송 재 선_ 광주과학기술원 신소재공학부 박사과정
이 상 한_ 광주과학기술원 신소재공학부 조교수

1. 서 론

인류 문명의 발전 과정을 보면 어떤 에너지원을 사용할 수 있었는가와 밀접한 연관이 있었음을 알 수 있다. 현대 세계의 근간을 이룰 수 있게 해 준 초기 산업 혁명 당시에는 석탄을 에너지원으로 사용하면서 비약적인 기술의 발전을 이룰 수 있었다. 그 이후로도 인류는 석탄, 석유를 위시한 화석연료 기반의 에너지원을 이용해 현재 4차 산업혁명 시대로까지 이어지는 인류 문명의 발전을 이룩해왔다. 하지만 화석 연료의 유한성, 환경오염과 기후 변화 등의 다양한 문제점들로 인해 점차 친환경적인, 그리고 지속가능한 신재생 에너지 확보에 전 세계적인 관심이 모아지고 있다. 다양한 신재생 에너지 확보 방법 중 단연코 사람들의 관심을 모으고 있는 것은 무한한 에너지원인 태양광을 변환하여 청정에너지를 얻는 것이다. 대표적인 것으로 태양광을 전기에너지로 전환하는 태양광발전을 들 수 있다. 하지만 전기에너지의 경우 생산 후 저장 및 수송시 에너지의 손실이 크므로 이를 보완할 수 있는 다른 형태의 에너지원의 필요성이 대두되고 있다. 이와 같은 필요성을 충족시킬 수 있는 대표적인 에너지원이 바로 화학적 에너지의 일종인 수소에너지이다. 수소에너지는 에너지 손실 없이 대량 저장 및 수송이 용이하고 연료로 사용 후 물이 발생되기 때문에 친환경적이라고 할 수 있다. 하지만 현재 사용되고 있는 대부분의 수소는 화석연료인 천연가스, 석유, 석탄 등의 수증기개질, 열분해, 가스화를 통해 생산되고 있어 생산 공정에 있어 친환경적이지 않다는 모순적 상황에 놓여 있다. 따라서 관련 연구자들은 태양광을 통한 물분해를 이용, 직접적으로 수소를 생산하는 광전기화학전지기반 수소에너지 생산 방법에 대해 많은 연구를 진행하고 있다.

그림 1은 광전기화학전지에서 태양광을 통해 물을 분해해 수소를 얻는 과정을 나타내고 있다. 수용액 내에 반도체 물질로 이루어진 광전극이 외부회로로 상대전극과 연결되어 있을 시 태양광 조사로 인해 광전극내에서 전자-정공 쌍이 생성되게 되면 생성된 전자과 정공은 각각 음극(cathode)과 양극(anode) 표면으로 이동하여 수소와 산소 발생에 쓰이게 된다. 즉, 광전기화학전지를 이용하면 태양광 조사시 물 분해 과정을 통해 직접적으로 수소를 생산할 수 있게 된다. 따라서 광전극에서 태양광-광전류 전환효율의 증가가 궁극적으로 태양광-수소 전환효율(Solar to Hydrogen, STH) 증가로 이어지기 때문에 많은 연구자들은 광전극에 대해 집중적으로 연구를 진행하고 있는 상황이다.

어느 분야이든 더욱 획기적인 발전을 위한 초석을 다지기 위해서는 기초 연구가 매우 중요하다. 이러한 관점에서 본고에서는 수소생산을 위한 광전기화학전지의 핵심 파트인 광전극에 대한 최근 기초 연구들의 동향을 살펴보고자 한다. 먼저 가장 활발히 연구되고 있는 BiVO4 단결정 광전극의 형성 및 그 특성에 대한 연구결과에 대해 살펴본 뒤 차세대 광전기화학전지의 나아갈 길을 제시하는데 이용될 수 있는 강유전성 BiFeO3 물질의 결정학적 방향에 따른 광 변환 특성에 대한 연구에 대해 살펴보고자 한다.

자세한 내용은 본지 12월호에서 확인하실 수 있습니다.