DGIST, 중금속 없는 친환경 양자점으로 태양광 수소 생산 효율 최고 수준 달성

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 양지웅·인수일 교수 연구팀이 건국대 화학공학부 김재엽 교수 연구팀과 공동연구를 통해 친환경 양자점 내 음이온 결함 농도를 정밀하게 제어하는 기술을 개발했다. 연구팀은 이 기술을 통해 중금속을 포함하지 않은 친환경 양자점 광전극 분야에서 세계 최고 수준의 태양광 수소 생산 효율을 달성했다.

양자점(Quantum dot)은 나노미터 크기의 반도체 결정체로, 우수한 광학적·전기적 특성을 바탕으로 디스플레이와 광센서, 태양광 기반 수소 생산 등 다양한 분야에서 차세대 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 태양광을 수소 에너지로 전환하는 광전기화학적 수소 생산 기술에서 높은 잠재력을 지니고 있으나, 기존 고효율 양자점의 대부분이 독성 중금속을 포함하고 있어 상용화에 한계가 있었다. 이를 대체하기 위한 친환경 양자점 연구가 활발히 진행돼 왔지만, 중금속 기반 소재 대비 낮은 효율이 주요 기술적 난제로 남아 있었다.

대표적 친환경 양자점인 I-III-VI족 기반 양자점은 여러 원소가 복합적으로 결합된 구조적 특성으로 인해 결정 내부의 음이온 결함 밀도가 높아 광전기적 특성이 저하되는 문제가 있었다. DGIST 연구팀은 전구체 비율을 정밀하게 조절하는 단순하면서 효과적인 전략을 통해, 친환경 양자점의 고질적인 약점으로 지적돼 온 음이온 결함 농도를 자유롭게 제어할 수 있는 독자적인 공정을 개발했다.

연구 결과, 구리-인듐-황-셀레늄(CuIn(S1-xSex)₂) 양자점에서 황과 셀레늄이 1:1 비율(CuIn(S0.5Se0.5)₂)로 혼합될 경우 결정 구조의 왜곡이 최소화되며, 음이온 결함 농도가 가장 낮아지고 결정 안정성이 극대화됨을 확인했다.

결함이 최소화된 친환경 양자점은 전하 운반체 농도가 증가하고 수명이 연장돼, 빛에 의해 생성된 전하가 재결합 손실 없이 효율적으로 이동하는 특성을 보였다. 이를 이산화티타늄(TiO₂) 기반 광전극에 적용한 결과, 0.6 VRHE에서 15.1 mA·cm?²의 기록적인 광전류 밀도를 달성했다. 이는 유해 중금속을 배제하고도 기존 독성 양자점 수준의 고성능을 구현할 수 있음을 입증한 성과다.

연구팀은 높은 효율과 함께 상용화의 핵심 요소인 장기 구동 안정성도 확보했다. 양자점 표면에 황화아연(ZnS)과 이산화규소(SiO₂)로 구성된 이중 보호막을 도입해, 수중 산화 반응으로 인한 성능 저하를 효과적으로 억제했다.

양지웅 교수는 “이번 연구는 친환경 양자점의 가장 큰 약점이었던 내부 결함 문제를 나노 공정 기술로 정밀 제어해 성능의 한계를 돌파한 사례”라며, “유해 중금속 없이도 고효율 수소 생산이 가능하다는 점을 입증함으로써, 지속 가능한 친환경 수소 에너지 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업, 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 국제공동기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 에너지·환경 분야 최상위 국제학술지 eScience(IF 36.6)에 온라인 게재됐다.