마이크로 광합성 전지는 차세대 녹색에너지원

Photo de M. Packirisamy pour Concordia (Alan Wong) à Montréal, juillet 2005
▲ 캐나다 콘코디아 대학 무투쿠마란 패키리사미(Muthukumaran Packirisamy) 박사
우리가 사용하는 화석연료는 이산화탄소를 발생시키며, 지구온난화를 가속화한다. 그러나 우리가 친환경이라고 여기고 있는 전기 에너지 역시 이러한 화석연료를 태운 에너지로 생산하기 때문에 이산화 탄소발생을 증대시키고 지구온난화를 유발하게 된다. 

이러한 고리를 끊을 수 있는 친환경적 에너지를 만드는 방법으로 태양광을 사용하게 된다.  여기서 한발 더 나아가 식물의 광합성을 통해 전기에너지를 만든다면 더욱 근본적인 탄소배출이 없는 청정에너지를 만들 수 있을 것이다.

캐나다 몬트리올에 위치한 콘코디아 대학(Concordia University)의 무투쿠마란 패키리사미(Muthukumaran Packirisamy) 박사가 이끄는 광학 바이오 마이크로 시스템 실험실(Optical Bio Microsystem Lab) 연구진은 남조류(blue-green Algae)의 광합성과 호흡 과정에서 얻어지는 전기를 이용하는 마이크로 광합성전력셀 기술(Micro-photosynthetic Cell Technology)을 개발했다. 연구결과는 과학기술 저널인 월드사이언티픽(World Scientific) 2015년 9월호에 실렸다.

이 새로운 기술은 청정에너지를 생산하는 경제적인 방안이자 인류의 미래를 위해 탄소 배출이 없는 에너지원이 될 수 있을 것으로 기대된다.  

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▲ 마이크로 광합성 세포의 구조. (a)마이크로 광합성세포의 주요 구성 요소 (b)조립되지 않은 마이크로광합성세포 모델 (c)결합된 형태의 마이크로 광합성세포 모델 (d)실험한 마이크로 광합성세포 구조 (e)실험 설정 구성도 (f)실험 측정

청정하면서 탄소를 발생시키지 않는 녹색 에너지는 지구 온난화(Global Warming)를 점차 완화하여 완전히 해결할 수 있는 궁극적 해결책으로서 인식되고 있다.

태양으로부터 얻어지는 청정에너지 자원은 매 한 시간마다 인류가 1년간 고갈시키는 것보다 더 많은 양의 에너지를 배출하고 있다. 따라서 태양으로부터 에너지를 확보하는 기술은 전력자원을 친환경적인 보조원으로 전환하는데 중요하다. 이와 관련하여 콘코디아 대학 연구진은 조류에서 얻어지는 광합성 전기를 활용하는 효율적인 방법을 찾았다. 

식물의 세포에서 이루어지는 광합성과 호흡은 모두 전자 전달망(Electron Transfer Chains)을 포함하고 있다. 이번 연구의 주요 콘셉트는 남조류에서 배출되는 전자를 포집하는 것이다.

남조류에서 광합성과 호흡 관련 전자전달망은 전기에너지 이용에 있어 건설적인 역할을 한다. 광합성 전력셀은 산화전극, 환원전극 및 양성자교환 투과막(Proton Exchange Membrane)으로 구성되어 있다. 산화전극 쳄버(Anode Chamber)는 시아노박테리아(Cyanobacteria)로 이루어졌으며, 이들이 산화전극에 있을 때 산화환원제(Redox Agent)로부터 전극표면으로 전자를 방출한다.

그리고 전자를 추출하기 위해 외부 부하(External Load)가 연결되었다. 이렇게 제작된 전지는 개로전압(Open Circuit Voltage) 993mV, 전력밀도(Power Density) 36.23W/cm2를 생산할 수 있다. 전력 셀의 성능은 양성자교환 투과막(Proton Exchange Membrane)의 두 개의 전극 사이 거리를 줄이거나 셀의 효율적인 설계를 통해 개선될 수 있다. 

마이크로 광합성전력셀은 군사용 및 무선 분야에 활용이 가능하다. 또한 바이오 멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems)장치를 위한 좋은 전력원이 될 수도 있다. 그러나 MEMS 관련 과학자들이 해결해야 할 과제는 아직 남아있다. 셀의 고전류밀도 및 고전력밀도를 실현하기 위해서는 소규모의 산화/환원 쳄버를 제작하는 것이 필요하다. 전력 셀의 규모를 확대하고 이를 상업화하기 위해서는 아직 많은 작업이 필요하다. 

콘코디아 대학 광학바이오마이크로시스템 실험실의 연구진은 경제적인 방안으로 고전력밀도 및 고전류밀도의 파워셀을 제조하기 위해 노력하고 있다. 

이처럼 광합성을 통한 전기에너지는 일종의 식물을 모방한 생체모방의 한 분야일수도 있다. 이러한 기술을 통하여 우리는 좀 더 친환경적이고 자연친화적인 에너지를 통해 생태계와의 조화를 이루는 기술로 발전을 이루게 될 것 이다.

[김빛나무 기자  space@itnews.or.kr]