자연 태양광으로 그린수소 대량 생산 가능성 연다!

- 기계연, 576cm² 초대형 광전극 시스템 성공적 실증 완료 -

- 고농도 BiVO4(비스무트 바나데이트) 전구체 용액 기술로 공정 단순화 및 효율 향상 -

□ 자연 태양광 하에서 안정적으로 높은 광전류를 생성해 효율적으로 수소를 생산하는 기술이 개발됐다. 기존의 복잡한 다중 공정을 단순화해 제작시간을 대폭 단축, 태양광 기반 수소 생산 기술 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 

□ 국가과학기술연구회(이사장 김영식) 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 나노융합연구본부 나노리소그래피연구센터 이지혜 센터장 연구팀은 BiVO₄(비스무트 바나데이트) 광전극의 제조 생산성을 높여 수소 생산을 극대화하는 기술을 개발했다. BiVO₄는 광흡수도 및 태양광 수소 변환 효율(Solar-to-Hydrogen Efficiency, STH)이 높아 태양광 수전해 기반 친환경 수소 생산 시스템에서 핵심 소재로 주목받고 있는 금속산화물이다.

□ 기존의 BiVO₄ 전구체 용액은 최대 100mM의 농도로만 제조가 가능해 고성능 박막을 형성하기 위해서는 8회 이상의 다중 코팅과 열처리 공정이 반복적으로 필요했다. 이로 인해 공정 속도가 느리고 재료 소모가 많아 생산성이 낮다는 한계가 있었다. 

□ 기계연 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 아세틸아세톤(Acetylacetone), 아세틱 애시드(Acetic Acid), 디메틸설폭사이드(DMSO)를 최적의 비율로 혼합한 고농도 BiVO₄ 전구체 용액을 개발했다. 이를 이용하면 단 한 번의 코팅만으로도 균일하면서도 고성능의 BiVO₄ 박막을 형성할 수 있으며 기존 대비 생산성을 약 5.9배 향상시킬 수 있다.

□ 또한 연구팀은 144cm²의 대면적 광전극을 제작하고 해당 전극 4개를 연결해 576cm² 크기의 초대형 전극 시스템으로 확장했다. 특히 이 시스템과 태양전지를 병렬로 연결해 외부 전원 없이 자연 태양광만으로 수소를 생산하는 데 성공했다. 자연 태양광 조건에서도 안정적으로 높은 광전류를 생성해 친환경 수소 생산을 위한 경제성과 효율성을 확보했으며 상용화 가능성을 크게 높였다. 

고농도 BiVO4(비스무트 바나데이트) 전구체 용액 기술을 개발한 기계연 나노리소그래피연구센터 이지혜 센터장(왼쪽)과 이호영 학생연구원(오른쪽)

초대형 광전극 시스템(왼쪽) 및 자연태양광에서의 실험(오른쪽)

□ 기계연 이지혜 센터장은 “이번 연구는 고농도 BiVO₄ 전구체 용액 개발로 대면적 광전극 제조의 효율성과 생산성을 혁신적으로 개선한 성과”라며, “지속 가능한 에너지로의 전환과 친환경 수소 생산 상용화를 앞당길 것으로 기대한다”고 밝혔다.

□ 연구팀은 이 같은 대면적 BiVO₄ 광전극 개발로 국내특허 및 PCT 출원을 진행 중이며 영국왕립화학회에서 발행하는 국제학술지인 「Journal of Materials Chemistry A」(JCR:Q1, IF:10.7)에도 게재됐다.

  * 논문명: ’Breakthrough in the large area photoanode fabrication process: high concentration precursor solution with solvent mixing and one step spin coating for high PEC performance of BiVO4‘ (https://doi.org/10.1039/D4TA03349C) 

□ 한편, 본 연구는 기계연 기본사업(초실감 확장현실 기기 구현을 위한 나노기반 핵심제조기술 개발), 중소벤처기업부(산학연 플랫폼 협력 R&D 사업), 산업통상자원부(전자부품산업기술개발사업 및 산업기술알키미스트프로젝트사업) 지원을 받아 수행됐다.

Journal of Materials Chemistry A 학술지 표지(백커버)