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사막에서도 광합성 가능한 ‘인공 잎’개발
인공 광합성 효율성·경제성 높여 신재생에너지 상용화 기여
특허뉴스 염현철기자 기사입력  2017/09/29 [17:32]

용기중 교수(포항공과대학교)·이승협 연구원(한국세라믹기술원) 연구팀이 잎의 광합성 기술을 모방해 극한 환경에서도 물을 분해하고 수소를 효율적으로 생산하는 스마트 인공광합성* 기술을 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.
* 인공광합성 : 자연 잎의 광합성을 인공적으로 모사해 태양광으로 물을 분해하거나 이산화탄소로부터 연료를 얻는 작용을 일컬음.
 
이 연구는 신소재 개발 관련 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 9월 13일자에 표지논문으로 게재되었다.
 
논문명, 주저자정보
※ 논문명 : A Highly Versatile and Adaptable Artificial Leaf with Floatability and Planar Compact Design Applicable in Various Natural Environments
※ 저자정보 : 용기중 교수(포항공대, 교신저자), 김상국 연구원(포항공대, 제1저자), 김태완 연구원(포항공대, 공동저자), 이승협 연구원(세라믹연구원, 공동저자), 백승현 연구원(포항공대, 공동저자), 박태호 교수(포항공대, 공동저자)
 
식물의 광합성 원리를 이용한 인공광합성 연구는 물을 분해하여 수소를 생산하거나 이산화탄소로부터 연료를 얻는 친환경 재생에너지 생산기술로, 청색기술(Blue Technology)* 과학자를 중심으로 활발하게 진행되어 왔다.
* 청색기술(Blue Technology) : 자연과 생물이 가진 기능을 차용해 환경오염을 방지하는 자연 친화적 기술
 
하지만 지금까지 개발된 인공잎 시스템은 상용화 가능 기준인 태양에너지 변환효율의 10%에도 미치지 못하는 경우가 많았다.

사막과 같이 수분이 부족한 환경에서는 시스템이 제 기능을 발휘하지 못해, 더욱 경제적인 공정 개발과 함께 다양한 자연환경에서도 작동 가능한 효율적인 시스템 개발이 요구되어 왔다.
 
연구팀은 산소를 생산하는 촉매와 수소를 생산하는 촉매가 단일 표면에 증착된 형태로 소량의 물이 인공 잎 바닥면에 접촉하는 것만으로도 물 분해 반응이 가능하며, 물 위에 띄우는 방법으로 태양광 흡수 기능을 극대화한 인공 잎을 개발했다.
 
용기중 교수는 “이번 연구는 물이 부족한 사막과 같은 극한 환경에서도 작동이 가능하고, 10% 이상의 수소변환 효율을 달성했다는 점에서 의미가 크며 향후 실제 자연 환경에서의 오염물질 정화, 휴대용 연료전지 개발 등 다양하게 응용될 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.
 
이 연구 성과는 과기정통부 기초연구지원사업(집단연구)의 지원을 받아 수행되었다.
 
논문의 주요내용
1. 연구의 필요성
인공광합성은 식물의 광합성을 모방하여 물 분해를 통해 수소를 생성하거나 이산화탄소로부터 연료를 생산하는 친환경 재생에너지 생산기술로서 미래의 에너지원에 대한 걱정의 궁극적인 해결책이 될 수 있다.
 
그러나 현재까지 개발된 기술들은 대부분 효율적인 측면에서 상용화 가능 기준인 태양에너지 변환효율의 10%에 미치지 못하는 경우가 일반적이다. 또한 보다 경제적인 공정과 다양한 자연환경에서 작동 가능하며 효율적인 시스템의 개발이 필요하다.
 
2. 연구내용
연구팀은 잎 형태의 CIS 박막형 태양전지와 물분해 촉매전극을 결합하여 일체형 인공잎 시스템을 개발하였다.

인공잎 디자인 시 태양전지와 촉매전극 사이에 자유공간을 삽입함으로써 시스템의 부력을 향상시켜 물위에 띄울 수 있는 구조를 새롭게 개발하였다. 이를 통해 기존의 인공잎과는 달리 태양광 흡수를 극대화 할 수 있었다.
 
또한 촉매 전극의 경우도 산소를 생산하는 촉매와 수소를 생산하는 촉매를 단일 표면에 증착함으로써 적은 양의 물이 촉매전극을 적시는 조건에서도 물분해 반응이 일어날 수 있도록 유도하였다. 기존의 인공잎은 물에 잠긴 상태에서 사용되어 왔으며 물이 부족한 경우 작동에 제한이 있었다.

그러나 이번 연구진의 개발한 인공잎은 얇게 퍼져있는 소량의 물과 접촉하는 것만으로도 작동이 가능하기 때문에, 사막과 같이 물이 결핍된 조건에서 극소량의 물 만으로도 사용할 수 있다.
 
연구팀은 잎 형태로 제작한 CIS 태양전지와 백금, 니켈-철 촉매를 이용하여 수소변환효율 약 3 %를 얻을 수 있었으며, 보다 고효율의 태양전지인 페로브스카이트 태양전지를 이용하는 경우 10 % 이상의 변환 효율을 얻을 수 있었다.
 
3. 연구 성과
이 연구는 독창적인 시스템 디자인을 통해서 물에 띄울 수 있으며, 동시에 극소량의 물만으로도 물분해 반응을 통해서 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 새로운 인공 잎을 개발했다는데 의의가 있다.
 
이 연구 성과를 통해서 물이 많은 환경 뿐 아니라 물이 부족한 사막과 같은 극한 환경에서도 작동 가능한 인공잎 시스템을 개발했다는데 그 의미가 크다.
 
일체형 인공잎 시스템을 기반으로 10% 이상의 수소변환 효율의 달성 가능성을 보여주었다는 측면에서 인공잎 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
 
용어설명
1. 어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials)
Wiley에서 발행하는 신소재 분야 국제 학술지 (I.F. = 19.79)
 
2. 인공광합성 (Artificial Photosynthesis)
자연 잎의 광합성을 인공적으로 모사해 태양광으로 물을 분해하거나 이산화탄소로부터 연료를 얻는 작용
 
3. 청색기술(Blue Technology)
자연과 생물이 가진 기능을 차용해 환경오염을 방지하는 자연 친화적 기술
     

▲   물에 띄울 수 있는 일체형 인공잎 시스템(저널 표지)   © 특허뉴스

그림설명 : 물에 띄울 수 있는 일체형 인공잎 시스템(저널 표지)
잎 형태의 태양전지와 물분해 단일 전극의 결합을 통해 제작된 일체형 태양전지. 태양광의 흡수를 극대화하고 물이 많은 환경 뿐 아니라 사막과 같이 물이 부족한 환경에서도 효율적으로 작동 가능함.
 

기사입력: 2017/09/29 [17:32]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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