태양전지 이용 그린수소 생산기술 세계 최초 개발...연세대 문주호 교수 올해 첫 '이달의 과학기술인상'

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 올해 첫 '이달의 과학기술인상' 수상자로 연세대학교 신소재공학과 문주호 교수를 선정했다고 밝혔다.

과기정통부와 연구재단은 2050 탄소중립을 실현할 친환경 미래에너지로 수소가 주목받는 가운데, 문주호 교수가 태양광소자 기술에 기반을 둔 그린수소 생산 연구로 미래 에너지 개발의 국가 경쟁력을 강화한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.

그린수소 생산이란 태양광을 에너지원으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 시스템을 말한다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.

수상자인 문주호 교수는 산화 알루미늄 구조체에 기반한 반투명 태양전지를 활용하여 수소를 생산하는 소자(이후, ‘태양전지-광전극 물분해 소자’)를 세계 최초로 제안했다.

기존의 ‘태양광-수소 생산시스템’은 고가의 반도체 물질과 복잡한 생산 공정으로 고비용 저효율의 어려움을 겪고 있으나, 문교수 연구팀은 태양광-수소 변환효율이 높은 적층형 텐덤(Tandem) 소자 개발에 성공하여 저가 반도체로 저비용 고효율의 그린 수소 생산에 성공했다.

‘태양전지-광전극 물분해 소자’ 기반 고효율 그린수소 생산기술의 핵심을 살펴보면 다음과 같다.

◇산화 알루미늄 구조체 기반 상부 태양전지의 투과도 제어

문주호 교수는 투과도 조절이 가능한 반투명 태양전지를 활용하여, 외부 전압 없이 물을 분해하여 수소를 생산하는 소자를 세계 최초로 제안하였다. 상부 전극으로 사용되는 반투명 태양전지의 경우, 산화 알루미늄 구조체에 페로브스카이트 빛 흡수 물질을 채워 넣는 방식으로 제작되었다. 산화 알루미늄 구조체를 사용하면, 구조체의 기공 크기 제어를 통해 다양한 빛 흡수 물질을 이용하여 적절한 투과도와 높은 효율을 동시에 갖는 상부 전극의 제작이 가능하다. 즉, 재료 고유의 물리적 특성과 무관하게 태양전지가 흡수할 수 있는 빛 파장대 및 광량의 정밀한 조절이 용이하여 흡수층 재료 선택 범위가 넓어진다.

◇우수한 빛 흡수 특성의 하부 물분해 광전극 개발 및 세계 최고 태양광-수소 변환 효율 달성

더불어 셀렌화안티몬(Sb2Se3) 기반 하부 물분해 광전극의 경우, 효율적으로 태양광을 흡수할 수 있어 상부의 태양전지를 통과한 긴 파장의 빛을 효과적으로 활용하여 높은 전류를 발생시킬 수 있다. 연구팀은 반투명 태양전지를 사용하여 흡수되는 빛 파장대를 정밀하게 조절하고 이에 고효율 물분해 광전극을 적용하여 넓은 파장의 태양광을 효과적으로 분배 및 활용하였다. 또한 상부 태양전지 및 하부 물분해 광전극의 광학적 특성을 기반으로 최적 투과도 및 달성 가능한 최대 효율에 대한 이론적인 계산을 바탕으로 태양전지-광전극 물분해 소자를 제작, 세계 최초로 10%가 넘는 태양광-수소 변환 효율을 달성할 수 있었다. 이는 기존까지의 접근 방식으로부터 탈피한 반투명 태양전지 제작법의 새로운 패러다임을 제시하여 태양광을 효과적으로 사용하였다는 점에서 최적의 수소 생산 소자를 위한 전략적 접근법이다.

세계 최초로 10%가 넘는 태양광-수소 변환 효율을 달성하는 등 문교수가 개발한 ‘태양전지-광전극 물분해 소자’ 기반 고효율 그린수소 생산기술은 국제학술지 Energy & Environmental Science(‘20년 11호)에 게재됐다.

