식물처럼 광합성하는 ‘태양전지’ 나온다

[헤럴드경제=구본혁 기자] 식물은 광합성을 통해 살아가는데, 이는 잎에 있는 엽록소가 빛에너지를 흡수해 양분으로 만들기 때문이다. 이처럼 식물의 광합성을 모방한 ‘인공광합성’ 기술은 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 배출하지 않고 태양에너지를 무제한으로 이용할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 이와 관련 국내 연구진이 식물의 광합성을 모방해 빛을 양분으로 만드는 태양전지용 초분자체를 발견했다.

포항공과대학교(POSTECH) 김기문 교수(IBS 복잡계 자기조립 연구단장) 연구팀은 포피린1 박스2라는 유기 상자 물질을 쌓으면 생기는 공간에 여러 개의 풀러렌3 분자를 가둠으로써 포피린-풀러렌 결정체를 합성했다. 이 결정체는 분자 상호작용을 이용해 독특한 광학 성질을 가지는 것으로 나타났다.

식물의 잎에서 광합성을 담당하는 엽록소의 복합체는 여러 개의 분자가 독특한 배열 구조를 이루고 이들의 상호작용이 발생해 높은 효율로 빛 에너지를 화학 에너지로 변환시켜주는 특징을 보인다.

식물체의 광합성 작용을 담당하는 물질로서 빛에 반응해 전자를 내어주는 포피린과 전자를 수용하는 능력이 뛰어난 풀러렌의 조합을 이용한 소재 개발은 오래전부터 진행돼왔지만, 고체 결정형 물질로는 효과적으로 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하지 못했다.

연구팀은 자연의 광합성에서 영감을 받아, 여러 개의 분자를 한 공간 안에 가두고 이들의 상호작용을 끌어내서 빛 에너지 전환 효율이 높은 소재를 합성하는데 성공했다.

연구팀은 약 3.6 나노미터(nm)에 해당하는 박스 형태의 분자인 포피린 박스가 서로 쌓이며 빈 공간이 발생한다는 것을 확인했다. 그리고 이 빈 공간에 4개의 풀러렌 분자를 정사각형 모양으로 배치하고 가둠으로써 효과적으로 전하가 이동하고, 전하 분리 상태가 오랫동안 유지되는 것을 확인했다. 이렇게 만든 포피린-풀러렌 결정체는 기존의 고체 물질에 비해서 전하 분리 상태 반감기가 약 100배 정도 길게 나타났다.

김기문 교수는 “이번에 합성한 결정체는 태양광 발전 시스템의 기초 소재로서, 작은 빛에도 많은 전기 에너지를 발생시킬 수 있을 것으로 기대한다”라며 고효율의 신재생 에너지 소재 디자인에 기대감을 드러냈다.

이번 연구 결과는 화학분야 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS) 온라인판에 최근 게재됐다.