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태양광을 활용해 물에서 친환경 수소를 생산하는 '광전기화학적 물분해'는 차세대 청정에너지 기술로 각광받고 있다. 이 기술을 구현하려면 무엇보다 다양한 구동 조건에서도 장시간 성능을 유지하는 '광전극'이 필요한데 국내 연구진이 가혹한 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.
국가학자금대출신청플렉서블 광전극은 비정형 구조물에 부착하거나 적용할 수 있어 딱딱한 기판에 비해 설치가 용이하다. 또 태양광 수집 면적을 극대화하고, 다양한 응용 환경에 효과적으로 적용할 수 있는 장점이 있다.
연구팀은 이트리아 첨가 농도를 정밀하게 조절해 기존 이트리아 안정화 지르코니아(8YSZ)와 차별화된 3YSZ 소재를 제작했다. 이 과 대학생학자금대출금리 정에서 전체 결정 구조의 최대 95%까지 안정된 형태로 유지하고, 결정의 불안정한 상을 5% 이하로 억제해 지르코니아의 구조를 최적화했으며, 이를 통해 구부릴 수 있는 유연성을 부여했다.
연구팀은 이번에 개발된 3YSZ 기판이 현재까지 보고된 플렉서블 기판 중 가장 높은 탄성 계수(192 GPa, 기존 대비 2.7배)와 항복 강도(856 청약저축 한도 MPa, 기존 대비 14.3배)를 나타냈다고 설명했다. 이는 3YSZ가 우수한 기계적 물성을 유지하면서도 구부림과 같은 변형에 뛰어난 저항성을 가진다는 것을 의미한다.
탄성 계수는 재료가 외부에서 힘을 받을 때 늘어나거나 휘는 정도를 결정하는 기준으로, 값이 높을수록 재료는 잘 변형되지 않는다. 항복 강도는 재료가 외부의 힘에 의해 영구적 대신저축은행 햇살론 으로 변형되기 시작하는 한계점을 의미하며, 값이 높을수록 더 큰 힘에도 형태를 유지하고 쉽게 변형되지 않는다.
연구팀은 또 이렇게 제작된 3YSZ 기판 위에 펄스 레이저 증착법(PLD)을 활용해 고품질의 비스무스 바나데이트·텅스텐 산화물 이종접합 구조(BiVO4/WO3) 제작에도 성공했다. 이종접합 구조 형성을 통해 광생성 전자의 재결합을 오늘만특가 억제하고 전하 분리 및 이동성을 개선해 광전류 밀도가 기존 대비 약 2.3배 증가(0.78→1.78 mA/cm2)했다.
또 1만번 구부림 테스트 후에도 초기 성능의 99.8%를 유지했으며, 구부린 상태에서 24시간 안정적으로 작동해 뛰어난 내구성과 장시간 안정성을 입증했다.
이는 3YSZ 기판의 기계적 안정성과 BiVO4/WO3 이종접합 구조의 우수한 성능이 결합된 결과로, 가혹한 환경에서도 지속 가능한 플렉서블 태양에너지 변환 시스템의 실용화 가능성을 제시한다.
이상한 교수는 "이번 연구 성과는 기존 플렉서블 광전극의 구조적·성능적 한계를 극복하고, 태양에너지 기반 수소 생산의 실용화 가능성을 확인했다"며 "주종훈 교수 연구팀에서 제공한 3YSZ 소재가 다양한 분야에 활용되어 차세대 에너지 시스템 개발을 위한 새로운 접근법이 될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
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류준영 기자 joon@mt.co.kr