GIST, 반복 구부림에도 안정적 내구성 지닌 광전극 개발

(광주=뉴스1) 조영석 기자 = 태양광을 활용해 물에서 친환경 수소를 생산하는 '광전기화학적 물분해'는 차세대 청정에너지 기술로 각광받고 있다. 이 기술을 구현하기 위해서는 다양한 구동 조건에서도 장시간 성능을 유지하는 광전극이 필요한데 국내 연구진이 혹독한 환경에서도 뛰어난 성능과 높은 내구성을 지닌 광전극을 개발하는 데 성공했다.

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 이상한 교수와 환경·에너지공학부 주종훈 교수 공동연구팀이 유연하면서도 내구성이 강한 지르코니아 소재(3YSZ)를 활용해 반복 구부림에도 장시간 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 광전극을 개발했다고 31일 밝혔다.

연구팀은 이트리아 첨가 농도를 정밀하게 조절해 기존 이트리아 안정화 지르코니아(8YSZ)와 차별화한 3YSZ 소재를 제작했다. 이 과정에서 전체 결정 구조의 최대 95%까지 안정된 형태로 유지하고 결정의 불안정한 상(phase)을 5% 이하로 억제해 지르코니아의 구조를 최적화하는데 성공했다.

연구팀은 이번에 개발된 3YSZ 기판이 현재까지 보고된 플렉서블 기판 중 가장 높은 탄성 계수(192 GPa, 기존 대비 2.7배)와 항복 강도(856 MPa, 기존 대비 14.3배)를 나타냈다고 밝혔다. 이는 3YSZ가 우수한 기계적 물성을 유지하면서도 구부림과 같은 변형에 뛰어난 저항성을 가진다는 것을 의미한다.

이상한 교수는 "기존 플렉서블 광전극의 구조적·성능적 한계를 극복하고 태양에너지 기반 수소 생산의 실용화 가능성을 확인했다"며 "차세대 에너지 시스템 개발을 위한 새로운 접근법이 될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이상한·주종훈 교수가 지도하고 신소재공학부 박사과정 황준범 학생과 이정수 석사가 수행한 이번 연구는 국제학술지 'Journal of Materials Chemistry A'48호에 지난 28일 게재됐다.

kanjoys@news1.kr