원뿔대의 나노구조가 효율적인 수소생산 가장 적합

[아시아경제 호남취재본부 김춘수 기자] 국내 연구진이 나노구조의 광학적 설계를 통해 광전극의 친환경 수소에너지 생산 효율을 향상시킬 수 있음을 확인했다.

GIST(지스트, 총장 문승현) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수 연구팀은 질화갈륨 광전극의 기하학적 형태에 따라(원뿔의 비율, 주기, 지름 및 높이) 빛의 흡수율과 흡수 깊이가 달라지는 특성을 가진다는 사실을 밝히고 원뿔대의 나노구조가 효율적인 수소생산을 위해 가장 적합한 구조임을 밝혔다.

효율적인 수소 생산을 위해서는 발생한 전하들이 광전극과 전해질 사이의 계면으로 전달되는 것이 중요하다. 하지만 기존 광전극 물질은 높은 굴절률 특징을 갖고 있어 반도체 표면에서 빛의 반사로 인해 전하의 형성을 방해한다.

이를 해결하기 위해서는 나노 구조 도입을 통해 빛의 흡수 효율 극대화와 동시에 빛을 효율적으로 집광할 수 있는 광학 구조의 설계가 필요하다.

본 연구에서는 최근 가장 각광받고 있는 광전극 물질인 질화 갈륨의 나노구조를 광학 시뮬레이션을 통해 설계했으며, 원기둥, 원뿔대, 원뿔의 세 가지 구조에서 원뿔대 구조가 광전극 효율 향상을 위한 최적 구조임을 밝혔다.

원뿔대와 원뿔 나노구조의 경우 구조물이 표면에서부터 서서히 기울어지는 형태로 돼 있어 굴절률이 표면에서 점점 증가하게 된다. 빛의 반사는 매질 간의 굴절률 차에서 기인하기 때문에 빛의 반사를 줄여 흡수를 향상시킬 수 있다.

원뿔대 나노구조는 나노 구조 중앙에 빛이 집광되며 원뿔 나노구조에서의 빛은 질화 갈륨 깊숙이 흡수된다. 생성된 전하들은 제한된 이동거리를 갖고 있어, 전해질과 가까운 나노 구조로 빛이 집광될수록 유리하다.

원뿔대 나노구조의 광전극 제작을 위해 은 박막을 이용한 열적 비젖음 기법과 건식 에칭 기법을 이용했으며, 이번 연구 성과는 값 비싼 리소그래피 공정을 이용하지 않고 광전극을 제작할 수 있으며 대면적 공정 또한 가능하다는 데에 의의가 있다. 제작된 질화 갈륨 나노구조의 흡수율 향상을 확인했으며, 광전류밀도는 기존 구조대비 3배가량 증가됨이 확인됐다.

송영민 교수는 “이번 연구에서 태양광 물분해의 효율 저하를 일으키는 광전극 물질의 고유특성인 높은 굴절률과 제한적인 전하 이동거리를 동시에 해결하는 나노 구조를 광학적으로 설계 및 제작했으며, 기존의 반도체 리소그래피 공정 방식 대비 값이 싸면서도 대면적에 응용 가능해 향후 태양광 물분해 소자에 널리 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 성과를 시사했다.

GIST 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수가 주도하고 신소재공학부 이상한 교수의 참여 및 김영재 박사과정(제1저자)이 수행한 이번 연구는 교육부, 과학기술정보통신부 및 한국연구재단이 추진하는 정보보호 핵심원천기술개발사업(IITP) 및 미래소재디스커버리사업(NRF)의 지원과 한국기초과학지원연구원(KBSI) 사업의 지원으로 수행됐다.

연구결과는 화학 분야의 세계적인 국제학술지인 에이씨에스 어플라이드 머트리얼 앤 인터페이스 (ACS Materials and Interfaces, IF=8.097) 지난 8월 29일에 게재됐다.

호남취재본부 김춘수 기자 ks7664@hanmail.net