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국립창원대 곽진성 교수 연구팀, 전기·빛으로 작동하는 ‘이중모드 수소 생산 전극’ 개발 TiS2·GaN 결합으로 소재별 기능 분리…새로운 전극 설계 원리 제시 
국립창원대학교는 반도체물리학과 곽진성 교수 연구팀이 전기와 빛을 각각 활용해 두 가지 방식으로 수소를 생산할 수 있는 2차원·3차원 통합 이종접합 전극을 개발하고, 작동 가능성을 실험적으로 입증했다고 19일 밝혔다.
이번 연구는 전기화학과 광전기화학 수소 생산을 하나의 전극 구조로 연결하고, 전하 생성·이동과 촉매 반응을 서로 다른 소재에 분담시킴으로써 기존 다기능 전극의 기능 간 상충관계를 완화할 수 있는 새로운 설계 원리를 제시했다는 점에서 의미가 있다. 연구 결과는 국제저명학술지 ‘EcoMat (IF 12.6, JCR 상위 6.3%, Green & Sustainable Science & Technology 분야)’에 게재됐다.(DOI: https://doi.org/10.1002/eom2.70096)
곽진성 교수 연구팀에 따르면 기존 생산 전극은 빛 흡수와 전하 생성·이동, 촉매 반응 등 서로 다른 기능을 하나의 물질이나 구조에서 동시에 최적화해야 해 기능 간 상충관계가 발생하기 쉽다. 연구팀은 실리콘 기판 위에 수직으로 정렬된 n형 질화갈륨(GaN) 나노로드를 성장시키고, 그 표면에 2차원 층상 물질인 이황화티타늄(TiS2)을 형성해 이러한 기능을 공간적으로 분리했다.
GaN은 전하 생성과 이동을 담당하고, TiS2는 계면 전하 전달을 촉진하면서 수소 발생 반응이 일어나는 촉매 표면으로 기능한다. 연구팀은 이러한 설계 원리를 ‘전하 생성·소비 분리형 기능 전환(charge-decoupled functional switching)’으로 제시했다. 
외부 전기를 공급하면 전자가 GaN을 거쳐 TiS2 표면에서 수소 발생 반응을 일으키고, 빛을 비추면 GaN에서 생성된 광전하가 TiS2/GaN 계면에서 분리돼 수소 생산에 참여한다. 이를 통해 연구팀은 하나의 전극을 전하 공급 방식에 따라 전기화학과 광전기화학의 두 가지 모드로 작동시킬 수 있음을 확인했다. 또한 낮 8시간에는 광전기화학 방식으로, 나머지 16시간에는 전기화학 방식으로 작동하는 주야간 운용 시나리오를 제안했다.
전기화학과 광전기화학 모드를 결합한 총 24시간 시험 후에도 전극의 전반적인 형태와 Ti-S 기반의 주요 화학구조가 대체로 유지됐다. 연구팀은 향후 장기 안정성과 계면 열화 원인을 분석하고, TiS2의 두께와 계면 구조를 정밀하게 제어해 전하 전달과 촉매 성능을 높일 계획이다.
이번 연구는 D.N.A.+ 분야 가운데 에너지 분야와 직접 연계되는 기초연구 성과다. D.N.A.+는 방산(Defense), 원전(Nuclear), 우주항공(Aerospace) 및 에너지(Energy)를 포함한 경남 지역 특화산업 분야를 의미한다. 전력 공급 여건과 일사 조건에 따라 전기화학 및 광전기화학 모드를 선택적으로 활용하는 전극 설계 개념은 재생에너지 연계형 수소 생산과 분산형 에너지 시스템에 적용될 수 있다. 향후 효율과 장기 안정성, 실제 운전 환경에서의 성능이 충분히 검증되면 방산·원전·우주항공 분야의 독립형 에너지 공급 및 수소 기반 에너지 시스템으로의 확장 가능성도 기대된다.
곽진성 교수는 “이번 연구의 핵심은 하나의 물질에 여러 기능을 집중하는 대신, 서로 다른 소재가 전하 생성·이동과 촉매 반응을 분담하도록 설계한 것”이라며 “앞으로 실제 환경에서의 연속 전환 운전과 장기 안정성을 검증하고, TiS2의 두께와 계면 구조를 정밀하게 제어해 전극의 효율을 높여 나갈 계획”이라고 설명했다.
이번 성과는 국립창원대학교 G-램프(LAMP)사업단(사업단장 박종규)의 지원을 받아 수행됐다. 특히 박사후연구원과 박사과정생이 긴밀하게 협업해 도출했다는 점에서도 의미가 있다. 첨단나노과학기술연구소 손호기 박사후연구원과 소재융합시스템공학과 황혜경 박사과정생은 이 연구에 공동 제1저자로 참여해 이종접합 전극의 제작과 특성 분석, 전기화학·광전기화학 수소 생산 및 작동 원리 규명에 공동으로 기여했다. 곽진성 교수는 교신저자로서 연구를 총괄했으며, 한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 공동연구자로 참여했다. 연구에서 제시한 설계 개념은 향후 MoS2, WS2 등 다양한 2차원 촉매와 반도체 조합으로 확장될 수 있을 것으로 기대된다. 
*사진: 국립창원대 곽진성 교수 연구 개요도 및 연구진 사진. 끝.
내용 문의 : G-램프(LAMP)사업단(055.213.4554)
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