지구에서 가장 친환경적인 에너지 생산 방식이 뭘까? 바로 광합성이다. 광합성에 필요한 준비물은 물, 이산화 탄소, 그리고 햇빛(빛 에너지) 뿐이기 때문에 지구상의 모든 생명 현상 중에서도 가장 경이롭고 중요한 현상이라고 여겨진다.

이렇게 좋은 방식을 인간이 가만히 놔둘 리 없다. 자연의 지혜를 모방할 수 있을 만큼 기술이 발전한 현재, 공학 분야에서 식물의 광합성을 모방한 인공 광합성 기술은 매우 중요한 연구 주제이다. 오늘은 인공 광합성에 대한 궁금증이 생긴 당신을 위해 인공 광합성에 대해 간단하게 알아보았다.

출처 : 매일 경제

-인공 광합성의 정의-

인공 광합성에 대해 설명하기에 앞서, 광합성에 대해 아주 간략히 말해보자면 광합성은 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하기 위해 주로 식물에서 사용하는 과정으로 물, 이산화탄소, 그리고 빛 에너지를 반응물로 사용하여 식물이 살아가는 데 필요한 에너지를 생성물로서 얻는다.

인공 광합성은 이 과정을 모방하였는데 빛 에너지를 이용해 이산화탄소를 분해하여 고부가 가치의 화합물(수소, 에탄올 등등)로 바꾸는 기술로, 별도의 에너지를 사용하지 않고 기후변화를 일으키는 물질인 이산화탄소를 제거하고 유용한 물질을 생산할 수 있어 효율적인 생산 기술로 주목 받고 있다.

출처 : 네이버 블로그

-인공 광합성의 종류-

인공광합성은 햇빛을 어떻게 활용하느냐에 따라서 종류가 나누어진다. 먼저 태양 전지를 이용해 빛 에너지를 전기 에너지로 전환한 다음 생성된 전기 에너지를 이용하여 이산화탄소를 분해시키는 방법으로 현재 가장 널리 활용되는 방법이다. 또한 빛을 전기에너지로 전환시키는 과정을 거치지 않고 빛 에너지를 직접 이용하여 이산화탄소를 전환시키는 광전기 화학 전지 활용 방식이 있다.

-인공 광합성의 원리

빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 데에는 염료 감응형 태양 전지(DSSC)를 활용한다. 염료 감응형 태양 전지는 광합성의 원리를 활용한 전지로 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 역할을 하는데, 아래 그림에서 빛 에너지를 염료 감응형 태양 전지에 입사하면 먼저 광촉매인 TIO2(이산화 타이타늄)에 붙어있는 염료의 전자가 들뜨게 된다. 들뜬 전자는 광촉매 TIO2를 통해 투명 전극에서 상대 전극으로 이동하게 된다. 여기서 광촉매란 빛을 받았을 때 전기를 통하게 하는 물질로 염료에서 들뜬 전자를 전극까지 이동시켜 전기를 통하게 만들어준다. 이러한 일련의 과정들을 통해 태양 전지판에 전기가 통하게 되고, 이산화탄소 공정에 필요한 에너지를 공급해주는 에너지원이 된다.

출처 : 매일 경제

-인공 광합성의 기술적 한계-

지금까지 들어봤을 때는 인공 광합성이 아주 사기적이라고 생각할 수 있을 것이다. 하지만 아직은 여러 문제점이 존재한다. 염료를 통해 발생한 전자가 TIO2을 통해 전달되는 과정에서 손실이 발생하게 되어 효율이 매우 떨어지는 문제가 발생하는데, 이를 위해 전극의 염료 흡착 표면적을 넓히고 전자 전달 효율을 높이기 위해 나노 소재의 개발 필요성에 대한 목소리가 나오고 있다. 이외에도 태양 전지의 내구성 문제와 광촉매 관련 문제가 발생하고 있어 이를 보완하기 위한 기술 역시 요구된다.

-인공 광합성의 활용 분야(생기부 관련)-

자신이 화학 관련 분야에 관심이 있는 학생들에게 인공 광합성이라는 주제는 굉장히 매력적이라고 생각한다. 일단 인공 광합성이라는 큰 틀에서 탐구할 수 있는 범위가 굉장히 넓다고 생각한다. 예를 들어, 에너지 분야에 관심이 있는 학생은 전기 에너지 변환에 사용되는 태양 전지에 대한 탐구를 진행하고 신소재나 화학 공학에 관심이 있는 학생은 광촉매와 인공 광합성에 사용되는 소재 관련 주제에 대한 탐구를 진행 할 수도 있다. 또한 교과목(물리, 화학 등등..)과의 연계성이 뛰어나다고 생각해서 혹시 탐구 주제 탐색 과정에 어려움을 겪는 친구들에게 추천하고 싶은 주제이다.

인공 광합성에 대해 알아보았다. 아직 상용화 단계에 이르기에는 많은 과정을 더 거쳐야 하지만 상용화가 된다면 청정 에너지원에 대한 전 세계의 갈증을 해소할 에너지원이 될 것이라고 생각한다. 광합성을 인간의 기술로 모방한 것처럼, 자연에서 현재 과학 기술의 문제를 해결할 실마리를 찾아보는 것은 어떨까?