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그린 수소 장시간·대량 생산 위한
유기 반도체 기반 대면적 모듈 시스템 개발
- 장시간 성능 유지되는 금속 캡슐화된 유기 반도체 광음극으로 모듈 개발
- 친환경수소 대량생산 가능성 확인…이상한 교수, Journal of MaterialChemistrA 지논문
 국내 연구진이 비교적 저렴하고 효율적인 유기 반도체* 기반 광전극을 
활용하여 장시간·대량 수소 생산이 가능한 대면적의 모듈 시스템을 
개발했다. 
  ∘ 태양열을 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 효율적으로 생산하는 
친환경 광전기화학(光電氣化學) 물분해** 기술, 이른바 ‘그린(green) 
수소’ 생산 기술의 효율성 향상과 안정성 개선을 통해 실용화를 앞
당기는 데 기여할 것으로 기대된다. 
    * 유기 반도체: 탄소 결합으로 이루어진 고분자 뼈대와 수소 원자 혹은 질소, 황 및 
산소와 같은 부수적인 원자 간의 결합으로 이루어진 물질. 본래 부도체 성질을 갖
지만 불순물을 첨가해 가지게 되는 파이 결합에 의해 반도체적인 성질을 띄게 된
다. 비교적 저렴하고 생산 방식이 유연·다양해 여러 분야에서 각광받고 있다. 
   ** 광전기화학 물분해: 태양 에너지를 친환경 에너지원인 수소로 변환시키는 대표
적인 방법. 태양에너지가 반도체 광전극에 공급되면 전자-정공 쌍이 생성되게 
되는데, 이를 통해 물을 분해해 광(光)양극에는 광생성된 정공으로 산소가, 
극에는 광생성된 전자로 수소가 생성되어 친환경적으로 수소를 생산할 수 있다.
지스트(광주과학기술원) 보도자료
http://www.gist.ac.kr 
보도 일시
배포 즉시 보도 부탁드립니다.
배포일
2022.06.29.(수)
보도자료
담당
홍보팀 이석호 팀장
062-715-2061
홍보팀 이나영 선임행정원 
062-715-2062
연구자 
신소재공학부 이상한 교수 
062-715-2314
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□ 유기 반도체는 다른 반도체 소재에 비해 비교적 저렴하고 다양한 공
정 방법을 가지고 있어 대규모·대면적 생산에 용이하고 에너지 전환 
효율이 높아 유망한 광전극 소재로 꼽힌다. 
  ∘ 그러나 유기 물질 자체가 수분에 취약해 광전기화학 물분해를 통한 
수소 생산 실용화를 위해서는 유기 반도체 성능의 큰 저하 없이 장시
간 구동하게 하는 기술 개발이 시급하다.
□ 지스트(광주과학기술원) 신소재공학부 이상한 교수 연구팀은 태양에너
지로부터 다량의 수소 생산을 가능하게 하는 유기 반도체 광전극 기반 
모듈 시스템을 선보였다.
  ∘ 연구팀은 광전극 내에 수분이 침투되는 것을 막아 유기 반도체가 장
시간 구동할 수 있도록 하는 금속 캡슐화* 기술을 적용, 현재까지 보
고된 유기 반도체 광음극 가운데 가장 높은 안정성을 유지하는 데 성
공했다. 
     * 금속 캡슐화(metal encapsulation): 유기 반도체와 같이 수분에 취약한 물질을 밀
봉해 물질의 안정성을 보장하는 기술. 밀봉하려는 물질을 액체 금속(인듐-갈륨 합
금)과 보호층(금속 포일)을 이용하여 외부 수분의 침투를 완전 차단한다. 기존 
연구에서 유기금속 할로겐화물 페로브스카이트 기반 광음극에 도입되어 훌륭한 
성능을 보인 바 있다. 
  ∘ 연구팀의 유기 반도체 광음극은 초기 성능과 비교해 95% 이상의 성능을 
30시간 이상 유지했으며, 기존 연구보다 최소 20시간 이상 향상된 안
정성을 확보했다. 또한 기존 연구의 최고 효율인 4.3%와 비교해 이번 
연구 성과는 12.3mA·cm-2의 높은 광전류와 5.3%의 높은 반쪽전지 효
율을 달성했다.
  ∘ 연구팀은 이렇게 장시간 구동 가능한 유기 반도체 광음극을 연결한 
광전극 모듈 시스템을 개발해 실제 태양광 아래에서 구동시켰으며, 
그 결과 실험실 단위를 넘어서 실제 환경에서 대면적의 유기 반도체 
광음극 기반 모듈 시스템의 수소 생산 가능성을 확인했다.
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□ 이상한 교수는 “이번 연구를 통해 유기 반도체 기반 광전극의 큰 이
슈인 안정성 문제를 극복했으며, 이를 기반으로 개발한 대면적의 광전
기화학 모듈 시스템은 친환경 수소 대량 생산 기술의 실용화를 앞당기
는 데 크게 기여할 것”이라고 기대했다.
□ 이상한 교수가 주도하고 서세훈 박사(로렌스 버클리 국립 연구소), 
종훈 박사(일리노이 대학교 어바나-샴페인), 지스트 김예준 석박통합과
정생이 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 미래수소 원천기
술개발 사업, 중견연구자 사업 및 GIST-MIT 공동연구 사업 등의 지원
을 받아 수행되었으며, 에너지분야 상위 7% 논문인‘Journal of 
Materials Chemistry A’(IF=12.732)에 표지 논문으로 선정되어 2022년 
6월 28일 온라인 게재되었다.  <끝>
논문의 주요 내용
1. 논문명, 저자정보 
 - 저널명 : Journal of Materials Chemistry A (IF=12.732) (2020년 기준)
 - 논문명 : A long-term stable organic semiconductor photocathode-based 
photoelectrochemical module system for hydrogen production
 - 저자 정보 : 서세훈 (공동 제1저자, Lawrence Berkeley Natioanl Laboratory), 
이종훈 (공동 제1저자, University of Illinois at Urbana-Champaign), 
김예준 (공동 제1저자, 지스트), 이상한 (교신저자, 지스트)
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그 림 설 명
[그림1] 금속 캡슐화된 유기 반도체 광전극의 모식도. 이렇게 제작된 광전극은 30 
시간 이상 성능의 큰 저하 없이 유지되었고, 이는 현재까지 보고된 유기 반
도체 광전극 중에서 가장 높은 안정성을 보여준다.
              
[그림2] 본 연구팀이 개발한 유기 반도체 광전극 기반 모듈 시스템의 모식도. 높은 
안정성을 가진 유기 반도체 광전극을 연결하여 제작하였고, 제작한 모듈 시
스템을 통해 실제 태양광 아래에서 수소 생산을 진행하였다.