 교수는 “수직형 메타물질 구조체는 저렴한 비용으로 만들 수 있으며 별도의 복잡한 공정도 필요 없다”며 “나노 임프린트 공정을 활용하면 대면적으로 제작하는 것도 가능해 태양에너지로 물 분해 효율을 크게 높일 수 있을 것”이라고 내다봤다.
백정민 교수는 “이 기술은 앞으로 광전극 뿐만 아니라 유기물 분해, 유해 성분 감지, 태양전지 등에 응용할 수 있다”며 “앞으로 이 광전극의 효율 향상을 위해 전하 분리 기술, 부촉매 제조 기술과 나노임프린트 공정을 통한 대면적의 메타구조 제조 기술 실현 등을 추진할 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 미래유망융합기술파이오니어사업(단장 : 이헌 고려대 교수)의 일환으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지과학 분야의 세계적 저널인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 온라인 판에 공개됐으며 3월호에 출판될 예정이다. (논문명: Two-Dimensional Metal-Dielectric Hybrid-structured Film with Titanium Oxide for Enhanced Visible Light Absorption and Photo-Catalytic Application)
/이민우 기자
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| 기사입력: 2016/04/06 [16:23] 최종편집: ⓒ 한국에너지절약신문 |
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