▲ 염료감응 광전기화학 전극(DSPEC)의 작동 원리 / a-c) 다양한 형태의 DSPEC 전하 전달 과정 비교. 염료가 전해질과 직접 맞닿는 구조(a)와 보호층을 도입한 구조(b)는 전자 전달 과정에서 손실이 발생하기 쉽다. 반면 이번 연구에서 개발한 매립형 구조(c)는 니켈 포일을 사이에 두고 전자 전달 경로를 분리해 손실을 줄인다. d) 매립형 구조의 염료감응 광전극과 연료 생산 반응. 염료가 입혀진 이산화티타늄 층을 니켈 포일로 감싼 뒤, 그 사이 공간에 내부 전해질을 넣고 밀봉한 구조. 내부 전해질은 염료에 전자를 공급해주는 역할을 한다. 광전극에서는 물이 산화돼 산소가 생성되는 반응이 일어나고, 반대편 짝 전극에서는 전자를 받아 수소가 생성되거나, 산소가 환원돼 과산화수소가 생성되는 반응이 순차적으로 진행된다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

식물의 광합성 원리를 모방해 전하 손실을 획기적으로 줄인 인공광합성 전극이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 나뭇잎 내부의 ‘전하 전달 계단 구조’를 그대로 구현한 이번 기술은 고효율과 내구성을 동시에 확보하며, 친환경 화학 연료 생산 분야에서 새로운 기준을 제시하고 있다.

UNIST 화학과 권태혁 교수와 에너지화학공학과 장지욱 교수 공동 연구팀은 전하 전달 손실을 최소화한 염료감응 인공광합성 전극을 개발했다고 밝혔다. 이 전극은 태양광만으로 물에서 수소나 과산화수소를 생산할 수 있는 핵심 부품으로, 외부 전력 없이도 작동하는 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다.

연구의 핵심은 ‘단계적 전하 이동 구조’다. 기존 전극에서는 빛을 받은 염료에서 생성된 전하가 한 번에 이동하는 과정에서 상당 부분 소실되는 문제가 있었다. 반면 이번에 개발된 전극은 염료, 레독스 매개체, 니켈 포일, 촉매를 순차적으로 연결해 전하가 에너지 차이에 따라 ‘한 단계씩 내려가듯’ 이동하도록 설계됐다. 이 구조는 식물의 광합성에서 전하가 여러 단백질을 거치며 손실 없이 전달되는 원리를 그대로 모방한 것이다.

또한 니켈 포일 구조는 염료를 외부 수계 전해질로부터 보호하는 역할도 수행한다. 기존 염료감응 전극은 염료가 직접 전해질과 접촉하면서 쉽게 탈락하거나 성능이 저하되는 문제가 있었지만, 이번 구조는 이를 차단해 장기 안정성을 크게 개선했다.

성능 역시 세계 최고 수준이다. 연구팀은 물 분해 반응에서 98%의 패러데이 효율을 달성해, 생성된 전하 대부분이 실제 화학 반응에 기여함을 입증했다. 또한 과산화수소 생산 실험에서는 외부 전압 없이 태양광만으로 4.15%의 태양광-연료 변환 효율(STF)을 기록했다. 이는 해당 분야에서 보고된 최고 수준의 효율이다. 특히 150시간 이상 성능 저하 없이 안정적으로 작동하는 내구성까지 확인됐다.

이번 전극은 납과 같은 유해 물질을 사용하지 않는 친환경 구조라는 점에서도 의미가 크다. 기존 일부 인공광합성 시스템과 달리 환경 부담을 줄이면서도 고부가가치 화학 원료를 생산할 수 있는 기술적 기반을 확보했다는 평가다.

연구팀은 이번 성과가 단순한 효율 개선을 넘어, 인공광합성 시스템 설계 방식 자체를 바꾸는 계기가 될 것으로 보고 있다. 계면 구조와 전하 이동 경로를 정밀하게 설계함으로써, 기존 염료감응 시스템의 한계였던 효율과 수명을 동시에 극복했다는 점에서다.

제1저자인 박준혁 박사는 “식물이 전하를 거의 손실 없이 전달하는 구조를 인공 전극에 구현한 것이 핵심”이라고 설명했다. 권태혁 교수는 “친환경 인공광합성 시스템을 통해 고부가가치 화학 물질을 생산할 수 있는 기술적 토대를 마련했다”고 밝혔다.

이번 연구는 UNIST 박준혁 박사, 김경림, 이진영 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 Advanced Functional Materials에 게재되며 기술적 완성도를 인정받았다.

태양광을 활용한 에너지 전환 기술 경쟁이 치열해지는 가운데, 자연의 원리를 모방한 이번 연구는 효율과 지속가능성을 동시에 확보한 해법으로 평가된다. 인공광합성이 실제 산업으로 확장되는 과정에서, 핵심 플랫폼 기술로 자리잡을 가능성이 커지고 있다.

논문명은 Bias-Free Highly Efficient and Stable Dye-Sensitized Photoelectrochemical Cells via Cascade Charge Transfer이다.