전 세계적인 에너지 소비량의 급증으로 인해 신재생에너지의 필요성은 더욱 중요한 이슈로 알려져 있다. 현재 주 에너지원은 화석연료를 사용하는데, 화석연료의 고갈과 이산화탄소 배출로 인한 지구온난화 문제로 자연친화적인 신재생에너지 개발이 필요하다. 이러한 이유로 다양한 신재생에너지 중에서 수소에너지가 주목을 받고 있다. 수소에너지는 저장과 수송이 용이한 화학연료라는 장점에서 화석연료를 대체할 수 있는 가장 유망한 에너지원이라고 할 수 있다. 또한 이상적인 수소 연소 과정에서 배출 될 수 있는 부산물이 물 이외에는 없기 때문에 이산화탄소와 같은 공해물질의 대기 방출을 획기적으로 감축할 수 있다. 특히 수소는 연료전지와 연계를 통해 전기에너지로 쉽게 전환이 가능하기 때문에 다양한 용도로 응용이 가능한 장점을 가지고 있다. 또한 에너지 밀도가 약 142 kJ/g으로 가솔린 46 kJ/g 과 천연가스 47.2 kJ/g에 비해 매우 높다는 장점이 있다. 이처럼 수소에너지는 잠재적인 발전가능성이 크고, 높은 효율을 기대할 수 있는 에너지이다. 수소는 일반적으로 석탄과 같은 화석연료의 가스화로부터 생산되며, 천연가스의 개질, 바이오매스, 물의 전기분해를 통해 생산이 된다. 다양한 방법 중에서도 현재 전체 수소에너지의 약 96%는 기체개질을 통해 얻어지고 있다. 하지만 이러한 생산방법은 이산화탄소의 발생이 동반되기 때문에 환경적 측면에서는 여전히 문제점을 가지고 있다. 이에 반해 친환경적 무한 에너지원인 태양광과 물을 원료로 수소생산이 가능하다면 환경적 측면에서 가장 이상적이고, 경제적인 에너지 생산 시스템이라고 할 수 있을 것이다. 태양광 물분해를 통한 수소생산은 현재 많은 연구가 진행 중에 있다. 태양광을 흡수하여 물을 분해시키기 위해서는 태양광을 흡수할 수 있는 물질이 요구되며, 대부분의 반도체 물질은 빛을 흡수하여 활성화된 전자와 정공을 생성할 수 있고, 전자와 정공은 물을 분해하여 수소를 생산할 수 있게 된다. 따라서 태양에너지와 물을 통해 수소를 생산하는 광화학 반응의 효율을 극대화할 광전극 물질 개발이 필요하다. 본 연구에서는 전체 태양광중 43%의 가시광선 영역의 빛을 흡수 가능한 카드뮴텔루라이드 (CdTe)를 광전극 소재로 이용하여, 태양광을 이용한 물분해 수소생산 연구를 진행하였다.
먼저, 전기도금법을 이용하여 평판형태인 카드뮴텔루라이드 광전극을 제작하였으며, 증착 전위에 따른 표면형상, 조성비 및 광전극 특성을 평가하였다. 또한, 열처리 전후에 따른 표면형상, 조성비, 구조분석 및 광전극 특성을 확인하였다. 각 증착 전위에 따라 제작된 카드뮴텔루라이드는 표면형상 및 조성비가 각각 다르게 나타났다. 증착 전위에 따라 -0.13 V에서는 텔루륨 100%, -0.5 V에서는 카드뮴과 텔루륨이 35.8:64.1 그리고 -0.63 V 에서는 카드뮴과 텔루륨이 68.7:31.3의 조성비를 갖는 것을 확인하였다. 증착 전위에 따른 광특성 확인결과, -0.13 V (텔루륨 100%) 샘플은 광특성이 나타나지 않았으며, -0.5 V (카드뮴:텔루륨=35.8:64.1) 샘플은 p형 반도체의 특성을 나타냈고, -0.63 V (카드뮴:텔루륨=68.7:31.3) 샘플은 n형 반도체 특성이 나타났다. 상기 결과는 기존에 알려진 결과와 같이 카드뮴과 텔루륨의 조성비에서 텔루륨이 많은 경우에는 p형, 카드뮴이 많을 경우에는 n형으로 나타나는 것과 일치하는 것을 확인하였다. 대표적으로 -0.5 V (카드뮴:텔루륨=35.8:64.1) 샘플을 이용하여 열처리를 진행하였고, 엑스선회절분석을 통해 열처리 후 샘플에서 (111), (220) 및 (311) 면의 강도가 열처리 전보다 상대적으로 높고 결정크기도 증가하는 것을 확인하였다. 광특성 확인결과, 열처리 후 샘플에서 더 높은 광전류가 발생하였으며, 이는 카드뮴텔루라이드의 결정성 향상으로 인해 나타난 결과이다. 평판형태의 카드뮴텔루라이드를 제작하였고, 증착 전위에 따라 조성비가 달라지는 것을 확인하였으며,
