연구 개요도 및 곽진성 교수(왼쪽), 손호기 박사.(사진=국립창원대 제공)

국립창원대학교는 13일 반도체물리학전공 곽진성 교수 연구팀이 초저 밴드갭 반도체 광전극에서 밴드갭 크기가 아닌 ‘밴드 에지 정렬(Band-edge alignment)’이 이산화탄소(CO2) 환원 선택성을 결정한다는 새로운 설계 원리를 규명하는 데 성공했다고 밝혔다.

곽진성 교수 연구팀은 분자선 에피택시(molecular-beam epitaxy, MBE)를 이용해 InAs1-xSbx 합금 기반 광전극을 정밀하게 합성하고, 태양광 조사 조건에서 CO2 환원 실험을 수행했다. 그 결과, 특정 조성 영역에서 수소 발생 반응이 크게 억제되는 동시에 CO2가 액상 산소함유 화합물로 선택적으로 전환됨을 확인했다.

또한 밀도범함수이론(Density Functional Theory, DFT) 계산과 자외선 광전자 분광 분석을 통해 실험 결과가 전자구조 변화에 기인함을 이론적으로 검증했다.

이번 연구의 핵심은 초저 밴드갭 반도체에서도 전도대와 가전자대의 절대적 위치를 정밀하게 조절하면 CO2 환원이 유리하게 진행되는 ‘선택적 생성 영역(selective-production window)’을 설계할 수 있음을 제시한 점이다. 이는 기존의 ‘밴드갭이 클수록 유리하다’는 광전극 설계 관점을 넘어, 밴드 정렬과 계면 반응 에너지 조절이 선택성을 좌우할 수 있음을 보여준다.

해당 연구 성과는 'Band-edge alignment in ultra-narrow InAs1-xSbx photocathodes enabling selective solar-driven CO2-to-liquid conversion'이라는 제목으로, 국제저명학술지 ‘Journal of CO2 Utilization’ (IF=8.4, JCR 상위 9.9%)에 게재됐다(제1저자: 손호기 박사, 교신저자 곽진성 교수).

곽진성 교수는 “이번 연구는 초저 밴드갭 반도체의 한계를 극복할 수 있는 새로운 광전극 설계 방향을 제시한 것”이라며 “향후 태양광 기반 탄소자원화 및 친환경 에너지 전환 기술로의 확장을 목표로 연구를 이어갈 계획”이라고 설명했다.

한편 본 연구에는 국립창원대 곽진성 교수 연구실의 손호기 박사와 한국과학기술연구원(KIST) 최원준 박사 연구실의 우승완 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 국립창원대 G-램프(LAMP)사업단과 Post-doc. 성장형 연구지원사업(연구책임자 손호기)의 지원을 받아 수행됐다.