[넷제로뉴스] 태양광을 열로 바꾸는 고효율 박막소재가 개발됐습니다.

이 소재는 수처리, 스마트 창호, 그린수소 생산 등 넷제로 전환에 폭넓게 활용될 수 있어 눈길을 끌고 있습니다.

캐나다 국립과학연구소(INRS) 연구팀은 특정 티타늄 옥사이드 계열(Ti₄O₇)의 박막(thin film)을 플라스마 증착 방식으로 구현해, 기존 소재의 물리·화학적 한계를 뛰어넘는 고효율 태양열 변환 기능을 확보했다고 밝혔습니다.

이 소재는 ‘마그넬리 상(Magnéli phase)’으로 불리는 산소 결핍형 티타늄 옥사이드 구조로, 높은 전기전도성과 화학적 안정성을 지닙니다. Magnéli 상은 일반적인 산화티탄보다 더 복잡한 결정 구조를 가지고 있어, 전기화학적 응용에 적합한 특성을 가지고 있습니다.

기존의 열환원법으로는 Ti₄O₇를 주로 분말 형태로 합성해왔으나, 이 방식은 순수한 단일 상을 얻기 어렵고, 나노구조나 조성 제어에도 한계가 있었습니다. 박사과정생인 루익 피숑(Loick Pichon)은 “기존 방법으로는 혼합상이 생성되기 쉬워 전기전도성이 저하되고, 활용 가능한 형태도 소형 펠릿에 국한된다”고 설명했습니다.

이에 대해 연구팀은 자기장 스퍼터링(magnetron sputtering)이라는 박막 증착 기술을 활용해 수백 나노미터 두께의 Ti₄O₇ 박막을 다양한 기판 위에 균일하게 입히는 데 성공했습니다. 자기장 스퍼터링은 플라스마를 이용해 고체 원자를 증착하는 방식으로, 반도체 산업에서도 널리 사용되는 정밀 공정 기술입니다.

연구를 이끈 마이 알리 엘카카니(My Ali El Khakani) 교수는 “실리콘 웨이퍼, 금속 판, 유리판 등 다양한 재질의 넓은 면적에 박막을 형성할 수 있어, 적용 범위가 획기적으로 확장된다”며, “박막이 증착된 기판은 기존의 표면 물성이 완전히 바뀌어, 새로운 기능성 소재로 전환된다”고 밝혔습니다.

이러한 박막은 특히 별도의 외부 전력 없이, 태양광만으로 수처리와 탈염을 수행할 수 있어 전통적인 역삼투압(reverse osmosis) 방식의 대안으로 주목받고 있습니다. 엘카카니 교수는 “햇빛만으로 작동하는 수처리 기술은 외딴 지역이나 비전력 환경에 큰 도움이 될 수 있다”고 설명했습니다.

INRS 측은 “Ti₄O₇ 박막은 부식 저항성과 전도성이 우수해, 난분해성 오염물 제거용 고성능 전극(anode) 제조에도 유리하다”며, “수처리 외에도 그린수소(H₂) 및 그린암모니아(NH₃) 생산 공정에 응용할 수 있다”고 밝혔습니다.

뿐만 아니라, 이 소재의 포토서멀 특성을 활용해 ‘스마트 히팅 윈도우(smart heating window)’ 등 건물 에너지 효율화 분야에도 적용이 가능합니다. 광열변환(photothermal conversion)은 빛 에너지를 직접 열 에너지로 바꾸는 현상으로, 난방비 절감과 에너지 효율 극대화에 기여할 수 있는 핵심 기술입니다.

이번 연구의 또 다른 의미는, Ti₄O₇ 박막의 광흡수율과 열변환 효율 간의 상관관계를 과학적으로 정립한 데 있습니다. 피숑 연구원은 “광학 특성과 변환 효율 사이의 정량적 관계를 처음으로 규명함으로써, 이 소재의 설계 및 응용에 과학적 기반을 제공했다”고 평가했습니다.

해당 연구는 고기능성 소재 분야 권위지인 Advanced Functional Materials에 게재되었으며, 향후 넷제로 전환을 위한 건축, 수처리, 연료 생산 기술에 실질적인 대안으로 작용할 것으로 기대됩니다.

[NZ뉴스/숏콤] 태양광을 열로 바꾸는 이 신소재는 전력망에 의존하지 않는 수처리 및 스마트 창호 기술로 이어질 수 있어 주목됩니다. 한국 내 농촌 수질개선이나 에너지 자립형 건축 기술로 적용이 될 수도 있어 주목됩니다.

■ 결론

우리는 다양한 기판에 Ti4O7 박막 코팅을 증착하기 위한 마그네트론 스퍼터링 공정을 성공적으로 개발했습니다.

기판 온도를 25°C에서 650°C까지 체계적으로 변화시킴으로써 고밀도로 밀집되고 균일한 원주 형태를 가진 고결정화 Ti4O7 상 필름을 생성하는 최적의 Ts를 500°C에서 확인할 수 있었습니다.

최적의 Ts = 500°C에서 Ti4O7 결정체 크기는 최대 크기인 20nm에 도달했을 뿐만 아니라 Ti4O7 필름은 가장 높은 전기 전도도(~ 740 S/cm)를 나타냈습니다.

더 높은 Ts(≥ 500°C)에서 Ti4O7 필름의 전기 전도도는 떨어지기 시작하여 Ts = 650°C에서 마그네리-Ti4O7에서 루틸-TiO2로 점진적인 상전이로 인해 ~ 60 S/cm에 도달합니다.

반면, Ti4O7 필름의 광 흡수 능력(즉, IAbs)은 Ts에 매우 민감한 것으로 나타났으며 450-500°C 범위의 Ts에서 최대에 도달합니다.

이러한 강력한 빛 흡수는 효율적으로 열로 변환되는 것으로 나타났습니다.

실제로 최적의 Ts인 450-500°C에서 증착된 Ti4O7 필름은 약 74%의 높은 외부 광열 변환 효율을 나타냈습니다. 이는 Ti4O7 코팅이 더 많은 열을 방출하는 Ti 기판 위에 증착된다는 사실을 고려할 때 뛰어난 성능입니다.

흥미롭게도, 우리의 결과는 ηext와 IAbs의 Ts 의존성이 놀랍도록 유사하다는 것을 밝혀냈습니다. 이를 통해 처음으로 Ti4O7 필름의 광열 변환 효율과 통합 광학 흡광도 사이의 선형 상관관계를 확립할 수 있었습니다.

이 기본적인 관계는 고효율 태양열 변환 장치의 설계 및 최적화를 향한 비교적 간단한 경로를 설정합니다. 따라서 예를 들어 표면적을 늘리는 등의 방법으로 Ti4O7의 광 흡수를 간단히 증가(~20%)시킴으로써 최대 95%의 ηext 값을 달성할 수 있을 것으로 예상됩니다.

마지막으로, 스퍼터링은 대면적 코팅과 처리량을 위해 산업계에서 잘 구현된 기술이기 때문에 이 연구는 지속 가능한 물 난방, 에너지 저장 또는 담수화를 위한 실제 광열 장치에 스퍼터링-Ti4O7 코팅을 통합할 수 있는 길을 열어주었습니다.