이런 자연의 광합성 현상을 과학자들은 실험실에서 재현하기 위해 인공적인 방법을 사용하여 청정에너지인 수소연료와 산소를 발생시키는 연구를 오래 전부터 진행하여 왔으나, 지금까지 이렇다 할 만한 성과를 얻지 못하고 있었다.
그런데 최근 미국의 과학자들이 이산화탄소를 배출하지 않는 탄소중립(carbon neutral)의 시스템을 가지면서도 청정 에너지원을 확보할 수 있는 인공 광합성 나노시스템을 개발했다는 소식이 전해져 주목을 끌고 있다.


통합형 인조 광합성 나노시스템, 인공숲



과학기술 전문매체인 사이언스데일리(Sciencedaily)는 미국 에너지국의 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 과학자들이 ‘인공 숲(artificial forest)’이라 불리는 완전 통합형 인조 광합성 나노시스템 개발에 성공했다고 최근 보도했다.
사이언스데일리에 따르면, 이번에 개발된 인공숲 광합성 시스템이 자연적인 광합성을 하는 식물들의 엽록소와 비슷하게 두 개의 반도체로 이루어진 광 흡수자와 전하 이동을 위한 계면층, 그리고 공간적으로 분리된 공촉매로 이루어진 것으로 나타났다.
여기서 나노와이어란 단면의 지름이 1나노미터 정도의 극미세선으로서, 현재 나노테크놀러지 분야에서 가장 효율적인 분야 가운데 하나로 평가를 받고 있는 나노와이어 제조기술은 세계를 변화시킬 10대 신기술 가운데 하나로 꼽히고 있다.
페이동 양 박사는 현재 이 분야에서 가장 탁월한 실적을 내고 있는 과학자 중 한 명으로서 태양열이나 자동차에서 발생하는 폐열들을 활용하여 나노와이어를 통해 에너지로 전환하는 연구를 진행중인 것으로 알려졌다.


인공 광합성의 과제는 저렴한 수소의 생산



지구에 도달하는 태양 에너지를 1시간 정도만 모으면 모든 인류가 사용할 수 있는 1년 치의 에너지가 될 수 있을 정도로 태양 에너지를 이용한 기술은 친환경 재생 에너지의 가장 이상적인 해결책이다. 그중에서도 태양 에너지를 직접 화학적 연료로 변환하는 인공 광합성은 태양 에너지 이용 기술에서 가장 유망한 분야로 꼽히고 있다.
인공 광합성에서의 가장 주요한 도전과제는 화석 연료와 경쟁할 수 있도록 저렴하게 수소를 생산하는 것인데, 이 과제를 푸는 열쇠로 분리된 물의 환원 및 산화 반응에 필요한 태양광을 흡수하고 전하 운반자를 생성하는 통합 시스템이 대두되고 있다.
광합성 시스템을 나무와 같은 구조로 사용한 이유에 대해 양 박사는 “시스템의 성능을 최대화하기 위해 사용하였다”며 “실제 숲에 있는 나무와 같이, 인공 나노와이어 나무의 밀도 있는 배열은 태양광 반사를 억제하고 연료를 생성하는 반응을 위해 더 많은 표면적을 제공한다”고 설명했다.
현재 양박사가 이끄는 연구팀이 통합 나노와이어 기반의 인공 광합성 시스템을 모의 태양광 아래에서 테스트 해 본 결과 0.12%의 태양에너지 연료 변환 효율을 달성한 것으로 나타났다. 이 같은 수치에 대해 전문가들은 천연의 광합성 전환 효율성과 비교하여 기대 이상의 결과이기는 하지만 아직 상업적인 사용을 위해서는 상당한 효율 개선이 이뤄져야 할 것으로 평가했다.


인공잎으로도 인공 광합성 연구



친환경 재생 에너지를 생산하기 위해 양 박사는 ‘숲’의 형태를 선택했지만, ‘잎’을 모방해 인공 광합성을 연구하는 과학자도 있다.
최근 미연례 화학연구회(ACS journal Accounts of Chemical Research)에 보고서를 발표한 하버드대의 다니엘 노세라(Daniel Nocera) 교수와 그의 연구팀은, 개발도상국이나 원거리 지역의 거주민들에게 전기를 효율적으로 공급할 수 있는 ‘인공 잎(Artificial Leaf)’을 실용화하기 위해 노력 중인 것으로 알려졌다.
보고서에 따르면 인공 잎은 태양광과 물을 이용하여 에너지를 생산하는 실제 잎의 능력을 기반으로 만들어진 것으로 나타났다. 그렇다고 해서 인공잎 장치가 실제 잎에서 발생하는 복잡한 광합성의 메카니즘을 이용한 것은 아니고 간단한 촉매 코팅 실리콘 웨이퍼를 활용하여 잎의 기능을 반영했다는 것이 연구팀의 설명이다.
노세라 교수는 인공 잎이 일종의 패스트푸드(Fast Food) 에너지와 같다고 정의하면서 “이 기술이 가장 효율적인 것은 아니나 목표를 달성할 수 있는 경제적인 장치를 만들 수 있기 때문에 앞으로는 인공 잎 시스템을 통해 개인화된 에너지를 공급할 수 있을 것”이라고 덧붙였다. 
노세라 교수는 “현재 많은 과학자들이 복잡하면서 값비싼 에너지 생산 장치를 만드는 데 주력하고 있지만, 이들을 대규모로 적용하는 일은 매우 어렵다”며 “반면에 우리 연구팀이 개발한 인공 잎 시스템은 경제적이면서도 원하는 목적을 달성할 수 있을 것”이라고 주장했다.