<어린이과학동아> 사자 디자이너가 편집부 사무실에 화분을 들고 왔어요! 뜻하지 않게 화분을 담당하게 된 나무늘보 기자, 과연 화분을 잘 키울 수 있을까요?

[통합과학 개념 이해하기]

광합성은 어떻게 일어날까?

식물은 동물처럼 먹이를 먹지 않고, 빛 에너지를 이용해 포도당을 만들어 살아가요. 식물이 포도당을 만드는 과정을 광합성이라고 합니다.

광합성은 식물 세포 안의 세포 소기관, 엽록체에서 일어나요. 엽록체에는 엽록소라는 색소가 있어요. 엽록소는 빨간색과 파란색 빛은 흡수하고, 초록색 빛은 대부분 반사해요. 그래서 엽록소는 초록색을 띠고, 엽록소가 많이 들어 있는 식물은 초록색으로 보여요.

엽록체가 흡수하는 빛 외에도 식물이 광합성을 하려면 물과 이산화탄소가 필요해요. 물은 식물의 뿌리에서 흡수되어 물관을 통해 잎까지 퍼지고, 이산화탄소는 잎 뒷면의 작은 구멍인 기공을 통해 흡수되죠.

물과 이산화탄소, 빛이 준비되면 엽록체는 흡수한 빛 에너지를 이용해 물과 이산화탄소로 산소와 포도당을 만들어요. 포도당은 식물이 호흡하고 자라는 데 쓰이고, 남은 포도당은 여러 개가 연결되어 녹말 형태로 잎, 열매, 뿌리 등에 저장돼요. 저장되고 나서는 식물을 먹는 초식동물, 초식동물을 먹는 육식동물에게까지 이어져 지구 대부분 생명체를 먹여 살리는 에너지원이 됩니다. 포도당과 함께 만들어진 산소는 나뭇잎 뒷면의 기공을 통해 공기 중으로 나와 다른 생명체들의 호흡에 사용돼요.

광합성은 20~30℃에서 가장 활발하게 일어나요. 빛의 세기가 강해지거나 이산화탄소의 농도가 높아질수록 광합성은 빨라집니다. 하지만 일정 이상 높아지면 더 이상 광합성이 잘 되지 않아요.

광합성은 이산화탄소를 사용해 산소를 만들어 지구가 뜨거워지는 것을 막아줘요. 이산화탄소는 지표면에서 나온 열을 가둬 지구의 온도를 올리는 온실가스 중 하나이기 때문이지요. 그래서 숲이 파괴되면, 광합성을 하는 식물의 양이 줄어들어 지구가 더 빠르게 뜨거워질 수 있어요.

광합성의 과정

1. 나뭇잎은 햇빛을 받아 빛 에너지를 얻고, 뿌리에서 흡수한 물은 잎까지 운반된다.

2. 나뭇잎 뒷면의 기공을 통해 이산화탄소를 흡수한다.

3. 엽록체에서 빛, 물, 이산화탄소를 이용해 산소와 포도당을 만든다. 포도당의 일부는 녹말로 저장된다.

4. 동물은 식물을 먹어 포도당과 녹말로 에너지를 얻고, 산소를 이용해 호흡한다.

[통합과학 넓히기]

유리창이 발전소로? 빛을 모으는 액정 등장!

조명이나 난방, 가전제품 등으로 인해 건물에서는 전기를 많이 사용해요. 전기는 보통 석유나 석탄 등을 때서 얻어요. 그래서 건물의 지붕이나 벽에 태양광 발전기를 달아 햇빛으로 전기를 만드는 친환경 건물들이 생겨나고 있어요. 하지만 태양광 발전기를 설치하기 위해서는 비용이 많이 든다는 단점이 있었어요.

중국 난징대학교 공학 및 응용과학대학 연구팀은 코팅한 유리창으로 태양광을 얻고 전기를 만드는 기술을 2025년 7월 국제 학술지 ‘포토닉스’에 발표했어요. 연구팀은 콜레스테릭 액정(CLC)으로 유리창을 코팅했어요. 액정은 고체와 액체의 중간 상태예요. 고체처럼 분자 배열이 규칙적인 곳도 있고, 액체처럼 불규칙한 곳도 있지요.

CLC의 경우 분자 배열이 규칙적인 쪽은 나선형으로 꼬여 있어요. 이 부분에 햇빛이 닿으면, CLC는 나선과 같은 방향으로 회전하는 빛만 반사하고, 반대 방향으로 회전하는 빛은 통과시켜요.

이때 나선형을 따라 반사된 빛이 유리창 끝에 모이면 태양 전지가 빛을 전기로 바꿔요. 태양 전지는 빛을 받아 전자가 이동하며 전기를 만드는 소자입니다.

연구팀은 유리에 CLC를 지름 약 2.5cm의 원 크기로 코팅해, 약 10mW(밀리와트)●의 전기를 만들어 내는 데 성공했어요. 전기로 선풍기를 작동시킬 수도 있었지요.

기존의 창문형 태양광 발전기는 빛이 사방으로 퍼졌어요. 그래서 네모난 창문의 네 가장자리 모두에 각각 태양전지를 달아야 했죠. 반면 연구팀처럼 유리창을 CLC로 코팅하면 빛이 모이는 한쪽 끝에만 태양전지를 달면 돼요. 이렇게 하면 필요한 태양전지 수가 4분의 1로 줄어들어 경제적이에요.

무엇보다 태양광 발전기는 설치하기 위해 공사가 필요한데, 유리창에 코팅을 하는 건 공사가 필요없다는 장점도 있어요. 연구팀은 “기존에 설치된 유리창을 그대로 활용해, 태양광으로 전기를 생산할 수 있는 저렴한 기술”이라고 전했어요.

▲Richard Lunt

투명함을 지키면서 전기도 만드는 태양광 유리창.

고체, 액정, 액체의 분자 배열

CLC 코팅 유리창의 발전 원리

▲GIB

지붕에 설치된 태양광 발전기.