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[YTN 사이언스] 세계 최고 효율로 수소 만드는 '인공나뭇잎' 개발

[YTN 사이언스] 세계 최고 효율로 수소 만드는 '인공나뭇잎' 개발

[앵커]
수소가 친환경 미래 에너지로 주목받으면서 수소 생산 효율을 높이기 위한 연구가 한창인데요. 국내 연구진이 해조류의 광합성 원리를 모방해 산소 대신 수소를 만들어내는 인공나뭇잎을 개발했습니다.

효율도 세계 최고 수준까지 끌어 올렸다는데요. 보다 자세한 설명을 위해 연구를 진행한 울산과학기술원 이재성 교수 연결해보겠습니다. 안녕하세요.

수소를 만드는 '고효율 인공 나뭇잎'을 개발하셨다고 들었습니다. 어떤 기술인지 소개 부탁드립니다.

[인터뷰]
지구 상에 무궁무진한 햇빛으로 물을 분해해 수소와 산소를 얻는 궁극적인 미래 에너지 기술입니다. 물과 이산화탄소, 햇빛으로 광합성을 일으켜 양분을 만드는 나뭇잎의 원리를 모방했다는 데서 '인공나뭇잎'이라고 이름을 붙였습니다. 한마디로 말하면 태양 빛을 흡수하는 반도체 광촉매 물질을 물과 접촉 시켜 수소를 얻는 기술입니다.

[앵커]
구체적으로 어떤 원리로 수소를 발생시키는 건가요?

[인터뷰]
광촉매는 햇빛을 받아서 전자와 전공을 만들 수 있습니다. 이들 중 전자는 환원력이 매우 높은데, 여기서 환원력이란 화학에서 전자를 받아들이는 환원반응을 일으킬 수 있는 능력을 말합니다. 대표적으로 물이 광전자를 받아서 수소를 만드는 것을 예로 들 수 있죠. 전공은 반대로 산화력이 매우 높아서 물을 산화하여 산소를 만들어 결국 물이 햇빛을 받아서 수소와 산소로 쪼개지는 것이지요. 물은 지구 상에서 가장 안전한 물질 중 하나기 때문에 열 만을 가지고 이를 깨려고 하면, 즉 분해하려고 하면 2,000도 이상의 고온이 필요한데요. 한없이 약해 보이는 햇빛이 상온에서도 이렇게 강력한 반응을 일으킨다는 게 참 흥미로운 사실이지요.

[앵커]
해조류에서 영감을 얻어서 개발하셨다고 들었습니다. 해조류의 어떤 특성을 보고 어떻게 적용하신 건가요?

[인터뷰]
무지개를 보면 알 수 있듯이 햇빛은 에너지가 높고 단파장인 자외선부터 에너지가 낮고 장파장인 가시광, 적외선 등으로 구성되어 있습니다. 해조류도 땅 위 식물처럼 태양 빛을 받아 광합성을 합니다. 그런데 바다 속 깊은 곳에서는 태양 빛을 온전히 받기 어렵습니다. 즉 에너지가 낮은 장파장 빛은 얕은 깊이까지만 도달하고 높은 에너지의 단파장 빛은 깊은 바다 속까지 도달합니다. 따라서 해조류는 자기가 서식하고 있는 깊이까지 도달하는 파장만을 선택적으로 활용하는 소위 맞춤형 광합성 시스템을 갖추게 됩니다. 이번 저희가 개발한 인공나뭇잎도 한꺼번에 햇빛의 모든 파장대를 하나의 광촉매로 흡수하려 하지 않고 파장대를 둘로 나누어 각각의 특성에 맞는 두 개의 광촉매를 활용한 것입니다.

[앵커]
기존에도 인공나뭇잎이라고 불리는 기술이 있었죠. 기존 기술은 어떤 한계를 가지고 있었나요?

[인터뷰]
비스무스 바나데이트는 노란색 안료(pigment)로서 페인트나 코팅제로 널리 쓰이는 반도체 물질로서 값이 싸고 물에서 안정하고 효율도 상당히 높아서 현재 가장 많이 연구되고 있는 광촉매 소재입니다. 그러나 흡수하는 빛의 파장대가 단파장에 국한 되어 있어서 효율을 더 올리는데 원천적인 한계가 있습니다.

[앵커]
기존의 인공나뭇잎 기술과 가장 큰 차이점은 무엇인가요?

[인터뷰]
기존에는 비스무스 바나데이트 같은 단일 광촉매로 햇빛의 모든 파장 영역을 흡수하려 하였으나 현실적으로 불가능 하였습니다. 이번에 개발된 인공나뭇잎 기술에서는 앞에 말씀드린 해조류 광합성의 경우처럼 비스무스 바나데이트는 단파장만 전담하여 흡수하게 하고, 장파장 영역의 빛을 흡수할 수 있는 산화철 광촉매를 덧붙여서 2개의 광촉매 전극을 사용하여 흡수할 수 있는 햇빛의 파장대를 대폭 넓혔습니다.

이러한 새로운 개념을 서로 다른 종류의 광촉매로 이루어진 2개의 전극이라 하여 이종쌍전극(Hetero dual photoelectrode)이라 명명하였는데 굳이 비유하자면 전투나 비즈니스 등에서 흔히 쓰이는 분할정복 전략이라고 할까요? 아무튼 이러한 신개념을 적용한 결과로 세계 최고의 높은 효율을 얻게 되었습니다.

[앵커]
이렇게 생산된 수소에너지는 어느 분야에 사용이 될 수 있나요? 수소에너지의 충분한 생산이 가능해진다면 우리 생활에 어떤 변화가 찾아오게 될까요?

[인터뷰]
에너지로서 수소의 장점은 태우면 물만 생기기 때문에 분진이나 이산화탄소 등 공해 물질이 전혀 생기지 않은 완벽한 청정에너지라는 것입니다. 가장 먼저 활용될 분야는 연료전지차에 공급할 연료가 될 것입니다. 이렇게 되면 도시 공해뿐만 아니라 지구온난화 문제도 원천적으로 해결할 수 있습니다.

또 한가지 수소의 중요한 용도는 기존 시설에서 포집한 이산화탄소를 저장하는 것이 어렵고 비용도 많아 들기 때문에 저장 대신에 수소와 반응시켜 친환경 연료를 만들어서 탄소 자원화 분야에서도 결정적인 기여를 할 것으로 기대됩니다.

[앵커]
향후 어떤 연구 계획을 가지고 계시는지요?

[인터뷰]
이번에 개발된 시스템은 8% 정도인데 이를 더욱 발전시켜 3년 이내에 효율 10% 이상을 달성하고자 합니다. 이에 대한 아이디어는 대개 정립이 되었습니다. 10% 효율이 달성되어도 이것은 실험실 규모로서 집광 면적이 제곱센티미터 규모입니다. 실제 현장에 적용할 때는 기본단위가 제곱미터 급의 대면적 시스템으로 키워야 합니다. 이 대면적 시스템을 연료전지차를 위한 수소충전소에 적용하여 현장 실증을 통해 기술이 완성되면 국내 보급뿐만 아니라 해외 플랜트 수출도 계획하고 있습니다.

[앵커]
환경문제 해결뿐만 아니라 산업계에도 큰 도움이 되는 기술일 것 같습니다.

지금까지 울산과학기술원 이재성 교수였습니다. 오늘 말씀 감사합니다.
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