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GIST 이상한 교수팀, 물을 분해하여 수소 만드는 새로운 접근법 제시

- 강유전체 광전극을 이용한 고효율 수소생산 가능성 제시 -

 

 

 

□ 물을 분해하여 수소를 생산할 수 있는 새로운 접근법이 제시되었다. GIST(광주과학기술원, 총장 문승현)은 신소재공학부 이상한 교수 연구팀이 자체적으로 +, -극을 가지고 있는 강유전체*의 분극 값이 클수록 광 전류 밀도*가 높아진다는 사실을 최초로 실험으로 밝혀 고효율의 물 분해 수소 생산을 위한 또 다른 접근법을 제시했다고 밝혔다.

* 강유전체 : 자발 분극을 가지고 있는 재료로서 외부전기장에 의하여 분극의 방향을 바꿀 수 있는 물질을 뜻함.

* 광 전류 밀도 : 빛을 조사시, 전하 분리 현상에 의해 생성되는 전류를 빛 받은 면적으로 나눈 수치.

 

□ 지구에 존재하는 대부분의 물질은 내부에 전기적인 극(+, -전극)이 없다. 하지만 차세대 비휘발성 메모리 소자로 각광을 받고 있는 강유전체는 자체적으로 극을 가지고 있다. 이러한 특성은 빛을 받았을 때 전자*-정공*을 효율적으로 분리할 수 있어 태양 광 변환 효율을 높인다. 현재까지 강유전체의 자발 분극 값과 광 변환 효율 간의 연관성은 명확히 실험적으로 증명 되지 않았다.

* 전자 : 음의 전하를 띠고 있는 기본 입자

* 정공 : 양의 전하를 띠고 있는 기본 입자

* 광 전극 : 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 발생시키는 물질로 만든 전극

 

□ 연구팀은 강유전체 자발 분극 값과 광 변환 효율 사이의 상관관계를 최초로 실험적으로 밝혔다. 연구결과, 비스무스 페라이트* 광전극* 박막에서 결정* 방향별로 다른 자발 분극 값이 나타났다. 결정방향의 유형 중 하나인 수직 결정 방향에서는 65 마이크로 클롱(μC/cm2), 비틀어진 대각선 결정 방향에서는 110 마이크로 클롱(μC/cm2)이 나타난다. 이러한 자발 분극의 차이로 인해서, 같은 비스무스 페라이트 물질이라도 수직 결정 방향에 비해 비틀어진 대각선 결정 방향*에서 광 전류 밀도가 5배 이상 향상되었다. 광 전류 밀도가 높다는 것은 태양광으로부터 받은 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율이 크다고 말할 수 있다. 이렇게 발생된 전기 에너지가 물을 분해해 수소를 만들어 낼 수 있다. 즉, 더 높은 자발 분극 값을 가지는 강유전체를 광전극으로 사용하여 결과적으로 수소 생산 효율을 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

* 비스무스 페라이트(BiFeO3) : 상온에서 강유전성과 반강자성을 동시에 가지고 있어 상온 자기전기 소자 개발을 위한 기반 물질로 여겨지고 있는 물질

* 광 전극 : 태양광을 흡수하여 전자와 정공을 발생시키는 물질로 만든 전극

* 결정(crystal) : 원자나 이온들이 규칙적으로 배열하고 있는 고체 상태의 물질

 

□ 이상한 교수는 “이 연구는 자체적으로 내부 전계를 가진 강유전체 자발 분극 값과 광 변환 효율 사이의 상관관계를 실험적으로 최초로 입증하였다. 강유전체의 자발 분극 값이 태양 광 변환 효율을 높일 수 있는 물리적 성질 중의 하나임을 새롭게 제시하였다. 본 연구결과는 수소 생산 뿐 아니라 태양 전지 등 에너지 생산 기술 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

 

□ 지스트 창조적 도전과제와 교육부·한국연구재단 이공학개인기초연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 신소재공학부 이상한 교수가 주도하고 송재선 박사과정 학생(제1저자)이 수행하였다. 연구 결과는 나노소재 분야의 세계적 학술지인 나노 리서치(Nano Research)에 2017년 6월 9일 온라인으로 게재되었다.

 

 

그림1. 모식도.jpg

 

 

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