이번 연구를 수행한 이상한(왼쪽부터) 신소재공학부 교수, 주종훈 환경·에너지공학부 교수, 황준범 신소재공학부 박사과정생·이정수 석사.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 가혹한 환경에서도 뛰어난 성능과 높은 내구성을 지닌 광전극 개발에 성공했다.

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 이상한 교수와 환경·에너지공학부 주종훈 교수 공동연구팀이 유연하면서도 내구성이 강한 지르코니아 소재(3YSZ)를 활용, 반복 구부림에도 장시간 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 광전극을 개발했다고 밝혔다.

플렉서블 광전극은 비정형 구조물에 부착하거나 적용할 수 있어 딱딱한 기판에 비해 설치가 용이하다. 또한 태양광 수집 면적을 극대화하고, 다양한 응용 환경에 효과적으로 적용할 수 있는 장점이 있다.

연구팀은 이트리아 첨가 농도를 정밀하게 조절하여 기존 이트리아 안정화 지르코니아(8YSZ)와 차별화된 3YSZ 소재를 제작했다. 이 과정에서 전체 결정 구조의 최대 95%까지 안정된 형태로 유지하고, 결정의 불안정한 상(phase)을 5% 이하로 억제하여 지르코니아의 구조를 최적화했으며, 이를 통해 구부릴 수 있는 유연성을 부여했다.

연구팀은 이번에 개발된 3YSZ 기판이 현재까지 보고된 플렉서블 기판 중 가장 높은 탄성 계수와 항복 강도를 나타냈다고 설명했다. 이는 3YSZ가 우수한 기계적 물성을 유지하면서도 구부림과 같은 변형에 뛰어난 저항성을 가진다는 것을 의미한다.

펄스 레이저 증착법을 이용한 고안정성고효율 플렉서블 광전극 제작 모식도.[GIST 제공]

연구팀은 또한 이렇게 제작된 3YSZ 기판 위에 펄스 레이저 증착법(PLD)을 활용하여 고품질의 비스무스 바나데이트/텅스텐 산화물 이종접합 구조(BiVO4/WO3)의 제작에도 성공했다.

이종접합 구조 형성을 통해 광생성 전자의 재결합을 억제하고 전하 분리 및 이동성을 개선해 광전류 밀도가 기존 대비 약 2.3배 증가했다. 또한 1만번의 구부림 테스트 후에도 초기 성능의 99.8%를 유지했으며, 구부린 상태에서 24시간 안정적으로 작동해 뛰어난 내구성과 장시간 안정성을 입증했다.

이상한 교수는 “이번 연구 성과는 기존 플렉서블 광전극의 구조적·성능적 한계를 극복하고, 태양에너지 기반 수소 생산의 실용화 가능성을 확인했다”고 말했다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘재료 화학 저널’에 12월 28일 게재됐다.