아무도 돌보거나 음식을 주지 않는 길거리의 나무는 어떻게 살아있을까요. 나뭇잎은 물과 이산화탄소만 있으면 태양빛을 받아 직접 화합물을 생산할 수 있죠. 그래서 음식을 섭취하지 않아도 햇빛으로 양분을 만들 수 있습니다. 우리는 이런 과정을 광합성이라고 부릅니다.
이 시스템을 본따 생산 효율 세계 최고 수준인 장치가 국내에서 등장했습니다. KIST 청정에너지연구센터장팀이 고려대학교 그린스쿨대학원 태양전지 연구팀과 공동으로 개발한 '일체형 인공광합성 장치'입니다.
자연의 광합성을 모방해 화석연료·바이오매스 등 어떤 매개체를 거치지 않고 직접 태양에너지를 고부가 화합물로 바꾸는 것을 인공광합성이라고 부릅니다. 식물이 포도당(화합물)을 만드는 것처럼, 이 장치도 화합물을 만들어낼 수 있습니다. 마치 나뭇잎이 에너지를 얻는 자연의 섭리처럼, 태양전지기술과 촉매기술을 섞어서 광합성으로 화학연료를 대량 생산하는 고효율 인공 광합성 시스템을 개발한 셈이죠.
신기한 건 광합성처럼 이 일체형 인공광합성 장치도 태양광 에너지만 쓴다는 것입니다. 다른 추가 에너지를 전혀 추가로 주입하지 않더라도 화창한날 밖에 두면 에너지를 생성할 수 있다는 뜻입니다.
더군다나 이 장치는 상용화가 매우 쉬운 '패널형'입니다. 태양전지를 주차장 지붕에 얹듯이 그냥 들판에 깔면 에너지를 생산할 수 있다는 거죠. 태양전지판은 전력만 생산하지만, 이 패널을 깔면 화합물까지 생산할 수 있습니다.
또 이런 과정에서 이 장치는 일산화탄소도 생산할 수 있습니다. 잘 알려진 것처럼 일산화탄소는 거의 대부분의 공업용 제품의 원료로 사용되고 있습니다. 대규모 석유화학단지의 거대한 케미칼 공장에서는 일산화탄소를 주요 원료로 사용하는 경우가 비일비재합니다. 그만큼 유용한 물질을 생산할 수 있다는 뜻이죠.
이뿐만 아니라 어떤 촉매를 쓰느냐에 따라 다양한 화학 원료를 만들 수도 있습니다. 에컨대 나노 구조의 은을 촉매로 사용하면 일산화탄소가 나오지만, 이 대신 비스무스라는 저가 금속을 쓰면 포메이트로 불리는 개미산이 만들어 집니다. 또 구리를 촉매로 사용하면 에틸렌을 만들 수 있고, 구리합금 변형 촉매를 쓸 경우 메탄올이나 에탄올을 만들 수도 있습니다. 이런 화합물이 에너지가 되는 것이죠.
진짜 광합성 식물처럼 포도당을 만들 수도 있습니다. 다만 우리가 이 과정을 통해서 포도당을 먹을 필요는 없기 때문에 굳이 포도당을 만드는 대신 공업용 원료를 만드는 겁니다.
물론 효율을 높이기 위해서는 보다 많은 연구가 필요합니다. 그렇지만 다른 추가 에너지가 전혀 없이 태양광만 쓴다는 점에서 혁신적인 장치라는 점은 부정하기 어렵습니다.
기후변화가 글로벌 문제로 떠오는 상황에서 인공광합성 기술은 보다 각광을 받고 있습니다. 식물의 생존에 필요한 에너지를 생산하는 광합성이 이제 인류에 직접적으로 필요한 에너지까지 생산할 수 있을까요?
