수소 생산 태양전지 개발…인공 광합성이 현실로?

화석 연료는 현대 문명을 지탱하는 근간이지만, 여러 가지 문제점을 지니고 있다. 온실가스 문제는 물론이고 자원이 일부 국가에 편중되어 있을 뿐 아니라 언젠가는 고갈될 수밖에 없는 자원이기 때문이다. 그 대안으로 등장한 태양 에너지와 풍력은 이미 빠른 속도로 보급되고 있지만, 역시 몇 가지 문제가 있다. 태양광 발전의 경우 기술 발전과 태양광 패널의 가격 하락으로 경제성은 어느 정도 갖췄으나 날이 흘릴 때나 밤에는 발전할 수 없다.

이 문제를 해결하기 위해서 다양한 에너지 저장 시스템이 선보였지만, 이 역시 비용 상승이라는 대가를 치러야 한다. 일부 과학자들은 새로운 대안을 생각하고 있는데, 태양 에너지를 이용해서 전기를 바로 생산하는 것이 아니라 에너지 원료가 될 수 있는 수소나 탄화수소를 생산하는 방식이다.

독일 국가 핵융합 연구소(Forschungszentrum Jülich)의 과학자들이 저널 네이처 커뮤니케이션스에 발표한 광전기화학 물 분해(photoelectrochemical water splitting) 방식이 그중 하나로 이는 두 개의 소재를 이용해서 물을 수소와 산소로 분해한다. 우선 박막 태양전지 소재가 태양 에너지를 전기로 바꾸면 이 전기를 다른 소재로 된 음극과 양극이 수용액에서 수용액을 산소와 수소로 분리한다. 이를 분리해서 채취하면 하나의 광화학(photochemical) 전지에서 수소를 바로 생산할 수 있다.

연구팀은 64㎠ 크기의 전지를 실제로 수용액에 담근 후 야외에서 태양광만으로 수소를 만들게 하는 데 성공했다. 육안으로도 작은 기포가 올라오는 것을 확인할 수 있다. (사진) 이와 같은 기술은 식물의 광합성과는 다르지만, 결국 태양광 에너지를 화학 에너지로 바꾼다는 점에서 인공 광합성(artificial photosynthesis)이라고 부른다.

전기 대신 수소를 생산하는 이점은 낮에 생산한 수소를 저장해서 필요할 때마다 발전기를 돌릴 수 있다는 점이다. 수소 연료 전지 차량의 경우 변환 없이 바로 연료로 사용할 수도 있다. 다만 문제는 태양광 – 수소 변환 효율이 3.9%에 불과해 기존의 태양전지 대비 많이 떨어진다는 것이다. 하지만 연구팀은 앞으로 상용화가 가능한 10% 이상의 에너지의 효율을 달성할 가능성이 크다고 보고 연구를 계속하고 있다.

수소를 값싸게 대량 생산할 수 있다면 에너지 부분은 물론 산업적으로 여러 가지 응용이 가능하다. 동시에 원료인 태양 빛과 물은 한 지역에 편중되어 있지 않고 우리 나라를 포함해 지구 어디서든 비교적 쉽게 구할 수 있다. 필요는 발명의 어머니인 만큼 앞으로 태양 에너지를 더 현명하게 이용하려는 노력이 계속될 것이다.

고든 정 통신원 jjy0501@naver.com