▲ 연구팀이 개발한 실내조명용 수소 생산 인공 나뭇잎의 구조와 성능 / (상단)　인공 나뭇잎을 이루는 광전극의 구조와 전하 전달 경로. 실내 조명을 받으면 황화물(CdS/TiO₂) 광전극에서 전하(전자, 정공)가 생성되고, 전자는 FTO 기판과 이산화티타늄 층을 거쳐 3차원 니켈(3D-Ni) 촉매로 전달된다. 전달된 전자는 니켈 촉매 표면에서 수소 발생 반응(HER)을 일으킨다. (하단 좌측) 수소 발생 촉매와 광전극이 연결된 인공 나뭇잎 (하단 우측) 실내조명을 쪼였을 때 약 119 μA/cm²의 광전류를 기록함.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

실내조명 빛을 활용해 수소를 생산하는 ‘인공 나뭇잎’ 기술이 국내 연구진에 의해 개발되면서, 기존에 버려지던 조명 에너지를 청정에너지로 전환하는 새로운 가능성이 제시됐다. 전 세계 전력 소비의 약 19%를 차지하는 조명 에너지를 재활용할 수 있다는 점에서 에너지 효율 혁신 기술로 주목된다.

UNIST 에너지화학공학과 장지현 교수팀은 실내 LED 조명에서도 높은 효율로 작동하는 광전극과 수소 생산 촉매를 결합한 인공 나뭇잎을 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 국제학술지 Applied Catalysis B: Environmental and Energy에 지난달 16일 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다. 

인공 나뭇잎의 핵심은 식물의 엽록소 역할을 수행하는 광전극이다. 연구팀은 햇빛보다 약한 실내조명에서도 효율적으로 작동할 수 있도록 황화물(CdS) 기반 광전극을 설계했다. 이 광전극에서 생성된 전하 입자는 이산화티타늄(TiO₂) 층을 통해 전달되고, 3차원 니켈(3D-Ni) 촉매 표면에서 물과 반응해 수소를 생성한다.

특히 연구팀은 실내조명의 낮은 에너지 밀도와 황화물의 광부식 문제를 동시에 해결하기 위한 구조적 설계를 적용했다. CdS와 TiO₂를 결합한 이종접합 구조를 통해 전하 재결합을 억제하고, 황화물 표면에 인산염(Pi)을 코팅해 광부식을 방지함으로써 내구성과 효율을 동시에 확보했다.

개발된 인공 나뭇잎은 별도의 외부 전압 없이도 실내조명만으로 약 119~120 µA/cm² 수준의 광전류를 기록했으며, 12시간 작동 후에도 초기 성능의 94%를 유지하는 안정성을 보였다. 이는 고가의 백금 촉매를 사용할 때와 유사한 성능으로, 비용 경쟁력 측면에서도 의미 있는 성과다.

또한 수소 생산 촉매로 사용된 3차원 니켈 구조는 저비용 소재로 잉크 형태로 제작이 가능해, 대면적 확장과 상용화에 유리하다. 실제로 연구팀은 85cm² 크기의 인공 나뭇잎 4개를 직렬 연결한 모듈을 구현했으며, 실내조명 환경에서 총 5mA 수준의 광전류를 생성하는 데 성공했다.

이번 기술은 날씨와 시간에 영향을 받는 태양광과 달리, 일정하게 공급되는 실내조명을 활용할 수 있다는 점에서 차별성을 가진다. 특히 건물, 공장, 데이터센터 등 실내 공간에서 발생하는 조명 에너지를 활용한 분산형 수소 생산 시스템으로 확장될 가능성이 있다.

연구진은 향후 수소의 분리 및 저장 기술을 결합해 실질적인 에너지 시스템으로 발전시키는 것을 목표로 하고 있다. 실내에서 버려지던 빛을 에너지원으로 전환하는 이번 기술은, 에너지 효율 향상과 탄소중립 실현을 동시에 겨냥한 새로운 접근으로 평가된다.

논문명은 Artificial-leaf hydrogen production: Advancing indoor renewable energy via phosphate-coated CdS/TiO2 heterojunctions이다.