[과학을 읽다]'인공나뭇잎'…"햇빛 '쪾쪽' 빨아들여"

유니스트 연구팀, 기존 5% 효율 뛰어넘는 '8% 인공나뭇잎' 개발

▲국내 연구팀이 효율 8%를 기록한 인공나뭇잎을 개발했다.[사진제공=유니스트]

[아시아경제 정종오 기자] 햇빛을 잘 빨아들여 효율이 8%에 이르는 '인공나뭇잎'이 개발됐습니다. 기존 제품은 5% 효율에 불과했습니다. 이를 응용하면 인공광합성 소자를 만들어 수소 연료를 만들 수 있습니다.

유니스트(UNIST, 총장 정무영) 연구팀이 고효율 '인공나뭇잎(광촉매)'을 내놓았습니다. 인공나뭇잎은 물과 햇빛을 원료로 양분을 만드는 나뭇잎처럼 햇빛을 이용해 값비싼 수소 연료를 생산하는 반도체 소자를 말합니다. 해조류도 땅 위 식물처럼 태양빛을 받아 광합성을 합니다. 바다 속 깊은 곳에서는 태양빛을 온전히 받기는 어렵습니다. 해조류는 자기가 서식하고 있는 깊이까지 도달하는 파장만을 선택적으로 활용하는 맞춤형 광합성을 합니다. 연구팀은 인공나뭇잎이 해조류처럼 햇빛의 서로 다른 파장대를 나눠 이용할 수 있도록 두 개의 광촉매 물질을 병렬로 연결한 '이종쌍전극(Hetero dual photoanode)'의 개념을 떠올렸습니다.

친환경적 비스무스 바나데이트 산화물과 산화철을 나란히 연결해 실제 소자를 개발했습니다. 이종쌍전극 중 비스무스 바나테이트는 짧은 파장의 빛을, 산화철은 긴 파장의 빛을 각각 활용합니다. 이 결과 지금까지 5% 정도에 머물던 태양광 전환 효율은 8% 수준까지 높아졌습니다.

이번 연구는 이재성(62) UNIST 에너지 및 화학공학부 교수팀이 수행했습니다. 독일 헬름홀츠 연구소 반디크롤(van de Krol) 교수팀과 함께 물속에서 햇빛을 받으면 수소를 발생시키는 인공나뭇잎 소자를 선보였습니다. 이재성 교수는 "상대적으로 값싸고 안정적 산화물을 이용한 광촉매 중에서 8% 효율은 세계 최고 수준"이라며 "이번 연구는 인공나뭇잎 기술의 상용화 기준으로 여겨지는 효율 10%를 턱밑까지 쫓아가는 중요한 이정표를 만들었다"고 말했습니다. 이번 연구는 최근 발효된 파리협약에 따른 이산화탄소 발생 저감과 처리에도 큰 도움이 될 것으로 기대됩니다. 인공나뭇잎으로 생산한 수소를 연료로 사용하면 이산화탄소가 발생하지 않습니다. 수소연료전지 자동차를 보급하기 위한 값싸고 안정적 수소연료 생산기술로도 응용 가능합니다.

이 교수는 "이 기술로 3년 내에 효율 10%를 달성해 재생 에너지형 수소충전소를 세우는 데 기여할 것"이라며 "이제 막 보급되기 시작한 수소연료전지 자동차에 값싼 수소를 공급하는 기술이 될 것"이라고 전망했습니다. 이번 논문의 제1저자로는 김진현(28) 포스텍(POSTECH) 환경공학과 박사과정 연구원과 장지욱(33) 유니스트 에너지 및 화학공학부 교수가 참여했습니다.

연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 12월14일자(논문명: Hetero-type dual photoanodes for unbiased solar water splitting with extended light harvesting)에 실렸습니다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr