기계연, 초대형 광전극 시스템 실증…“친환경 수소 생산 극대화”

고농도 BiVO4 전구체 용액 기술로 공정 단순화

이지혜 한국기계연구원 나노리소그래피연구센터 센터장(왼쪽)과 이호영 학생연구원(오른쪽)./한국기계연구원

한국기계연구원이 자연 태양광 아래 높은 광전류를 생성해 효율적으로 수소를 생산하는 기술을 개발했다. 이로써 복잡한 다중 공정을 단순화해 제작시간을 대폭 단축, 태양광 기반 수소 생산 기술 상용화에 한발 다가서게 됐다.

국가과학기술연구회 산하 기계연구원은 이지혜 나노융합연구본부 나노리소그래피연구센터 센터장 연구팀이 비스무트 바나데이트(BiVO₄) 광전극의 제조 생산성을 높여 수소 생산을 극대화하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

BiVO₄는 광흡수도 및 태양광 수소 변환 효율(Solar-to-Hydrogen Efficiency, STH)이 높아 태양광 수전해 기반 친환경 수소 생산 시스템에서 주요 소재로 알려진 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 점이 지적받아왔다.

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

또한 연구팀은 144cm²의 대면적 광전극을 제작하고 해당 전극 4개를 연결해 576cm² 크기의 초대형 전극 시스템으로 확장했다. 특히 해당 시스템과 태양전지를 병렬로 연결해 외부 전원 없이 자연 태양광만으로 수소를 생산하는 데 성공했다.

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.