기계연, 자연 태양광만으로 그린수소 대량생산 길 열었다

이지혜 기계연 나노리소그래피연구센터장 연구팀이 개발한 초대형 광전극 시스템

우리 정부출연연구기관(출연연)이 자연 태양광만으로 높은 광전류를 안정적으로 생성, 효율적인 수소 생산 기술을 확보했다.

또 복잡한 기존 공정을 단순화해 제작시간을 줄일 수도 있어, 태양광 기반 수소 생산 기술 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

한국기계연구원(원장 류석현)은 이지혜 나노리소그래피연구센터장 연구팀이 비스무트 바나데이트(BiVO₄) 광전극 제조 생산성을 높여 수소 생산을 극대화하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

BiVO₄는 광흡수도 및 태양광 수소 변환 효율(STH)이 높다. 태양광 수전해 기반 친환경 수소 생산 시스템 핵심 소재로 주목받는다.

다만 기존 BiVO₄ 전구체 용액으로 고성능 박막을 형성하려면 8번 이상 다중 코팅, 열처리 공정이 필요했다. 때문에 공정 속도가 느리고 재료 소모가 많아 생산성이 낮았다.

연구팀은 아세틸아세톤, 아세틱 애시드, 디메틸설폭사이드를 최적 비율로 혼합한 고농도 BiVO₄ 전구체 용액을 개발했다. 이를 이용하면 단 한 번 코팅만으로 균일한 고성능 BiVO₄ 박막을 형성할 수 있어 기존 대비 생산성을 약 5.9배 향상시킬 수 있다.

또 연구팀은 144㎠ 대면적 광전극을 제작하고 이를 4개 연결해 576㎠ 크기 초대형 전극 시스템으로 확장했다. 이 시스템과 태양전지를 병렬 연결해 외부 전원 없이 자연 태양광만으로 수소 생산에 성공했다. 자연 태양광 조건 수소 생산 경제성·효율성을 확보했고 상용화 가능성도 높였다.

이지혜 센터장은 “이번 연구는 고농도 BiVO₄ 전구체 용액 개발로 대면적 광전극 제조 효율성·생산성을 혁신적으로 개선한 성과”라며 “지속 가능한 에너지로의 전환과 친환경 수소 생산 상용화를 앞당길 것”이라고 밝혔다.

연구팀은 관련 국내 특허 및 특허협력조약(PCT) 출원을 진행 중이며, 성과는 '저널 오브 머터리얼즈 캐미스트리 A'에 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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