다음 연구는 폴리스티렌 비드를 이용해 마스크를 제작하여 실리콘 웨이퍼 표면을 금속 마스킹-화학적 에칭으로 실리콘 나노와이어의 직경 및 길이를 조절하였고, 갈바닉 치환반응, 토포화학반응 및 양이온 교환반응을 통해 나노와이어의 간격이 조절된 3차원의 카드뮴텔루라이드 광전극을 제작하였다. 먼저 기존의 평판 형태와 3차원 나노구조를 갖는 카드뮴텔루라이드의 광특성을 비교한 결과, 평판형태보다 3차원 나노구조를 갖는 카드뮴텔루라이드의 광전류가 더 높게 측정되었다. 이러한 이유는 나노구조는 높은 비표면적을 가지며, 이에 따른 광흡수율 증가로 인해 높은 광전류를 나타낸 것으로 확인된다. 또한 나노구조의 경우 빛이 흡수되는 방향과 전자/정공의 이동방향이 직교성을 띄기 때문에 이동거리의 최소화에 따른 빠른 이동이 가능하다는 장점으로 인해 나타난 결과이다. 다음으로 나노와이어의 간격조절에 따른 3차원 카드뮴텔루라이드의 광특성 평가결과, 나노와이어의 간격이 넓어짐에 따라 광전류가 증가하였다. 간격 조절된 샘플의 흡수율 측정결과, 간격이 좁아질수록 흡수율이 점차 감소하는 결과가 확인되었으며, 이러한 결과로 인해 나노와이어 간격이 좁을수록 광전극에 빛이 충분히 흡수되지 못해 생성되는 전자와 정공의 양이 적어 광전류가 더 낮게 나타난 결과이다.
광전기화학셀을 이용한 물분해 수소 개발은 화석 기반 연료와 가격 경쟁력이 있는 것으로 알려져 있다. 하지만, 아직까지 고성능의 대면적 광전기화학셀 제작은 여전히 어려운 도전과제이다. 따라서, 마지막 연구에서는 대면적 광전극 제작 가능성을 확인하기 위해 4인치 크기의 실리콘웨이퍼를 통해 갈바닉 치환반응, 토포화학반응 및 양이온 교환반응을 통해 1차원의 카드뮴텔루라이드 광전극을 제작하였다. 이렇게 제작된 1차원 카드뮴텔루라이드 광전극과 기존에 제작된 3차원 카드뮴텔루라이드 광전극의 광특성을 비교분석하였다. -0.8 V (수소환원전극기준)에서 3차원 나노구조의 경우 -4.0 mA/cm2, 1차원 나노구조의 경우 -5.5 mA/cm2의 광전류가 발생하였다. 3차원 나노구조는 1차원 나노구조에 비해 상대적으로 높은 비표면적을 가지고 있지만, 비표면적 증가에 따른 표면의 결함 증가로 인해 전자와 정공의 재결합이 발생하여 나타난다고 판단된다. 상기 결과를 통해 대면적으로 제작된 1차원 카드뮴텔루라이드 광전극에서도 여전히 우수한 특성을 나타나는 것을 확인하였다. 광전극 제작방법은 높은 온도나 압력이 필요하지 않은 간단한 공정인 용액화학공정을 통해 제작되기 때문에 실제 수소생산에 적용 가능한 광전극 제작 가능성을 확인하였다.
결과적으로 우수한 광흡수율을 가지는 카드뮴텔루라이드 물질을 광전극 재료로 선정하였으며, 전기도금 및 용액 화학 공정을 통해 다양한 형태 (평면 및 나노구조)를 갖는 광전극을 제작하였다. 평면구조 보다 나노구조에서 더 높은 효율을 나타내는 것을 확인하였고, 4인치 크기의 광전극 제작이 가능하였으며, 카드뮴텔루라이드 기반 수소발생 광전극 개발을 달성해 낼 수 있었다.


주요어 : 카드뮴텔루라이드, 광전기화학셀, 수소생산, 물분해, 전기도금, 용액화학 공정, 대면적