문주호 교수는 “이번 연구는 태양광으로 물을 분해하여 그린 수소를 생산한 것으로, 넓은 범위 파장의 태양광을 효율적으로 활용할 수 있도록 광전극 기반 소자를 개발하여 세계 최고 수준의 태양광-수소 변환 효율을 달성했다는 데에 의의가 있다”며 “본 연구가 태양광-수소 변환 소자의 새로운 패러다임이 되기를 바란다”고 밝혔다.

[미니 인터뷰]

- 이번 연구성과가 우리 사회에 어떤 영향을 미치고, 어떤 변화를 이끌어 가게 될것인가?

▷전 세계적으로 환경 보전과 차세대 성장 동력 확보의 두 가지 목표를 동시에 달성하기 위하여 화석 연료에서 신재생에너지 기반 사회로 전환하려는 노력이 이루어지고 있다. 그 중 태양광을 통하여 얻은 전기에너지를 물에 가하여 생산되는 수소가 친환경 수소인 그린 수소이다. 이번 연구는 태양광 기반 물분해 관련 기술에 학술적으로 기여하고, 실제 산업에도 연결되어 그린 수소의 생산 및 인프라 구축에 일조하는 등 그린 수소 경제로의 전환에 이바지할 것으로 기대한다.

수소 사회가 도래함에 따라 나타날 수소 생산, 저장, 유통 등의 전반적인 산업생태계는 국가 경쟁력을 고양할 뿐 아니라, 궁극적으로는 글로벌 탄소 중립을 실현하고 지속 가능한 사회로 나아가는데 도움을 줄 것이라 기대한다.

- 정부가 2019년 1월 '수소경제 활성화 로드맵'을 마련한지 어느덧 3년이 됐다. 우리나라가 세계 최고 수준의 수소경제 선도국가로 도약하기 위해 산학연, 그리고 정부가 어떤 노력이 필요한가?

▷우리나라가 수소 경제 선도 국가로 도약하기 위해서는 국가적으로 그린 수소 생산 연구에 집중적으로 투자할 필요가 있다고 생각한다. 그린 수소 생산 관련 연구는 기업이 자발적으로 참여할 유인이 적은 분야이기 때문에 범국가적 지원과 노력이 더욱 필요한 분야다.

우리나라가 수소 경제 선도국가로 도약하기 위해서는 그린 수소 생산 분야에서 독보적인 기술을 선점할 필요가 있으며, 이를 위해 정부에서는 그린 수소 생산 연구에 투자를 늘리고 산학연에서는 그린 수소 생산 실용화에 필요한 수소 생산량, 경제성 등 정량적인 평가 기준을 도입해 연구자들에게 가이드라인을 제시해주는 노력이 필요할 것이다.

- 궁극적으로 도전하고 싶은 연구 목표, 이루고 싶은 성과는 무엇인가?

▷최근 들어 심각해지고 있는 지구 온난화 때문에 친환경, 지속 가능성에 대한 많은 관심들이 가지고 있다. 기업들이 제안하는 지속 가능성 관련 여러 프로젝트들이나 ‘수소 경제 로드맵’, ‘한국판 그린뉴딜 정책’ 등 정부 차원에서 발표하는  정책들을 통해서 이를 더 체감하고 있다.

어떤 원대한 방향성을 가지고 연구를 시작한 건 아니었지만 개인적으로 실감하고 있는 문제들과 사회에서 보내주는 관심들로 현재 연구 중인 광전기화학 기반 물분해 기술을 빠르게 상용화 시킬 수 있으면 좋겠다는 목표가 생긴 것 같다.

앞으로도 깊이 있는 연구를 통해 조금이라도 우리 사회가 지속 가능한 수소 생태계를 구축할 수 있도록 힘쓰겠다.