친환경 에너지를 생산하는 방법도 과학기술의 발전에 따라 소재와 과정이 다양해지고 있는 가운데, 최근 들어서는 녹조류로 전기에너지를 생산하는 기술이 개발되고 있어 관심이 모아지고 있다.

과학기술 전문 매체인 '피스오알지'(physorg)는 11월 25일자 기사를 통해 캐나다의 과학자들이 미생물의 일종인 녹조류(綠藻類)를 활용하여 전기를 생산하는 시스템을 개발 중이라고 보도하면서, 이 기술이 상용화된다면 또 다른 친환경 에너지가 등장하는 것이라고 밝혔다. (관련 기사 링크)

광합성을 통해 전기에너지를 만드는 시스템

석유나 석탄 같은 화석연료는 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 생산한다. 화석 연료 대신 전기를 쓰면 되지 않냐고 반문하는 사람도 있지만, 사실 전기도 지구온난화의 원인에서 자유로울 수 없다. 전기 에너지 역시 이러한 화석연료를 태운 에너지로 생산하기 때문이다.

따라서 과학자들은 오래 전부터 친환경적 에너지를 만드는 방법으로 태양광을 사용해 왔지만, 효율이 떨어지고, 지속적인 생산이 어렵다는 점 때문에 쉽게 상용화가 이루어지지 못하고 있다.

이 같은 상황에서 캐나다 콘코디아대의 연구진은 태양광 자체보다는 태양광을 활용하여 또 다른 친환경 에너지를 생산하는 방법이 더 효율적이라 판단하고, 미생물의 광합성에 대해 연구하기 시작했다. 태양광이 있어야 가능한 광합성을 통해 전기에너지를 만드는 시스템을 연구하기 시작한 것.

이 대학 광학 바이오 마이크로 시스템 연구실의 무투쿠마란 패키리사미(Muthukumaran Packirisamy) 박사와 연구진이 개발 중인 시스템은 녹조류의 광합성 과정에서 얻어지는 전기를 이용하는 기술이다. 녹조류의 하나인 시아노박테리아(cyanobacteria)가 광합성을 할 때 내놓는 전자를 이용한 것이었다.

패키리사미 교수는 “이번 연구의 핵심은 녹조류에서 배출되는 전자를 포집하는 것”이라고 강조하며 “식물이나 조류의 광합성은 모두 ‘전자전달망(Electron Transfer Chains)’을 포함하고 있다”라고 설명했다.

그는 “녹조류에서 광합성 관련 전자전달망은 전기에너지를 만드는데 있어 대단히 중요한 매개체”라고 전하며 “우리 연구진은 이 시스템에 ‘마이크로 광합성 전지 기술(Micro-photosynthetic Cell Technology)’이라는 이름을 붙였다”라고 말했다.

연구진의 설명에 따르면 광합성 전지는 산화전극 및 환원전극, 그리고 양성자교환 멤브레인(Proton Exchange Membrane)으로 구성되어 있는 것으로 파악됐다. 산화전극은 시아노박테리아로 이루어져 있는데, 이들이 산화전극에 있을 때 산화환원제(Redox Agent)로부터 전극표면으로 전자를 방출하게 된다.

전자를 추출하는 방법에는 외부 부하(External Load)가 동원되었다. 이를 통해 연구진은 전력을 생산하는 셀의 성능을 개선했는데, 그 방법으로 양성자교환 투과막(Proton Exchange Membrane)의 전극 사이 거리를 줄이거나 늘리는 과정을 연구하여 개선에 성공했다.

그 결과 연구진이 만든 프로토 타입의 마이크로 광합성 전지는 에너지 생산 밀도가 36.23Mw/㎠인 전력을 얻었다. 전력의 밀도는 80millivolts/㎠이고, 전류의 밀도는 93.38microamps/㎠ 로서, 대략 1W의 전력 생산을 위해서는 30㎠ 정도의 면적이 필요한 것으로 확인됐다.

따라서 현재의 효율만 놓고 볼 때는 제품화된 태양전지에도 미치지 못하는 것이 사실이다. 하지만 시아노박테리아는 생산이 매우 쉽다는 장점을 가지고 있기 때문에 앞으로 발전 가능성이 높다는 것이 연구진의 설명이다.

녹조류를 키우는데 필요한 것은 커다란 수조와 전극, 그리고 먹이만 있으면 된다. 또한 증식도 세포 분열에 의해 24시간 내내 스스로 알아서 하기 때문에 태양광처럼 낮에만 생산되는 단점도 없다.

패키리사미 교수는 “시아노박테리아는 일단 규모의 경제를 이루기 쉽고, 이산화탄소를 흡수한다는 커다란 장점을 가지고 있다”라고 밝히며 “이 외에도 기타 배양 부산물들을 여러 용도로 사용할 수 있다”라고 말했다.

광합성으로 전기를 만드는 것은 일종의 생체모방

콘코디아대 연구진은 마이크로 광합성 전지가 앞으로 군사용 및 무선 분야에서 활용 가능할 것으로 예상하고 있다. 또한 생체와 미세전자기계시스템이 융합된 바이오멤스(BioMEMS)를 위한 좋은 전력원이 될 수도 있을 것으로 보고 있다.

패키리사미 교수는 “광합성을 통해 전기에너지를 만드는 과정은 식물이 광합성을 통해 에너지를 생산하는 과정을 따라하는 일종의 생체모방이라 할 수 있다”고 설명하며 “이런 생체모방 기술을 통해 우리는 좀 더 친환경적이고, 자연친화적인 에너지를 이끌어 낼 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

이를 위해 현재 패키리사미 교수와 연구진은 광합성 전지의 고전류 밀도 및 고전력 밀도를 실현하기 위한 연구를 계속하고 있는데, 전지의 규모를 확대하고 이를 상업화하기 까지는 많은 시간이 필요할 것으로 전망되고 있다.

(이 기사는 KISTI의 글로벌동향브리핑 자료를 일부 참조하였습니다.)