문주호 교수 연구실은 카이랄(Chiral) 페로브스카이트 소재를 기반으로 한 스핀트로닉스와 스핀 선택성 전기화학 반응 연구에 선도적인 역할을 하고 있습니다. 카이랄 유도 스핀 선택성(CISS) 효과는 유기 분자의 카이랄리티에 기반하여 전자의 스핀 정렬을 유도함으로써, 기존 무기 반도체에서는 관찰되지 않던 새로운 전기적·광학적 특성을 구현할 수 있습니다. 2017년, 본 연구실은 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트(OIHP)에서 카이랄 전이 현상을 통해 뛰어난 카이랄 광학 특성(g-팩터)을 최초로 보고하였으며, 이를 바탕으로 스핀 필터링 기술과 2차원 카이랄 페로브스카이트 기반 스핀 제어 시스템을 개발하였습니다. 이러한 연구는 스핀 정렬된 전자만을 선택적으로 이동시키는 스핀 필터 기술을 통해, 수소 생산 효율을 극대화하고 부반응을 억제하는 새로운 광전기화학(PEC) 수소 생산 시스템으로 확장되고 있습니다. 특히, 카이랄 페로브스카이트의 높은 CISS 효과(80% 이상)는 PEC 수소 생산 장치와 결합될 때, 전자의 스핀 정렬을 효과적으로 제어함으로써 혁신적인 스핀 기반 그린 수소 생산 장치의 실현 가능성을 제시합니다. 최근에는 카이랄 2D/3D 페로브스카이트 이종접합 구조, 스핀-필터 정렬층, 구조 이성질체 기반의 안정한 카이랄 페로브스카이트 등 다양한 소재 및 소자 구조를 개발하여, 스핀트로닉스와 에너지 변환 분야의 융합 연구를 선도하고 있습니다. 이러한 연구는 차세대 광전기화학적 수소 생산, 스핀 기반 정보 저장 및 암호화, 그리고 고효율 광전자 소자 개발 등 다양한 응용 분야로 확장되고 있습니다. 카이랄 페로브스카이트의 스핀 선택성 제어 기술은 기존의 한계를 뛰어넘는 고효율·고안정성 에너지 및 정보 소자 구현에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

본 연구실은 페로브스카이트(Perovskite) 및 Sb2Se3(안티모니 셀레나이드) 등 차세대 반도체 소재를 활용한 광전기화학적(PEC) 물 분해 및 그린 수소 생산 시스템 개발에 집중하고 있습니다. 페로브스카이트는 우수한 광흡수 특성과 밴드갭 조절성, 저비용 공정 가능성 등으로 차세대 태양전지 및 광전기화학 소자에서 각광받고 있으며, Sb2Se3는 지구상에 풍부하고 저렴하면서도 뛰어난 광전기화학적 특성을 지닌 소재로 주목받고 있습니다. 연구실에서는 대면적, 고효율, 고안정성 페로브스카이트 및 Sb2Se3 광전극을 용액공정, 저온공정, 나노구조 제어 등 다양한 방법으로 제작하고 있습니다. 특히, 대기 중에서도 우수한 결정성과 균일성을 확보할 수 있는 안티솔벤트 배스 및 템플릿 기반 성장법, 표면 패시베이션 및 계면공학, 하이드로겔 보호층 도입 등 혁신적인 공정 기술을 개발하여, 장시간 안정적으로 작동하는 PEC 수소 생산 소자를 구현하였습니다. 또한, 이종접합 구조, 나노로드/나노플레이트 어레이, 계면 촉매 및 전하 분리 효율 향상 기술을 통해, 실제 상용화를 위한 대면적·고효율 PEC 시스템의 가능성을 입증하고 있습니다. 이러한 연구는 태양광-물 분해를 통한 탄소중립 그린 수소 생산, 해수 기반 수소 생산, 고효율 무전해(바이어스 프리) 수소 생산 시스템 등 미래 에너지 패러다임 전환에 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 또한, 광전기화학 소자의 내구성 향상, 저가화, 대면적화 등 실용화에 필요한 다양한 기술적 난제를 해결하며, 차세대 에너지 소재 및 소자 분야의 세계적 경쟁력을 확보하고 있습니다.