대구경북과학기술원(이하 DGIST) 연구진이 중금속을 사용하지 않은 친환경 양자점을 활용해 태양광 기반 수소 생산 효율을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 데 성공했다.DGIST 에너지공학과 양지웅·인수일 교수 연구팀은 건국대학교 화학공학부 김재엽 교수 연구팀과 공동연구를 통해 친환경 양자점 내부의 음이온 결함 농도를 정밀하게 제어하는 기술을 개발하고 이를 통해 고효율 태양광 수소 생산 성능을 구현했다고 1일 밝혔다.양자점은 나노미터 크기의 반도체 결정체로 뛰어난 광학·전기적 특성을 지녀 디스플레이와 광센서, 태양광 수소 생산 등 차세대 에너지 소재로 주목받고 있다. 하지만 기존 고효율 양자점 대부분이 독성 중금속을 포함하고 있어 상용화에 한계가 있었으며 이를 대체하기 위한 친환경 양자점은 상대적으로 낮은 효율이 문제로 지적돼 왔다.연구팀은 I-III-VI족 기반 친환경 양자점의 구조적 특성에서 발생하는 높은 음이온 결함 밀도가 성능 저하의 원인이라는 점에 주목했다. 이후 전구체 비율을 정밀하게 조절하는 공정을 개발해 결함 농도를 효과적으로 제어하는 데 성공했다.특히 구리-인듐-황-셀레늄 양자점에서 황과 셀레늄을 1대1 비율로 혼합할 경우 결정 구조 왜곡이 최소화되고 결함 밀도가 가장 낮아지며 안정성이 극대화된다는 사실을 확인했다.결함이 최소화된 양자점은 전하 운반체 농도 증가와 수명 연장 효과를 보여 빛에 의해 생성된 전하가 손실 없이 이동했고, 이를 이산화티타늄(TiO₂) 기반 광전극에 적용한 결과 0.6 VRHE에서 15.1 mA·cm⁻²의 높은 광전류 밀도를 기록했다. 이는 유해 중금속 없이도 기존 독성 양자점 수준의 성능을 구현한 성과로 평가된다.또 연구팀은 양자점 표면에 황화아연(ZnS)과 이산화규소(SiO₂) 이중 보호막을 적용해 수중 산화 반응에 따른 성능 저하를 억제하며 장기 구동 안정성도 확보했다.양지웅 교수는 “친환경 양자점의 핵심 난제였던 내부 결함 문제를 나노 공정 기술로 정밀 제어해 성능 한계를 돌파했다”며 “유해 중금속 없이도 고효율 수소 생산이 가능함을 입증해 지속 가능한 친환경 수소 에너지 상용화를 앞당기는 계기가 될 것”이라고 말했다.이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업, 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 국제공동기술개발사업 지원을 받아 수행됐으며 연구 결과는 에너지·환경 분야 국제학술지 eScience(IF 36.6)에 온라인 게재됐다. DGIST는 앞으로 친환경 에너지 소재 기술을 기반으로 미래 수소 에너지 산업을 선도하는 연구를 지속해 나갈 계획이다.