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성균관대 조형균 교수 연구팀, 그린수소 상용화 촉진 위한 태양광 물분해 광전극·저항변화메모리의 기술융합
성균관대 조형균 교수 연구팀, 그린수소 상용화 촉진 위한 태양광 물분해 광전극·저항변화메모리의 기술융합
  • 이승주
  • 승인 2021.09.15 10:09
  • 댓글 4
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- 뛰어난 내구성과 높은 수소변환 효율 동시에 달성
- 이론값 대비 80%에 도달하는 광전극 소자 개발
- 에너지 분야의 세계적 학술지 Advanced Energy Materials 9월호 표지논문 선정

 성균관대학교(총장 신동렬)는 신소재공학과 조형균 교수 연구팀(제 1저자 김동수 연구원)이 수소에너지를 생성하는 광전극의 상용화를 위해 차세대 메모리로 주목 받고 있는 저항변화메모리소자(ReRAM)의 전도성 필라멘트 기술을 광전극에 도입하는데 성공했다고 밝혔다. 

▲조형균 교수
▲조형균 교수

 연구팀은 누구도 시도하지 않은 전도성 필라멘트의 기술력을 광전극에 융합하여 장시간 안정성과 높은 광전류를 동시에 얻어 상용화의 가능성을 확인하고, 무한한 청정에너지인 태양광과 물을 기반으로 그린수소를 생성할 수 있는 광전극의 효율을 이론값 대비 80% 수준까지 달성했다.

 친환경 수소에너지는 태양광에너지를 흡수하여 물을 그린수소로 변환함으로써 얻을 수 있다. 이때 광전극은 태양광에너지를 흡수하여 전자와 정공을 생성하여 광전류를 형성한다. 하지만, 기존의 광전극은 의도하지 않은 자발적 광부식이 발생하여 장시간 안정성을 보장할 수 없었다. 이를 해결하기 위해 내식성이 뛰어난 이산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 등의 표면보호층 적층기술이 연구되었으나, 표면보호층의 낮은 전도성 때문에 극심한 광전류의 손실이 야기된다. 결과적으로 광전극의 장시간 안정성과 수소변환 효율이 상충관계(trade-off)를 가지게 되어 상용화에 걸림돌이 되어왔다. 

 이에 조형균 교수 연구팀은 저항변화메모리 소자에서 반도체의 전도성을 인위적으로 제어할 수 있는 전도성 필라멘트 기술력을 광전극에 적용하였다. 산화구리(Cu2O) 기반의 광전기화학셀에 필라멘트 기술 도입은 세계 최초 시도이며, 연구진은 전도성 필라멘트의 메커니즘까지 규명하였다. 광전극 내부에 산소공공(Oxygen vacancy)으로 구성된 필라멘트를 전기화학적방법으로 형성하여 이산화티타늄(TiO2)의 전도성을 증가시키며 광전류를 11.9mA/cm2(산화구리 광음극 world record, 이론값 대비 약 80%) 까지 달성하였고 약 100시간 이상의 장시간 안정성까지 동시에 보장하였다. 또한 수소 변환 촉매인 백금(Pt)을 전도성 필라멘트 영역에 광전기화학증착방법을 통해 선택적으로 성장시키는 기술도 효율 향상에 큰 기여를 하였다.

 조형균 교수는 “본 연구는 태양광과 물을 통해 무한한 그린수소의 시대를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 또한 메모리 반도체에 사용되어온 기술을 수소 생산에 적용한 창의적인 아이디어로 융합연구의 좋은 본보기가 된 결과이다”고 말했다. 

▲a) 일반적으로 PEC cell의 전도성 메커니즘 모식도, b) 본 연구에서 새롭게 제안한 conducting filament 전도성 메커니즘 모식도 

 본 연구에서는 산화구리 기반의 광전극에 전기화학적방법으로 영구적인 전도성 필라멘트를 인위적으로 형성하여 기존의 광전극과 비교하여 광전류를 10배 이상 증가시켰다. 대면적화, 고효율, 저비용을 가능케 하는 전기화학증착 방법을 기반으로 구성된 광전기화학셀은 시간당 188μmol/cm2의 그린수소를 생성하였으며, 광전극에서 생성된 전하가 인위적 필라멘트를 통하여 가속전달 되는 전도성 메커니즘을 새롭게 규명하였다.

