식물의 광합성, 전기에너지로 쓴다..소형계산기 구동 성공

다수의 광합성 전지 연결을 통한 소형계산기 구동 장면이다. 루테늄 산화물 나노시트와 틸라코이드로 구성된 광합성 전지를 여럿 병렬 및 직렬로 연결하여 빛에 의한 광합성 에너지로 전류가 흐르고 이를 이용한 소형계산기가 구동됨을 증명했다. 다수의 연결된 광합성 전지의 빛 조사 모습(왼쪽 위)과 빛이 없을 때 모습(오른쪽 위). 직렬연결된 광합성 전지의 개략도(왼쪽 아래)와 실제 광합성으로 구동중인 계산기(오른쪽 아래). 홍현욱 연세대 박사후연구원 제공.

식물 광합성 과정에서 얻은 전기에너지로 소형 전자계산기를 구동하는 데 성공한 연구결과가 나왔다. 시금치 엽록체에 존재하는 ‘틸라코이드’라는 광복합체를 활용한 식물 광합성 전지를 개발한 것이다. 

류원형 연세대 기계공학과 교수와 황성주 연세대 신소재공학과 교수, 홍현욱 연세대 기계공학과 박사후연구원 연구팀은 이장미 호주 뉴캐슬대 화학공학과 박사후연구원 연구팀과 공동연구를 통해 틸라코이드와 루테늄 산화물 시트로 제작된 식물 광합성 전지를 개발해 소형계산기를 구동했다고 19일 밝혔다. 

식물은 빛을 흡수하고 물을 분해하는 광합성 과정을 통해 수소이온과 산소, 높은 에너지를 갖는 광합성 전자를 만들어낸다. 엽록체 안에 존재하는 광복합체인 틸라코이드에 빛과 물을 공급하면 광합성 전자가 만들어지기 때문에 틸라코이드로 전지를 만들어 친환경 전기를 생산하려는 연구가 그동안 이뤄졌다. 

하지만 음극을 띠는 틸라코이드를 음극 표면에 부착하는 게 쉽지 않았다. 부착을 돕기 위한 화학적 결합을 이용하면 광전자가 이동하는 과정에서 손실이 발생해 광전자 추출 효율이 낮아지는 것이 문제였다. 

연구팀은 틸라코이드와 견고하게 결합할 수 있는 종이처럼 얇은 2차원 나노시트 형태의 루테늄 산화물 전극을 제작해 이를 적용한 광합성 전지를 설계했다. 루테늄 산화물은 백금족에 속하는 전이금속인 루테늄의 금속산화물로 전도성이 뛰어나고 전자를 저장하는 성능이 좋은 게 특징이다. 

연구팀은 시금치에서 원심분리해 얻은 틸라코이드를 루테늄 산화물 나노시트 전극으로 연결한 광합성 전지 4개를 직렬로 연결해 소형계산기를 구동하는 데 성공했다. 광합성 전자를 전기에너지원으로 활용할 수 있는 실마리를 보여준 것이다. 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 5월 12일자 온라인판에 게재됐다. 

[김민수 기자 reborn@donga.com]