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[수소신문] 햇빛으로 물에서 수소를 생산하는 유기 광전극의 수명을 기존보다 100배 이상 늘리는 기술이 개발됐다. 전자 전달을 개선하고 물속에서 소재 구조가 변하는 현상을 억제해 유기 광전극의 고질적인 내구성 문제를 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 조한희 UNIST(울산과학기술원) 신소재공학과 교수팀은 성균관대 화학과 고두현 교수팀과 고분자 소재를 활용해 내구성을 높인 유기 광전극을 개발했다. 유기 광전극은 유기계 반도체가 흡수한 빛을 이용해 물에서 수소를 생산하는 장치로 빛을 받은 반도체에서 발생한 전자가 촉매로 이동해 수소 생성 반응을 일으킨다. 실리콘 등 무기 반도체와 달리 소재를 용액에 녹여 코팅할 수 있어 대량 생산에 유리하지만 물속에서 작동하는 과정에서 성능이 빠르게 저하돼 장시간 사용이 어렵다는 한계가 있었다. 연구팀이 개발한 광전극은 중성 용액(pH 7)에서 기존 전극보다 100배 이상 긴 수명을 나타냈다. 태양광 세기의 빛을 비춰 성능을 비교한 결과, 수소 생산 능력을 나타내는 전류가 초기 최댓값의 10% 수준으로 감소하기까지 기존 전극은 1.8분이 걸린 반면 개발 전극은 192분을 유지했다. 핵심은 유기 반도체층에서 전자를 받아들이는 소재를 바꾼 데 있다. 카카오야마토 유기 반도체층은 전자를 내주는 소재와 받아들이는 소재가 미세하게 혼합된 구조다. 연구팀은 기존에 사용하던 단분자 소재 'Y6' 대신 고분자 소재인 'PY-IT'를 적용했다. PY-IT는 전자를 받아들이는 에너지 준위가 높아 전자가 촉매로 이동해 수소 생성 반응에 활용되기 유리하다. 반면 Y6는 상대적으로 낮은 에너지 준위 때문에 중성 용액에서 전자가 전극 내부에 축적되고 이 과정에서 소재가 손상되는 문제가 발생한다. 에너지 준위는 소재 내 전자가 갖는 에너지 수준을 의미한다. PY-IT의 긴 사슬 구조도 내구성 향상에 기여했다. 물과 이온이 전극 내부로 침투하면 작은 분자로 구성된 Y6는 서로 뭉쳐 큰 덩어리를 형성할 수 있다. 반면 PY-IT는 분자 단위가 긴 사슬 형태로 연결돼 있어 구조적 움직임이 제한되고 물속에서도 쉽게 뭉치지 않는다. 이에 따라 전자가 이동하는 통로를 안정적으로 유지할 수 있다. 산성 환경에서도 내구성 개선 효과가 확인됐다. 두 소재 모두 수소 생성에 필요한 전자의 에너지가 충분한 산성 용액(pH 1)에서 개발 전극은 Y6를 적용한 기존 전극보다 약 6배 긴 수명을 나타냈다. 모바일릴게임사이트 연구팀은 PY-IT의 긴 사슬 구조가 소재의 뭉침을 억제하고 전자 이동 경로를 유지한 결과로 분석했다. 이번 연구는 유기 광전극의 성능 저하 원인을 소재의 에너지 준위와 구조 변화 측면에서 규명하고 이를 개선할 수 있는 소재 선택 기준을 제시했다는 데 의미가 있다. 장시간 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 유기 광전극 개발과 상용화 가능성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. 조한희 UNIST 교수는 "유기 광전극이 물속에서 빠르게 성능을 잃는 원인을 밝히고 이를 줄일 수 있는 소재를 찾아 수명을 늘렸다"라며 "그동안 명확히 밝혀지지 않았던 소재의 구조 변화와 성능 저하 사이의 관계를 규명했다는 .에서 의미가 크다"고 말했다. 그는 이어 "이번 연구에서 제시한 소재 선택 기준은 장시간 안정적으로 수소를 생산하는 유기 광전극을 개발하는 데 도움이 될 것"이라고 설명했다. 가천대학교와 스위스 로잔연방공과대학교(EPFL) 연구진도 참여한 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 9월 1일 공개됐다. 연구의 중요성과 파급력을 인정받아 '핫 아티클(HOT Article)'로도 소개됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)의 우수신진사업 및 이노코어(InnoCORE) 사업 지원을 받아 수행됐다. 일본릴게임 파칭