▲‘Advanced Energy Materials (IF 29.368)에 9.13(월) 온라인 게재 및 9월호 표지
▲‘Advanced Energy Materials (IF 29.368)에 9.13(월) 온라인 게재 및 9월호 표지

 본 연구는 국가연구과제 "광전기화학반응의 이론적 한계를 초월한 신개념 소재/공정/구동 모델 연구(Design of novel material/process/operation capable of exceeding theoretical limitations of the photoelectrochemical reaction”(No.2021R1A2C3011870)의 지원을 받아 수행되었으며, 화학물리분야(CHEMISTRY, PHYSICAL) 분야 상위 3.09% 이내의 세계적인 학술지인 ‘Advanced Energy Materials (IF 29.368)에 9.13(월) 온라인 게재 및 9월호 표지를 장식했다.
   ※ 논문명 : Towards simultaneous achievement of outstanding durability and photoelectrochemical reaction in Cu2O photocathodesviaelectrochemicallydesignedresistiveswitching


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윤진한 2021-09-15 21:27:18
연세대(일본강점기 연희전문 후신 연세대. 국시 110브 연세대), 고려대(구한말 서민출신 이용익이 세운 보성전문이 모태, 동학란을 일으킨 천도교 소속이다가, 해방후 친일파 김성수가 인수 고려대로 변경).

윤진한 2021-09-15 21:25:29
法(헌법,국제관습법).교과서(국사,세계사)>입시점수 중요.여기서부터는 이이제이에 적응해 버티는게 생명력이 오래갈것. 어떻게 정리해야 할지 잘 모르겠음. 주권.자격.학벌없는 왜구 서울대밑에서 대중언론으로는 밑에있던 대학들이라 주권.학벌없이 이이제이가 적당함. 논란必要. 국가주권.자격.학벌없이 임시정부요인 개인설립 국민대,신흥대(경희대),인하대(공대)>완충女 이화여대. 중앙대, 한양대(공대만),가톨릭대(醫),항공대, 後포항공대,특목대로는 육사,後경찰대,카이스트. 그리고 패전국 일본 잔재로 주권.자격.학벌이 없어온 왜구잔재 서울대(100번),왜구 초급대출신 부산대.경북대.전남대.이리농림고 후신 전북대 농대가 기반이며 초급대등 병합한 전북대,왜구 초급대출신 시립대,연세대(일본강점기 연희전문 후신 연세대. 국시 11

윤진한 2021-09-15 21:24:38
부분집합중 하나임.과거와 마찬가지로 앞으로도 교과서 교육은 거의 변할 사유가 없을것입니다. 한국에서는 Royal성균관대(한국 최고대), Royal 서강대(세계사의 교황 윤허반영, 국제관습법상 성대 다음 Royal대 예우)학부 나오면 취업률과 유지취업률이 가장 좋은 자료에 주안점을 두고 있습니다(대학원에 가서 신학.법학.의학, 문사철 및 경제.경영,기초과학.공학등을 전문 연구하는 Royal성균관대.Royal서강대 출신들이 일정인원이상 배출되는게 바람직합니다).

국사,세계사 기준이 옳음. 법이나 교과서자격이 없으면, 입시점수!. 왜구잔재대학은 주권.자격.학벌이 없음.

Royal성균관대(국사 성균관 자격, 한국최고대)와 서강대(세계사의 교황반영, 국제관습법상 성대다음 Royal대 예우)는일류,명문끝. 法(헌

윤진한 2021-09-15 21:24:06
수능,대학은 국민적인 관심사입니다.필자는 세계인에 보편적인 교과서(세계사,한국사), 국내법.국제법, 백과사전 및 역사와 전통 중심으로 대학을 판단하고 있습니다.

2차대전이후, 대중언론을 바탕으로 한 여러가지 신문들의 평가도 세계인들에게 광범위하고 신속하게 인지되는 현대입니다.

그런데, 국사 성균관(성균관대), 한나라 태학.이후의 국자감(베이징대로 승계), 볼로냐.파리대학의 교과서 자격은 변하지 않더군요. 세계종교 유교와 로마 가톨릭도 그렇습니다.교황성하의 신성성도 변하지 않더군요. @한국 유교 최고 제사장은 고종황제 후손인 황사손(이 원)임. 불교 Monkey 일본 항복후, 현재는 5,000만 유교도의 여러 단체가 있는데 최고 교육기구는 성균관대이며,문중별 종친회가 있고, 성균관도 석전대제로 유교의 부분