음극 박막 제작은 주로 용액 공정이 이용되는데, 용액 공정은 박막의 결정화
를 위해서 후열처리가 반드시 필요하다.
∘ 이때 용액 공정으로 제작된 광음극 박막 내에는 전하 이동 흐름을 방해하는 구
조적 결함이 발생할 확률이 높아 광부식현상에 의한 광음극의 내구성이 저하된
다. 따라서 기존에는 광음극의 광부식현상을 막기 위해 광음극 표면에 보호층
코팅 또는 값 비싼 촉매의 사용이 필수적이다. 이러한 단점을 해결하기 위해서
는 광전극 박막의 품질을 향상 시킬 수 있는 박막 증착 공정이 필요하다.
□ 본 연구팀은 대표적 물리적 증착 방법인 펄스드 레이저 증착법*을 이용하여
고밀도 이종 구조**(구리 비스무스 산화물(CuBi2O4)과 니켈 산화물(NiO))
광음극 박막을 제작하였다. 고안된 고밀도 이종 구조 광음극 박막의 태양광
을 이용한 광전류 밀도는 단일층 구리 비스무스 산화물 광음극 광전류 밀도
에 비하여 1.5 배 향상되었다. 특히 고밀도 이종 구조 광음극 박막은 암전류
*** 증가 없이 8 시간 이상 안정적으로 광전류 밀도****가 유지(초기 광전
류 밀도의 약 80%) 되는 것을 확인하였다. 이러한 장시간 안정성은 기존에
보고된 용액 공정으로 제작된 구리 비스무스 산화물 광음극의 안정성 테스
트 시간(2~3시간) 보다도 약 3배 이상 지속된 시간이다.
* 기상증착법(Vapor Deposition)은 증착 공정에 따라 크게 두 가지 분류할 수 있는데, 하나는
PVD(Physical Vapor Deposition)이고 다른 하나는 CVD(Chemical Vapor Deposition)이다. 일반적으로,
PVD는 진공 공정을 통해 박막이 증착되어지며, CVD는 화학 용액을 사용하여 고온 열처리 공정을
통해 박막이 형성되어지는 차이가 있다. 펄스드 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition)은 고에너지
레이저광원을 이용하여 진공 분위기에서 고품질 박막을 제작할 수 있는 물리적 기상 증착법이다.
** 이종 구조(Heterostructure): 서로 다른 이종 결정 간의 접합
*** 암전류(Dark current): 태양광이 광전극에 조사되지 않았을 때, 전위차에 의해 발생하는 전류
**** 광전류 밀도(Photocurrent density): 태양광이 광전극에 조사 되었을 때, 단위 면적당 광전극에서
발생하는 전자-정공쌍에 의해 발생하는 전류
□ 이상한 교수는 “광전기화학전지 물 분해를 통해 수소 생산의 실용화를 위해서
는 광전극의 장시간 안정성이 요구되는데 본 연구에서 적용한 펄스드 레이저
증착법과 같은 물리적 기상 증착법을 이용하면 내구성 있는 광전극 제작이 가
능하고, 광전극의 안정성을 높일 수 있을 것으로 기대한다” 고 밝혔다.
□ GIST 이상한 교수가 주도하고 GIST 이종민 박사과정 및 윤홍지 석사(공동
제1저자)가 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 미래소재디스커
버리 사업을 통해 수행되었으며, 2019년 9월 9일 화학분야 저명 학술지인
Chemical Communications(케미컬 커뮤니케이션즈, IF=6.164)에 논문이 게
재되었고, 논문의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정되었다. <끝>