[알아봅시다] 인공광합성

무한 청정에너지 녹색기술의 완결판

태양열 이용 무기물로부터 유기물 생산에 주목중국 '인공잎'ㆍKAIST '솔라트리'등 연구활발

전세계는 화석연료 고갈과 지구 온난화에 따른 기후변화에 대처하기 위해 대체 에너지 개발에 상당한 노력을 기울이고 있습니다. 그러나 대체 에너지로 불리는 풍력, 조력, 바이오 에너지 등은 생산 단가가 화석연료에 비해 비싸고 공급량이 부족하다는 단점을 안고 있습니다.

이에 따라 선진국들은 더 저렴하고 효율적인 대체 에너지 개발에 골몰하고 있는데요. 이런 상황에서 가장 주목받고 있는 에너지원이 태양에너지입니다. 태양에너지를 이용한 태양전지나 태양열 발전이 상용화된 상태이나 경제성과 활용도가 매우 제한적이라는 한계를 갖고 있는데요. 그 대안으로 제시되는 것이 인공광합성입니다.

인공광합성은 말 그대로 식물의 광합성 과정을 흉내내는 것으로, 에너지 문제와 온실효과에 의한 기후변화에 대한 우려를 말끔히 해결해 줄 것이라는 점에서 기대를 모으고 있습니다.

인공광합성을 연구하는 과학자들은 빛을 이용해 무기물로부터 유기물을 생산하는 식물의 능력에 주목하고 있는데요. 모든 생물은 생존과 번식을 영위하는데 에너지를 필요로 하며 이는 식물도 마찬가지입니다.

식물은 빛을 이용해 이산화탄소와 물을 가지고 포도당을 합성하고 산소를 배출하는 일련의 생화학반응을 통해 광합성을 합니다. 광합성 과정을 화학반응의 관점에서 보면 반응 전의 이산화탄소와 물보다는 반응 후의 물질인 포도당과 산소가 더 많은 에너지를 가진 일종의 흡열반응이라고 볼 수 있습니다.

즉 포도당을 분해하면 에너지가 발생하게 되고 이것을 가지고 생물체들이 살아가는 것입니다. 마찬가지로 자동차의 경우에는 탄소화합물(휘발유)을 산소로 연소시켜 에너지를 얻게 되면 이산화탄소와 물을 배출하게 됩니다. 이처럼 광합성은 호흡이나 연소의 역반응에 해당한다고 할 수 있습니다.

식물에서 광합성이 진행될 때 물이 산소와 양성자, 전자로 광분해됩니다. 만약 물분해에서 생성된 양성자를 이용해 수소가스를 생산할 수 있다면 맹물로 움직이는 자동차를 만들 수 있습니다. 실제로 인공광합성을 연구하는 과학자들이 현재 수행하고 있는 연구분야이기도 합니다.

다시 말해 물분해 효소, 광화학반응중심, 그리고 수소화효소의 특성을 갖는 인공광계를 만들어 무한한 청정에너지를 생산하고자 하는 인류의 꿈을 현실화하고 있는 것입니다.

독일의 율리히 연구센터에서는 테트라루테늄 착화합물을 촉매로 이용해 물을 분해하는 실험에 성공했는데, 단지 태양광과 촉매를 이용해 물에서 수소를 생산해 낸 것입니다. 또한 얼마 전 중국의 지아오통대에서는 잎과 거의 흡사한 역할을 하고 `인공잎'을 만들어 냈습니다. 이 인공잎은 자연의 잎이 빛을 엽록소로 정확하게 보낼 수 있는 구조까지 모방해서 기존 방법보다 수소를 3배나 더 많이 생산할 수 있습니다.

물론 이렇게 수소를 생산한다고 해서 인공광합성이 완성된 것은 아닙니다. 광합성은 궁극적으로 이산화탄소를 환원시켜 포도당을 만드는 과정이기 때문입니다. 이를 위해 독일의 막스플랑크 연구소에서는 이산화탄소를 탄소와 산소로 분해해 화학적 활성화를 시키는 연구를 진행중입니다. 이 경우에도 촉매를 이용해 반응을 일으키게 됩니다. 국내에서도 지난해 9월 서강대 인공광합성연구센터(KCAP)를 설립해 미국의 로렌스 버클리 국립연구소와의 협력을 통해 미국은 소재 연구를 담당하고 나노기술에 강점을 갖고 있는 우리나라는 조립분야를 연구하고 있습니다.

이 연구를 통해 KCAP은 10년 내 3% 효율로 태양광을 가지고 이산화탄소와 물을 이용해 메탄올과 같은 액체연료를 만들어 내는 인공광합성 기술을 확보한다는 계획입니다. KAIST에서는 `솔라트리(낮에는 태양열을 저장했다가 밤에 가로등으로 사용하는 것)'를 만들어 햇빛에서 전기에너지를 얻는 연구를 진행하고 있습니다. 이는 직접적인 광합성을 이용한 것은 아니지만 나뭇잎이 최대한 빛을 받기 위한 구조로 배치된 것을 흉내내 태양광 발전효율을 최대한 높이고자 하는 자연을 닮아가는 녹색기술입니다.

한국과학기술연구원(KIST)도 38명의 연구원이 참여하는 팀을 구성해 태양전지와 이차전지, LED 기술을 결합, 햇빛을 통해 전기에너지를 만들어 충전해 쓸 수 있는 태양광나무, `솔라트리(Solar Tree)'를 개발하고 있습니다.

인공광합성과 관련된 많은 연구가 진행되고 있음에도 불구하고 아직까지 자연의 광합성을 완벽하게 흉내낼 수 있는 기술을 가진 나라는 없는 상황입니다. 촉매를 이용해 물과 이산화탄소를 분해하는 것과 같이 복잡한 광합성의 각 단계를 모방한 단편적인 기술만 존재합니다. 아직은 이렇게 자연광합성의 작은 일부분만을 모방하는데 그치고 있지만 언젠가 인공광합성이 완성되면 인류는 진정한 녹색기술을 얻게 될 것입니다.

대전=이준기기자 bongchu@

< 자료제공=한국표준과학연구원-서강대 인공광합성연구센터 >