▲ 고효율 무배선 인공나뭇잎 기반 태양광 수소 생산 시스템 / 좌측의 PEC 패널은 광전극을 4×4 배열로 구성한 모듈형 구조로, 별도의 외부 전원 없이 물속에서 태양광만으로 수소(H₂)와 산소(O₂)를 동시에 생성할 수 있다.우측 하단은 광양극(photoanode)과 광음극(photocathode)의 층별 구조를 보여준다. 광흡수층으로는 염소 도핑된 페로브스카이트(Cl:FAPbI₃)가 사용됐으며, 자외선 안정성이 높은 전자수송층(Cl:SnO₂)과 산화·환원 반응을 위한 촉매층(NiFeCo 등)이 통합돼 있다. 전체 모듈은 태양광 수소 전환효율 11.2%를 기록했으며, 무배선 구조와 방수 설계를 통해 대면적 확장성과 장기 내구성까지 확보한 차세대 그린수소 생산 기술의 실현 가능성을 보여준다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

태양에너지로 그린수소를 생산하는 인공광합성 기술, 일명 '인공나뭇잎'이 마침내 상용화의 문을 활짝 열었다. UNIST 연구팀이 고효율, 고내구성, 그리고 대면적 확장이 가능한 모듈형 인공나뭇잎을 개발하는 데 성공하며 탄소 중립 실현을 위한 그린수소 생산 기술의 획기적인 진전을 이루었다는 평가다.

인공나뭇잎, 지속 가능한 에너지의 미래를 그리다

'인공나뭇잎'은 자연의 잎처럼 햇빛과 물만을 이용하여 수소를 생산하는 기술이다. 외부 전력 사용 없이, 수소 생산 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않아 진정한 의미의 그린수소를 생산할 수 있는 친환경 방식이다. 기존 태양전지 기반 전기분해 방식(PV-EC)과 비교했을 때, 전기 생산 단계를 생략하여 시스템 간 저항 손실이 적고 설치 면적도 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 그동안 낮은 효율, 내구성 문제, 그리고 대규모 생산을 위한 확장성 부족으로 상용화에 어려움을 겪어왔다.

UNIST의 혁신, 11.2%의 경이로운 효율 달성

UNIST 에너지화학공학과 이재성, 석상일, 장지욱 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 페로브스카이트 기반 태양광 흡수층과 니켈-철-코발트 촉매를 활용해 1㎠ 단위의 고효율 광전극을 제작했다. 나아가 이를 4x4 배열로 확장한 모듈형 인공나뭇잎을 개발함으로써 별도의 전원 없이도 태양광만으로 안정적인 수소 생산이 가능함을 입증했다.

특히 이번에 개발된 모듈은 전체 수준에서 태양광 수소 전환 효율(Solar to Hydrogen Efficiency, STH) 11.2%를 달성하며 현재까지 보고된 인공나뭇잎 중 최고 수준의 효율을 기록했다. 상용화에 필요한 10% 이상의 효율을 모듈 규모에서 달성했다는 점에서 그 의미가 더욱 크다. 연구진은 고효율과 안정성의 비결로 염소를 첨가한 페로브스카이트 흡광층(Cl:FAPbI₃)과 자외선에 강한 전자수송층(Cl:SnO₂), 그리고 촉매층(NiFeCo)의 최적 조합을 꼽았다. 또한, 전극의 수분 노출로 인한 손상을 막기 위해 특수 니켈 포일과 수지 봉지 기술을 적용하여 140시간 연속 작동에도 초기 성능의 99%를 유지하는 뛰어난 내구성을 확보했다.

이재성 교수는 "이번 성과는 단순히 실험실에서의 고효율 수소 생산을 넘어, 실제 현장에서 사용할 수 있는 수준의 모듈형 인공광합성 장치로 상용화의 기준인 10% 이상의 효율을 달성했다는 점에서 의미가 크다"며, "태양전지 패널처럼 대면적 인공나뭇잎 패널로 확장도 가능해 상업화를 위한 결정적 진전을 이뤘다"고 강조했다.

이번 연구는 세계적 학술지인 Nature Communications에 2025년 5월 6일 자로 게재되었으며, 논문명은 Scalable and durable module-sized artificial leaf with a solar-to-hydrogen efficiency over 10%이다.