햇빛만으로 물속에서 수소 만드는 '인공나뭇잎' 국내연구진이 개발 성공

[중앙일보] 입력 2015.12.15 

　
물속에서 햇빛을 받아 수소를 만드는 ‘인공나뭇잎’을 국내연구진이 개발했다. 울산과기원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이재성 교수팀은 햇빛을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 인공나뭇잎을 개발했다고 15일 밝혔다.

인공나뭇잎 구조(왼쪽). 인공나뭇잎이 수소를 생산하는 과정을 표현한 모식도.

인공나뭇잎은 비스무스 바나데이트 산화물(BiVO₄)과 태양전지가 얇게 결합된 형태다. 태양전지가 햇빛을 받아 전기를 생산하면 이를 통해 비스무스 바나데이트 산화물이 물을 수소와 산소로 변환한다.


최초 인공나뭇잎은 2011년 하버드대 다니엘 노세라 교수가 개발했다. 실리콘과 태양전지를 결합한 삼중접합(triple junction) 형태였다. 인공나뭇잎은 식물의 광합성에서 아이디어를 얻었다. 나뭇잎은 햇빛을 받아 물을 산소와 수소로 분해한다. 이때 산소를 밖으로 배출하고 수소는 탄소와 결합시켜 성장에 필요한 영양분을 만든다.


연구팀은 인공나뭇잎 효율을 기존 3%에서 5%로 높였다. 전선이 없이 연결된 단일 구조체 방식으로 만드는 데 성공해서다. 김진현 UNIST 파견연구원(포항공대 박사과정)은 “새로운 인공나뭇잎은 광촉매 전극 1개와 태양전지 1개를 이용하는 이중 접합(double junction) 구조라 제작단가를 낮출 수 있었다”며 “광촉매를 이루는 각각의 소자 역시 다른 물질보다 싸고 합성이 쉬운 물질로 이뤄져 가격 경쟁력을 갖췄다”고 말했다. 이재성 교수는 “인공나뭇잎 개념은 수소 생산에 활용할 수 있는 좋은 아이디어였지만 실리콘 태양전지의 단가가 높아 경제성이 떨어졌다”며 “실용화를 위해서는 더 싸고 효율적인 구조체가 필요했다”고 말했다.


수소는 미래 친환경 에너지로 꼽힌다. 세계적으로 수소 생산 원자력 발전소 등 수소를 만들기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 연구팀은 인공나뭇잎 효율을 실용화가 가능한 10% 수준으로 끌어올릴 예정이다. 이 교수는 “인공나뭇잎으로 수소를 생산하는 기술이 실현되려면 효율과 가격 경쟁력이 모두 달성돼야 한다”며 “일반적으로 실용화를 위한 효율은 10% 정도로 보고 있다”고 말했다. 이번 연구는 과학 저널 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 게재됐다.

강기헌 기자