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나노 그물 짜서 태양 에너지 잡는다

모래는 손으로 쥘 수 없다. 손가락 사이 틈새가 자그마한(마이크로) 모래를 가두기엔 너무 크기(매크로) 때문이다. 모래를 담기 위해선 모래알보다 더 촘촘한 그물을 써야 한다. 하물며 모래알과 비교할 수 없을 정도로 작은 분자나 전자를 담으려면 얼마나 세밀한 그물을 써야 할까. 이를 미래에너지인 태양전지나 연료전지에 대입해보자. 모래알은 전자, 그물은 전극을 오가며 전기에너지를 발생시키는 전자를 담는 전해물질이다. 마이크로미터 구조로 설계됐던 이 그물을 나노미터 구조로 바꿔 에너지 효율을 높이려는 시도가 기계항공공학 분야에서 이뤄지고 있다.

최만수 서울대 기계항공공학부 교수의 전공은 바로 나노 입자들을 자유롭게 배열하고 쌓는 것이다. 최 교수가 이끄는 ‘멀티스케일 에너지 시스템 글로벌 프론티어 연구단’은 나노 기술을 이용해 기존 태양전지와 연료전지 설계구조의 혁신을 꾀하고 있다. 전지 내 전자를 더 꽉 붙들 수 있는 전해 물질 구조를 10억 분의 1m인 나노 수준으로 설계해 에너지 효율을 증대시키는 것이다.
“나노 수준에 미치지 못한 기존 설계로는 에너지를 전달하는 분자나 전자 같은 입자들을 제대로 다 잡을 수가 없었어요. 이제 나노 기술은 기계가공의 정밀도만 좌우하지 않습니다. 기계 속 여러 가지 구조를 나노 수준으로 만들 수 있어야만 혁신적인 장치를 발명할 수 있는 시대가 온 것입니다.”

미래에너지라 부르는 태양전지, 연료전지 안에서 에너지를 전달하는 분자와 전자는 크기가 매우 작다. 에너지가 발생하는 물리화학 반응 또한 나노 수준의 극히 좁은 공간 안에서 이뤄진다. 때문에 마이크로미터 크기의 기존 ‘거시적’ 설계방식 대신 나노 크기로 부품을 설계하면 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있다. 다뤄야 할 입자의 크기를 고려한 맞춤 설계이기 때문이다. 거시적 설계 구조로는 입자의 생성과 이동, 수집이 효율적으로 이뤄지지 않았다. 전자 손실도 많을 수밖에 없다. 최 교수가 이끄는 연구단은 나노 기술을 이용해 에너지 생성 효율을 기존 대비 90%까지 끌어올리는 것이 목표다. 이는 전기에너지 1W 생성 비용을 0.5달러 수준까지 낮추는 것이다.

하지만 태양전지나 연료전지의 시스템과 부품을 눈에 보이지 않는 나노 크기로 설계하는 것이 혹시나 너무 먼 미래의 이야기는 아닐까. 최 교수는 알록달록한 한 장의 사진을 보여주었다. 꽃잎 같기도 하고, 벽지 무늬 같기도 한 그림의 정체는 나노 크기의 입자를 쌓아올린 모습을 촬영한 것이었다.

“아직은 단층구조이지만 점차 좀 더 복잡한 복층 구조를 만드는 것이 연구단의 도전과제입니다. 나노 크기의 설계에서 시작해 마이크로 크기의 구조를 만들고, 눈에 보이는 거시적인 설계까지 한 번에 통합하려고 합니다. 그래서 ‘멀티 스케일’이죠.”

<;D0! 과학동아 2012년 4월 中>;