나노기술, 에너지 고갈 문제 해결사로

3차원 멀티스케일 등 광ㆍ분자에너지 융합기술 개발 활발
■ 글로벌 프론티어
2020시대 여는 융합과학-(7)차세대 에너지 소자ㆍ생산시스템(끝)

표면온도가 섭씨 6000도에 달하는 태양이 1시간 동안 지구 표면에 보내주는 에너지는 전 인류가 1년 동안 사용하는 전체 에너지 양과 맞먹는다. 화석에너지 고갈 문제로 고민하는 인류에 최소한 수십억년 동안은 애쓰지 않아도 하늘로부터 저절로 떨어지는 에너지원이 있는 셈이다.

그러나 인류는 지금까지 식물, 화석연료 등 자연이 태양을 원료로 빚어낸 에너지원을 가져다 쓰는 데는 익숙하지만 태양에너지를 있는 그대로 수확해 활용하는 데는 미숙하다. 그 예로 태양에너지를 그대로 전기에너지로 변환하는 태양전지의 에너지 생산단가는 아직 기존 에너지 단가에 비해 5배 정도 비싸다. 햇빛을 에너지로 담아내는 '그릇'이 아직 초보적인 수준이기 때문이다. 태양전지가 메인 에너지원으로 자리잡으려면 식물이 햇빛을 잡아채 광합성을 하는 것처럼 효율성 높은 에너지 생산 시스템이 구현돼야 한다.

과학자들은 빠르게 발전하는 나노기술을 이용해 정밀한 소자와 시스템을 개발하고, 자연이 이미 발명해낸 모범적인 구조와 방법을 모방함으로써 길을 찾을 수 있을 것으로 내다보고 있다.

10억분의 1미터의 미시 세계를 다루는 나노기술은 태양전지, 연료전지 등 미래 청정에너지 시스템에서 에너지를 전달하는 광자, 전자, 분자 등을 보다 효율적으로 붙잡거나 조작하고, 에너지 변환이나 저장과정까지 정밀하게 제어할 수 있게 함으로써 초고효율 에너지 기술을 열어줄 것으로 기대된다.

교육과학기술부 글로벌 프론티어 '멀티스케일 에너지시스템연구단'을 이끄는 최만수 단장(서울대 기계항공공학부 교수)은 "태양전지와 연료전지를 포함하는 신재생 에너지 시스템 내에서 벌어지는 광에너지와 분자에너지의 전달과 전환 과정에서 나타나는 물리ㆍ화학 메커니즘에 근거한 새로운 통합적 접근이 필요한 시점"이라고 말했다.

연구단은 나노ㆍ마이크로ㆍ매크로를 통합하는 멀티스케일 3차원 아키텍처링이라는 새로운 개념을 제안한다. 나노에서부터 마이크로, 매크로 시스템을 정밀하게 구성함으로써 전하나 이온의 발생, 분리, 이동 단계에서 일어나는 근원적인 물리현상을 잘 제어함으로써 에너지 생산효율을 극대화하자는 것이다.

이를 위해서는 나노입자를 정교하게 배열하고 쌓는 기술이 필수적이다. 나노입자를 촘촘히 여러 층으로 쌓고, 이를 확장해 마이크로 크기 구조를 만드는 데 이어 눈에 보이는 거시적인 설계까지 통합한 시스템을 구축하는 게 필요하다.

이같은 차별화된 접근은 학문간 영역을 넘어선 융합을 통해서만 가능하다. 연구단은 서울대를 중심으로 KAIST, 연세대, 고려대, 성균관대 등 9개 대학과 한국화학연구원, 한국기계연구원, 한국과학기술연구원, 한국에너지기술원 등 5개 연구기관을 포함해 연간 260명의 연구자가 참여하는 거대 연구팀을 꾸렸다. 연구자들의 전공도 공학과 자연과학을 망라해 다양하게 펼쳐져 있다.

연구주제는 △멀티스케일 아키텍처링 △광에너지 융합시스템기술 △분자에너지 융합시스템기술 △지능형에너지 소재기술 등 4가지로 집약된다. 3차원 멀티스케일 구조물 형성 및 계면 조절기술, 식물 양자에너지 모방 광에너지 변환기술, 3차원 멀티스케일 광에너지ㆍ분자에너지 기술 등이 포함된다.

특히 자연은 연구의 모범적인 스승이다. 자연계에 존재하는 대부분의 기능성 표면은 마이크로-나노의 복합 구조, 즉 멀티스케일 구조물이거나 모방이 힘든 3차원 구조물로 돼 있다. 이런 자연 구조물은 멀티스케일 에너지시스템의 설계도로 활용될 수 있다.

이런 연구는 이미 진전이 이뤄지고 있다. 서울대 서갑양 교수는 게코도마뱀 등 자연물을 모사한 다양한 구조체 연구를 하고 있고, KAIST 고승환 교수는 나노크기 나무가 빽빽이 모여 있는 숲 구조를 만들고 이를 산화물반도체 기반 염료감응형 태양전지에 구현함으로써 에너지 전환효율을 기존 소자보다 5배 높이는 데 성공했다.

최만수 단장은 "2020년까지 이어지는 연구를 통해 태양전지의 에너지 생성 효율을 기존 대비 90%까지, 연료전지는 50%까지 끌어올리고 전기에너지 1W 생산비용을 0.5달러까지 낮추는 것을 목표로 한다"며 "이렇게 되면 신개념 태양전지와 연료전지가 화석연료와 겨룰 수 있는 경쟁력을 갖추게 될 것"이라고 말했다.

안경애기자 naturean@