대구대 교수, 자기조립형 분자기반 반도체 구조 개발

인공 광합성의 효율을 기존 방식보다 천 배 이상 높일 수 있는 연구가 발표돼 주목받고 있다.

이번 연구는 인공 광합성을 획기적으로 개선할 수 있는 중요한 전기를 마련한 기초 연구로, 수소 연료 상용화 등 관련 기술 개발에 탄력이 붙을 것으로 기대된다.

인공 광합성은 식물이 햇빛을 받아 유기물을 만드는 자연 광합성처럼, 태양광을 에너지로 사용해 이산화탄소와 물을 액체 연료와 산소로 전환시키는 반응을 말한다.

이는 이산화탄소를 감소시키고 연료와 산소를 생산할 수 있다는 점에서 지구 온난화 등 환경 문제와 에너지 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 미래 핵심 기술로 각광받고 있다.

대구대학교(총장 홍덕률) 화학·응용화학과의 위경량 교수(사진·34)는 ‘염료감응 태양에너지 변환을 위한 자기조립형 분자기반 p/n 접합 반도체 구조 개발(Self-assembled molecular p/n junctions for applications in dye-sensitized solar energy conversion)’이란 논문을 발표했다.

이 논문은 인공 광합성의 핵심이라 할 수 있는 ‘산화-환원 분리(redox separation)’ 지속 시간을 기존 밀리초(milliseconds, 1,000분의 1초) 단위에서 초(Seconds) 단위로 늘리는 기술에 대한 내용을 담고 있다.

인공 광합성에서는 광 유발 산화-환원 분리 지속 시간에 따라 생산되는 연료와 산소 양이 결정되는데, 지속 시간이 길어진다는 것은 인공 광합성을 통해 얻게 되는 연료와 산소 양이 증가한다는 것을 의미한다.

기존 연구에서는 산화금속 기반의 반도체 상에서 촉매제의 효율을 높이는 방식으로 산화-환원 분리 지속 시간을 늘리려고 했다. 하지만 이 논문에서는 자기조립형 분자기반 반도체를 통해 광 유발 산화-환원상태(전하분리)를 1,000배 이상 획기적으로 지연할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

자기조립형 분자기반 반도체는 나노 입자 크기의 인듐 주석 산화물(nanoITO)과 전하를 효율적으로 분리하는 분자기반 p/n(positive/negative) 접합을 통해 만들 수 있는데, 이는 제조 공정이 간단해 대량생산에도 매우 유리하다는 장점이 있다.

또한, 반도체 형태를 p형(정공주입)과 n형(전자주입) 등 자유자재로 바꿀 수 있어 다양한 태양에너지 전환소자로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

위경량 교수는 “이번 연구는 인공 광합성의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천 기술이기 때문에 물에서 수소 연료생산 상용화 등 관련 기술 개발에 탄력을 받을 것으로 기대된다”면서 “이 논문을 토대로 인공 광합성 후속 연구에도 박차를 가할 계획이다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 미국 노스캐롤라이나 주립대(North Carolina State University) 연구팀과 공동으로 진행됐으며, 세계 저명 학술지인 '네이처 케미스트리(Nature Chemistry, 인용지수(IF) 27.893)' 2016년 6월호에 실렸다.

위 교수가 속한 대구대 화학·응용화학과는 2014년 교육부가 선정한 대학 특성화 사업(CK사업)의 특성화 우수학과로 선정됐다.