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[2018년 국가연구개발사업 우수성과 100선] 광합성으로 수소를 생산하는 ‘인공 잎’
작성자 관리자
등록일 2020.01.10
조회수 1,511
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             [2018년 국가연구개발사업 우수성과 100선] 광합성의 원리를 이용해 햇빛과 물로 수소를 생산하는‘인공 잎 개발

  • 독창적 디자인으로 물이 거의 없는 환경에서도 수소 생산, 포항공과대학교 용기중

 

(사진) ‘인공 잎’들이 물 위에서 ‘인공 광합성’을 하고 있다. 인공 잎을 띄워 두면 스스로 수소에너지를 만들어 낸다. (출처-포항공과대학교 용기중)

 

식물의 광합성은 무공해 고효율 에너지 발전

 

나뭇잎만한 기계를 물에 띄우면 식물이 광합성을 하듯 스스로 물을 분해해 수소와 산소를 뿜어냅니다. 용기중 교수(포항공과대학교)가 만든‘인공 잎’입니다.

 

식물은 지구상에서 유일하게 스스로 에너지를 생산하는 생물입니다. 태양, 물, 공기만 있으면 광합성을 통해 양분을 자급하고, 에너지를 소비할 때마다 산소를 배출합니다.

 

반면 인간은 지구상에서 가장 많은 에너지를 소비하는 생물입니다. 전기로 세운 문명을 유지하기 위해 화석연료를 고갈시키고, 에너지를 소비할 때마다 대기오염 물질을 방출하며 지구를 덥게 만듭니다. 때문에 친환경 수소경제가 언급되기 훨씬 전부터 과학자들은 화석연료의 대안으로 수소에너지의 가능성을 모색하고 있었습니다.

 

 

수소에너지의 딜레마를 해결할 인공 잎기술

 

수소는 기존의 화석에너지와 비견할만한 효율을 내면서도 공해물질을 방출하지 않는 고효율 무공해 에너지원입니다. 천연가스보다 발열량이 3배나 높지만 연소할 때는 공해물질을 배출하지 않고 물만 뿜어냅니다. 실제 수소를 전기에너지로 변환시켜 에너지원으로 사용하는 수소차는 일반 전기차보다 훨씬 더 많은 거리를 달릴 수 있습니다.

 

그러나 현실에서 수소를 생산하기는 쉽지 않습니다. 우주의 70% 이상이 수소 원소로 되어 있지만, 지구에서는 생성 시기에 거의 사라져 극소량만 남아 있습니다. 물이나 메탄 같은 화합물에서 순수한 수소를 분리해야 얻을 수 있습니다.

 

기왕이면 지구를 덮은 13억 톤의 물에서 수소가 나오면 좋겠지만, 수소경제를 이끌어 가는 것은 화석연료를 개질해서 얻은 수소가 96%입니다. 석탄이나 천연가스를 가열해 발생하는 메탄에서 수소를 분리하는 방식이라 막대한 이산화탄소를 배출합니다.

 

(사진) ‘인공 잎’ 개발을 주도한 용기중 교수(오른쪽)와 한기덕 연구원.

기존 인공 잎보다 효율을 크게 높이고 물에 뜰 수 있는 ‘인공 잎’을 개발했다. 기술을 상용할 수 있게 되면 임야를 훼손하지 않고 물에서 수소 발전이 가능하다. (출처-포항공과대학교 용기중)

 

하지만 식물은 태양과 물만으로 깨끗한 수소를 만들 수 있습니다. 엽록체가 태양광에 반응하면 광분해가 일어나 물이 산소분자와 수소이온, 전자로 분리되어 순수한 수소가 얻어집니다. 수소와 전자는 이산화탄소와 결합해 포도당 양분이 되고, 쓸모없는 산소는 바깥으로 배출하는 일련의 화학적 과정을 광합성이라 부릅니다.

 

이러한 자연의 광합성을 모방해 진정한 무공해 수소에너지를 만들기 위해 과학자들이 만든 것이 인공 잎(Artificial Leaf) 입니다. 1998년 미국 국립재생에너지연구원에서 최초의 인공 잎 모델을 제시하였고, 2011년에는 하버드대학에서 최초로 사용 가능한 인공 잎을 만들었다고 보고했으나 태양에너지를 수소로 전환한 비율이 4% 정도에 머물러 상용화할 수준은 아니었습니다.

 

인공 잎의 디자인 혁명

 

수소전환비율을 상용화 기준인 10%까지 끌어 올리고, 물이 거의 없는 환경에서도 수소를 생산할 수 있는 새로운 ‘인공 잎’이 우리나라에서 개발되었습니다. 용기중 교수는 세계 각지에서 연구 중인 ‘인공 잎’의 보편적 디자인을 획기적으로 변형해 물에 띄울 수 있으면서, 물이 극소량만 있어도 기능할 수 있는 일체형 수소발전기를 개발했습니다.

 

(이미지) 용기중 교수가 개발한 일체형 인공 잎의 인공 광합성 과정.

하늘로 향한 ‘잎’ 부분에 태양전지를 설치하고 바닥에 촉매가 설치된 몸통은 물에 띄운다. 태양 에너지를 흡수해 물분해를 일으켜 수소를 분리한다. (출처-포항공과대학교 용기중)

 

용기중 교수는 인공 잎을 물에 뜰 수 있도록 설계하였습니다. 물에 뜨는 수소 발전소가 현실화된다면 넓은 땅을 차지하거나 지붕을 뚫는 수고 없이 수소 발전이 가능할 수도 있습니다.

 

하지만 떠 있던 인공 잎이 물 속으로 가라앉아 태양에너지를 받지 못한다면 물분해는 실패로 돌아갑니다. 용기중 교수는 이 문제를 창의적으로 해결합니다. 태양전지와 바닥 사이에 빈 공간을 두어 부력을 극대화한 것입니다. 공간이 없는 인공 잎을 물이 든 비커에 넣으면 쉽게 가라앉지만, 새로 설계한 인공 잎은 압력을 주어도 계속 떠 있는 모습입니다.

 

 

(사진) ‘인공 잎’을 물이 거의 없는 땅에 놓아두어도 수소 발전이 가능하다. (출처-포항공과대학교 용기중)

 

새로운 인공 잎은 작은 몸체 안에 광합성에 필요한 진짜 잎의 기능을 대부분 내장하고 있습니다. 윗부분은 태양 에너지를 흡수할 수 있는 얇은 박막형 태양전지로 되어 있어 이곳에서 태양빛이 전기로 전환됩니다.

 

식물의 물분해에는 아주 높은 에너지가 소요되기 때문에 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지를 사용했습니다. 바닥에는 물을 수소와 산소로 분리하는 금속 촉매가 설치되어 있습니다. 물이 아주 적은 곳에 두어도 촉매를 통해 수소와 산소가 분리되어 거품을 내는 것을 볼 수 있습니다.

 

교과서에는 수소를 생산하는 다양한 방법이 소개되어 있습니다. 공해를 발생시키는 화석연료 개질 방식과 값비싼 귀금속을 사용해야 하는 방법은 ‘사용 중’이지만, 자연의 광분해를 모방한 방식은 아직 ‘연구 중’입니다. 이미 수소차가 도로를 달리고 있는 상황에서 공해 없는 수소생산 방식이 언제 ‘사용 중’이 될 지가 10년 뒤 우리 하늘의 색깔을 바꿀 것 같습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

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