정보출처 닛케이산업신문
출판날짜 2001년 06월 27일
태양과 물, 이산화탄소(CO2)에서 필요한 에너지를 공급받는 것은 식물의 광합성이다. 효율 좋게
에너지를 생산하는 그러한 구조를 재현하는 '인공광합성'의 연구가 활발하다. 뛰어난 시스템을 실현하면
무진장이라고 할 수 있는 태양 빛에서 클린 에너지를 효율좋게 생산하는 것도 꿈은 아니다. 실용적인
인공광합성 시스템을 지향해 연구자들이 지혜를 짜고 있다.
▷ 축소구조로 생산
식물의 기본적인 기능인 광합성은 옛날부터 연구자의 주요 테마였다. 서독(당시)의 미헤르 그룹은 홍색
광합성 세균을 사용해 색소가 태양 빛을 모아 에너지를 효율 좋게 만들어내는 구조를 밝혀냈다. 미헤르
그룹은 이 성과로 1988년 노벨화학상을 수상했다. 광합성의 구조를 기초로 효율 좋게 에너지를 산출하는
인공광합성의 연구도 지난 72년의 석유위기가 계기가 되어 각광을 받았다.
인공광합성 시스템을 실현하기 위해서는 실제의 광합성 구조를 상세하게 해명하는 것이 중요하다.
식물에 빛이 비추면 광합성에 관여하고 있는 분자 속에서 에너지와 전자가 이동한다. 분자는 단백질의
복합체로 크기는 약 10나노(1나노는 10억 분의 1)입방미터이다. 그 안에 색소 등이 있다.
이러한 미소한 구조로 식물은 생명유지에 필요한 에너지를 산출한다. "광합성의 본질적인 부분을
파악해서 응용할 수 있으면, 나노 사이즈의 실용적인 광전변환소자를 개발할 수 있다"고 오오사카대학
대학원 공학연구과 교수인 후쿠스미(51) 교수는 말했다.
▷ 「플라넨」을 활용
후쿠스미들은 광합성의 구조를 참고로 해서 효율적인 클린 에너지의 생산시스템을 목표로 연구를
진행하고 있다. 식물에서는 색소분자가 빛을 모은다. 모아진 광 에너지는 색소분자에서 별도의
색소분자에 보내진다. 이 빛 에너지를 사용해서 물에서 전자를 꺼내 물질간을 건너 띄어 전기에너지가
생성된다. 식물은 이 전기에너지를 ATP의 합성 등에 사용하지만, 어떤 형태이든지 이용할 수 있다면
인공적으로 태양광 에너지로부터 전류를 만들어 낼 수 있다.
오오사카대학 대학원 공학연구과 조교수인 이마호리(39) 교수는 높은 효율의 태양전지의 개발을 지향해,
빛에서 전기 에너지를 산출하는 인공광합성을 시험했다. 그래서 이마호리는 탄소원자 60개가 축구공
형태로 나열된 '플라넨'을 사용했다.
플라넨은 구면상태의 분자표면에 전자를 많이 갖고 있어, 색소분자와 조합시키면 전자가 역류하지 않고
제대로 자리를 잡는 것을 발견했다. 그는 하나의 백금전극에 빛을 모으는 분자와 전자를 교환해서
플라넨에 보내는 분자를 접착시키는 유기태양전지를 만들었다.
이 태양전지는 플라넨에 전자를 약 0.4초 머무르게 할 수 있다. 이는 지금까지 연구의 몇 백 배~몇 천
배나 긴 시간으로, 실제의 광합성의 시간에 크게 다가갔다. 분자가 모은 빛의 50%이 사용되기 때문에,
현재로는 최고 효율이다.
▷ 20년 후에 실용화
과학기술청(당시) 과학기술정책연구소의 97년 기술예측조사에 따르면, 2013년에 빛 에너지를
전기에너지로 변환하는 효율이 20%를 넘는 태양전지가 실용화된다. 2017년에는 태양광으로 물을
분해하는 프로세스가 실용화 돼, 2021년에는 수소자동차가 널리 보급된다. 후쿠스미 교수도 "10년
후에는 유기태양전지의 이용기반이 구축되고, 20년 후에는 실용화도 있을 수 있다"고 강조했다.
식물의 광합성은 에너지 변환효율이 거의 100%이다. 한편, 인공 태양전지는 가장 효율이 높은 실리콘 무기태양전지라도 20% 정도이다. 유기 태양전지에서 가장 효율이 높은 것은 스위스의 연구자 그렉셀이 만드는 습식 태양전지로서 약 10%이다. 액체라서 취급이 위험하고 안정성도 좋지 않기 때문에, 고체인 그렉셀 전자를 만들고자 하는 연구의 흐름이 형성됐다.
독창적인 아이디어를 고안해 혁신적인 성과를 거두자고 연구자들은 계속 연구하고 있다.