▲ 박막을 구성하는 SAM 단분자(a,b)와 광전극(c)의 구조 / (a) 1,8-나프탈이미드에 전자주개를 도입해 분자 내 쌍극자 모멘트를 강화하는 푸시-풀 구조. (b) 이번 연구에서 총 4종류의 푸쉬-풀 타입 SAM 단분자(NI, NI-P, NI-T, NI-F)를 만들었으며, 쌍극자 모멘트가 큰 NI-P, NI-T와 우수한 성능을 보였다. (c) 나프탈이미드 기반 SAM이 도입된 BHJ 유기 광양극의 에너지 밴드 정렬 및 전자 선택적 추출 원리.(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

햇빛으로 물을 분해해 수소를 생산하는 태양광 수소 기술의 상용화에 속도가 붙을 전망이다. 광전극의 전자 전달 효율을 획기적으로 높이는 초박막 소재가 개발되면서, 태양광 기반 친환경 수소 생산의 핵심 난제가 하나 더 해결됐기 때문이다.

UNIST 신소재공학과 조한희 교수 연구팀은 태양광 수소 생산 성능을 크게 향상시킬 수 있는 나프탈이미드계 자기조립단층(Self-Assembled Monolayer, SAM) 박막을 개발했다고 밝혔다. 이 박막은 유기반도체 기반 광전극에서 전자 전달을 효율적으로 돕는 역할을 하며, 기존 금속산화물층을 대체할 수 있는 차세대 소재로 주목된다.

태양광 수소 생산은 물에 담긴 광전극에 빛을 쪼여 반도체 내부에서 생성된 전자를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 이 과정에서 전자가 광전극 내부를 원활히 이동해야 수소 생산 효율이 높아지는데, 지금까지는 두껍고 전하 전달 성능이 제한적인 금속산화물층이 병목으로 작용해 왔다.

연구팀이 개발한 자기조립분자 박막은 유기반도체와 기판 사이에서 전자를 효과적으로 전달하며, 광전극에 적용했을 때 7.97 mA/cm²의 전류 밀도를 기록했다. 이는 벌크 유기반도체(BHJ) 기반 광전극 중 최고 수준의 성능으로, 전류 밀도가 높을수록 반대쪽 전극에서 수소가 더 빠르게 생성된다.

이번 성과의 핵심은 ‘푸쉬-풀(push–pull)’ 분자 구조 설계에 있다. 한 분자 안에 전자를 밀어내는 부분과 끌어당기는 부분을 동시에 배치해, 분자들이 강한 내부 전기장을 형성하도록 했다. 이 전기장은 에너지 장벽을 낮춰 전자가 박막을 통과하는 ‘전자 터널링’ 현상을 활성화하며, 초박막임에도 뛰어난 전자 전달 성능을 구현한다.

또한 이 소재는 분자들이 스스로 정렬해 박막을 형성하는 자기조립 특성을 지녀, 복잡한 공정 없이도 균일한 초박막 제작이 가능하다. 이에 따라 제조 비용 절감과 대면적 공정 적용이라는 유기반도체 광전극의 장점을 극대화할 수 있다.

조한희 교수는 “유기반도체 기반 광전극은 저비용·대면적 제조가 가능하다는 강점이 있지만, 전자 전달 효율이 한계로 지적돼 왔다”며 “이번에 개발한 자기조립분자 박막은 태양광 수소 생산 기술의 상용화 가능성을 크게 높이는 전환점이 될 것”이라고 밝혔다. 이어 “푸쉬-풀 분자 설계 전략은 태양광 수소뿐 아니라 태양전지, 발광다이오드, 광센서 등 전자 추출이 중요한 다양한 소자에도 폭넓게 적용될 수 있다”고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 권위 학술지인 ACS Energy Letters에 11월 11일 온라인 게재됐다.

논문명은 A Push-Pull Type Electron-Selective Self-Assembled Monolayer in Organic Semiconductor Photoanodes for Solar Water Oxidation이다.