조한희 교수팀, ‘전자 전달’ 성능 뛰어난 자기조립단층 박막 개발
푸쉬-풀 분자구조로 전자 터널링 효과 유발…논문 게재

(왼쪽부터) UNIST 조한희 교수, 이의민 연구원(제1저자), 이동현 연구원(제1저자). UNIST 제공

햇빛으로 물에서 수소를 추출하는 태양광 수소 생산 기술 상용화가 빨라질 전망이다. 태양광 수소 생산에 꼭 필요한 광전극의 성능을 높이는 박막 물질이 개발됐기 때문이다.

UNIST 신소재공학과 조한희 교수팀은 태양광 수소 생산 성능을 높일 수 있는 나프탈이미드계 자기조립분자 박막을 개발했다고 8일 밝혔다.

태양광 수소 생산은 물속에 담긴 광전극에 햇빛을 쪼여 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 광전극(photoanode) 내부의 반도체가 빛을 흡수하면 전자가 생기는데, 이 전자가 기판으로 이동해 물이 수소와 산소로 분해되는 화학반응을 일으킨다.

연구팀이 개발한 자가조립막박은 유기반도체와 기판 사이에서 전자를 전달해 주는 역할을 한다. 기존에는 이 역할을 두께가 두껍고 전하 전달 성능이 떨어지는 금속산화물층이 맡아 왔다. 이 물질을 광전극에 적용했을 때, 7.97mA/㎠ 전류 밀도를 기록했다. 이는 벌크 유기반도체(BHJ)를 기반으로 하는 광전극 중에서 가장 뛰어난 전류 밀도 성능이다. 광전극의 전류 밀도 성능이 뛰어날수록 수소가 반대쪽 전극에서 빠르게 생산된다.

그림 . 박막을 구성하는 SAM 단분자(a,b)와 광전극(c)의 구조. (a) 1,8-나프탈이미드에 전자주개를 도입해 분자 내 쌍극자 모멘트를 강화하는 푸시-풀 구조. (b) 이번 연구에서 총 4종류의 푸쉬-풀 타입 SAM 단분자(NI, NI-P, NI-T, NI-F)를 만들었으며, 쌍극자 모멘트가 큰 NI-P, NI-T와 우수한 성능을 보였다. (c) 나프탈이미드 기반 SAM이 도입된 BHJ 유기 광양극의 에너지 밴드 정렬 및 전자 선택적 추출 원리. UNIST 제공

또 이 물질은 금속산화물층과 달리 분자끼리 알아서 조립돼 박막을 형성하기 때문에 제작 공정 비용도 줄일 수 있다.

연구팀은 박막을 이루는 분자를 ‘푸쉬-풀(push–pull) 구조’로 설계해 이 같은 물질을 개발할 수 있었다. 푸쉬-풀은 한 분자 안에 전자를 밀어내는 부분과 당기는 부분이 공존하는 구조로, 이 구조의 분자들은 힘을 합쳐 강한 전기장을 형성할 수 있다. 형성된 전기장은 에너지 장벽을 낮추는 역할을 해, 전자가 자기조립분자박막을 뚫고 이동하는 ‘전자 터널링’ 현상이 활성화되는 원리다.

조한희 교수는 “유기 반도체 기반 광전극은 가격이 저렴하고 대면적 제조가 가능하다는 장점이 있다”며 “이번에 개발된 자기조립분자막은 이러한 유기 광전극 기반 태양광 수소 생산 기술의 상용화 가능성을 크게 높인 물질”이라고 설명했다.

이어 “이번 연구의 분자 설계 전략인 ‘푸쉬-풀’ 분자 구조는 태양광 수소 생산 기술 뿐만 아니라 전자 추출이 중요한 태양광전지, 발광다이오드, 광학 센서 소자에 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 에너지 분야의 국제 권위 학술지인 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 11월 11일 온라인으로 게재됐다.

송현수 기자 songh@busan.com