초록 ▼

□ 연구개요
◦본 연구가 지향하는 최종연구목표는 실리콘(Si) 나노와이어 기판 위에 질화물 계열의 나노소재 기반 인공광합성 기술(광전극, 조촉매 및 공정기술) 개발이며, 태양광 에너지를 이용해서 실험실 단위 광전기화학적 시스템 개발까지 수행했음.

□ 연구 목표대비 연구결과
◦ (1-5년차) PEC H₂O 전환 소자 원천/요소 기술 확보
1) Si 반도체 광전극을 활용한 광전극 형상/특성 제어 연구: NiP₂ 조촉매를 solid-gas phosphorization 과

□ 연구개요
◦본 연구가 지향하는 최종연구목표는 실리콘(Si) 나노와이어 기판 위에 질화물 계열의 나노소재 기반 인공광합성 기술(광전극, 조촉매 및 공정기술) 개발이며, 태양광 에너지를 이용해서 실험실 단위 광전기화학적 시스템 개발까지 수행했음.

□ 연구 목표대비 연구결과
◦ (1-5년차) PEC H₂O 전환 소자 원천/요소 기술 확보
1) Si 반도체 광전극을 활용한 광전극 형상/특성 제어 연구: NiP₂ 조촉매를 solid-gas phosphorization 과정을 통해서 합성했고, p-Si 광전극(inverted pyramid 구조) 하에 45mA/cm²(@ 0 V_RHE)을 얻었고 70 시간 이상의 광안정성을 확보함.
2) 화합물 반도체 (GaN 및 GaAs) 광전극 개발 및 표면 보호층/조촉매 연구: GaAs 광산화 전극의 경우, 25 mA/cm²(@ 1.23 V_RHE)의 광전류을 얻고 있지만 화학적인 부식 작용으로 인해서 빠르게 녹아나는 문제가 발생함. GaN 광산화 전극의 경우, 물질 자체의 밴드갭이 커서 UV만 흡수함으로 낮은 광전류(1.2 mA/cm² (@ 0 V_RHE))를 보여주지만, 이 소재의 광안정도 및 표면층 보호 역할은 다른 소재의 단점을 보완하기 위한 전략으로 사용하기에 충분한 소재로 판단됨.
3) 고신뢰성 융합형 소자 개발을 위한 전해질 연구: Undoped와 Mo-doped BiVO₄ 광전극을 이용해 서로 다른 pH 전해질 내에서의 음이온(CH₃COO^- , Cl^- , NO₃^- )과 양이온(NH4⁺ , K⁺ , Na⁺ )에 따른 PEC 성능 변화를 확인함
4) 질화물 소재 광전극 개발 및 형상 제어 연구: Ta₃N₅ 광산화 전극의 경우, Ta 기판 위에 two-step 양극 산화법을 통한 광전극 개발 및 GaN 웨이퍼 위에 Ta 층을 스퍼터링 한 후 전기화학적 양극 산화법을 통한 1차원 구조의 Ta₃N₅ 광전극 개발을 통해 대략 6.5 mA/cm² (@ 1.23V_RHE)의 광전류를 보고함.
5) 금속 산화물 광전극 개발 및 표면 개질 연구
◦ (2-5년차) EC CO₂ 전환 소자 원천/요소 기술 확보
6) Cu 전기 촉매의 표면 나노 형상 제어: Cu 층은 산화구리 (Cu₂O) 상을 갖는 나노 와이어 구조를 나타냈고, Cu 및 Al 원소의 조성이 변경된 탈합금 공정에 의해 최종 변환 산물의 패러딕 효율을 조정할 수 있다는 점을 확인함. 식각된 Cu₈₀Al₂₀ 촉매는 -0.84 V_RHE에서 72.1%의 가장 높은 C2+ 패러다익 효율(FEC2+)을 나타냈음.
7) N 도핑된 ZnO 전기 촉매의 표면 제어 연구: 1 at% Ag 도핑된 ZnO 전기촉매가 90% 이상의 선택도를 보여주는 결과를 얻음.
◦ (4-5년차) 융합형 PEC H₂O-EC CO₂ 전환 에너지/생산 기술 개발
8) 융합형 PEC-EC H₂O 전환 에너지 소자 개발: 탠덤 구조는 단파장의 빛을 흡수할 수 있는 Top 셀 (W:BiVO₄:NiCOO_x), 그리고 Top 셀을 투과한 장파장의 빛을 흡수할 수 있는 Bottom 셀(p-Si:Nb₂O₅:NiPt)로 이루어졌고, stand-alone (자가 구동)에서 3.2 % STH 효율을 얻음.
9) 융합형 PEC H₂O-EC CO₂ 전환 에너지 소자 개발: 광음극은 기존의 GaAs 광전극을 기반으로 표면 보호층과 조촉매 층을 융합형 소자에 맞게 최적화해서 준비를 했고, 양극은 전기화학적은 CO₂ 전환을 위해서 ZnO 전기 촉매를 기반으로 다양한 전기 촉매(ZnO, Zn₃(PO₄)₂, AgZn(PO₄), 10% Ag/Zn(PO₄)₂)가 개발이 됨. 또한 알칼리성 전해질을 투과할 수 있는 AME을 사용 후, 광음극에서의 STH 효율은 10% 이상을 달성했고, 양극에서는 STF 효율 2.5%을 달성함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
◦질화물 소재 기반 물 및 이산화탄소 전환 기술은 오염물질의 배출이 거의 없으며 에너지원의 무한한 공급이 가능하므로 기존의 화석연료 기반 사회 시스템 하에 대두된 지구온난화, 기후 변화 및 해수면 상승과 같은 환경문제 해결에 많은 도움이 될 것으로 기대됨.
◦저에너지, 저비용 친환경 광전기화학적 이산화탄소 전환기술 적용으로 이산화탄소 포집, 운송, 저장, 변환 등 여러 공정의 비용 제거 및 산업계의 경쟁력 강화가능
◦최근 전 세계적으로 이슈가 되고 있는 이산화탄소 저장 및 전환분야에서 새로운 신기술 확보로 향후 변화하는 세계 기후변화 정책에 유연하게 대응할 수 있음.
◦질화물 기반 광전극/광촉매 소재 개발 및 이를 이용한 CO₂ 광전기화학적 전환기술은 국내 연구진에 의해서는 거의 수행되지 않은 분야임. 본연구과제의 수행으로 국내에서 최초로 질화물 기반 광전극/광촉매 소재 및 광전기화학 CO₂ 전환 공정 시스템 원천기술을 확보할 수 있음.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구내용 개요 ... 4
• 2) 연구내용 필요성 ... 4
• 3) 연차별 연구 세부내용 ... 6
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 17
• 1) 목표 달성 수준 ... 17
• 2) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 18
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 18
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 19
• 6. 자체점검표 ... 19
• 끝페이지 ... 41