일광 화상이 힌트? 태양 에너지를 "분자에 가두는" 신기술의 가능성

태양광 발전의 약점은 너무나도 단순하다. 태양이 떠 있지 않으면 발전할 수 없다. 낮에 생성된 전력을 밤에 사용하려면, 축전지나 송전망, 또는 다른 저장 시스템이 필요하다. 재생 가능 에너지를 사회의 주역으로 만들려고 할수록, 이 "저장" 문제는 커진다.

하지만, 만약 태양의 에너지를 전기가 아닌, 분자 안에 직접 가둘 수 있다면 어떨까. 게다가 그 분자가 필요한 타이밍에 열을 방출하여, 물을 끓이거나, 방을 따뜻하게 하거나, 기계의 온도 관리를 할 수 있다면——.

그런 SF 같은 연구가, 미국 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스를 중심으로 진행되고 있다. 계기는 의외로 "일광 화상"이었다.

화학자 Grace Han 씨는 보스턴에서 남캘리포니아를 방문했을 때, 햇빛의 강도에 놀랐다고 한다. 몇 시간 밖에 있는 것만으로도 피부가 자극을 받는다. 그 경험이 DNA의 광화학 반응에 대한 관심과 겹쳤다. 일광 화상이란, 피부의 세포 내에 있는 DNA가 자외선에 의해 손상되는 현상이기도 하다. DNA를 구성하는 분자는 빛을 받으면 형태를 바꾸고, 뒤틀린 상태가 된다.

이 "빛을 받아 형태를 바꾸는" 성질이, 에너지 저장의 힌트가 되었다.

분자 태양열 에너지 저장, 줄여서 MOST라고 불리는 분야에서는, 빛을 받으면 구조가 변화하고, 고에너지 상태에서 안정되는 분자를 이용한다. 분자가 원래의 구조로 돌아올 때, 그 차이의 에너지가 열로서 방출된다. 이미지를 떠올리자면, 태양광으로 극소의 스프링을 감아 올리고, 필요할 때 그 스프링을 되돌려 열을 꺼내는 것과 같다.

기존의 태양광 발전은, 빛을 전기로 바꾼다. 한편, MOST는 빛을 화학 에너지로 저장하고, 열로서 꺼낸다. 이는 전기를 저장하는 리튬 이온 배터리와는 역할이 다르다. 스마트폰이나 EV를 움직이기 위한 배터리라기보다는, 난방, 급탕, 산업용 가열, 결로 방지, 온도 관리 등, "열"이 필요한 장면에 적합한 기술이다.

이번에 주목받고 있는 것은, Han 씨의 연구팀이 개발한 피리미돈계의 분자이다. DNA의 구조에서 착안을 얻은 이 분자는, 자외선을 받으면 고에너지 형태로 변화하고, 그 상태를 유지한다. 그리고 특정 자극을 주면 원래대로 돌아가, 저장했던 에너지를 열로서 방출한다.

연구팀은, 이 분자가 1킬로그램당 1.65메가줄이라는 높은 에너지 밀도를 보였다고 보고하고 있다. 이는 MOST 분야에서는 매우 높은 값으로, 일반적인 리튬 이온 배터리의 질량당 에너지 밀도를 초과하는 수준으로 소개되고 있다. 게다가, 실험에서는 작은 용기 내의 물을 급속히 끓일 정도의 열 방출도 확인되었다.

이 성과가 흥미로운 것은, 단순히 "에너지 밀도가 높다"는 점만이 아니다. 태양 에너지를 장기 저장할 수 있는 가능성이 있다는 것, 그리고 열을 직접 꺼낼 수 있다는 것이 중요하다.

에너지 문제를 생각할 때, 많은 사람은 전기를 떠올린다. 발전소, 송전망, 축전지, EV, 스마트 그리드 같은 단어가 나열된다. 하지만, 세계의 에너지 수요 중에서 "열"은 매우 큰 비중을 차지한다. 주택의 난방, 급탕, 식품 가공, 화학 공업, 건조 공정, 제조업의 가열 등, 사회는 막대한 열을 필요로 하고 있다. 그리고, 그 많은 부분은 지금도 화석 연료의 연소에 의존하고 있다.

즉, 탈탄소화의 난점은 "전기를 어떻게 만들 것인가"만이 아니다. "열을 어떻게 만들 것인가" "열을 어떻게 저장할 것인가"도 큰 과제이다.

MOST 기술이 실용화된다면, 낮에 태양광으로 분자를 "충전"하고, 야간이나 흐린 날씨에 열을 꺼내는 사용법이 생각될 수 있다. 지붕 위에서 액체를 태양광에 노출시키고, 탱크에 저장하여, 필요할 때 급탕이나 난방에 사용한다. 또는, 한랭지의 창문에 투명한 코팅으로 사용하여, 결로를 방지한다. 소형 위성이나 항공기의 온도 관리, 오프그리드 환경에서의 열원으로도 응용의 여지가 있다.

하지만, 현 시점에서 이 기술을 "곧 가정용 난방을 대체할 혁명"으로 보는 것은 이르다. 원 기사에서도, 여러 연구자가 신중한 견해를 보이고 있다.

가장 큰 과제 중 하나는, 분자를 변화시키기 위해 필요한 빛의 파장이다. 이번 시스템에서는, 주로 300나노미터 부근의 강한 자외선이 관련되어 있다. 지표에 도달하는 태양광에는 자외선도 포함되어 있지만, 양은 제한적이다. 실용화하려면, 보다 자연광에 반응하기 쉽게 하거나, 가시광선에 가까운 파장에서도 효율적으로 작동하도록 개선할 필요가 있다.

또 하나의 과제는, 저장한 에너지를 방출하기 위한 방아쇠이다. 이번 실험에서는 염산이 사용되었다. 염산은 부식성이 있어, 취급이나 중화 처리가 필요하다. 가정이나 건물, 산업 설비에서 널리 사용하려면, 보다 안전하고 취급하기 쉬운 촉매나 열 자극, 또는 고체 재료와의 조합이 요구된다.

게다가, 액체로서 사용할 경우에는, 유체를 펌프로 움직여야 할 필요가 생긴다. 지붕의 집열기, 배관, 탱크, 열 교환기, 촉매 반응부 등이 필요하게 되면, 시스템 전체의 비용과 고장 위험은 높아진다. 분자 단독의 성능이 우수해도, 사회 구현에서는 장치 전체의 효율, 가격, 수명, 안전성, 유지보수성이 요구된다.

또한, 빛을 흡수하는 분자는 두껍게 쌓으면 안쪽까지 빛이 도달하지 않는다. 액체의 층을 어느 정도의 두께로 할 수 있는지, 어느 정도의 면적으로 얼마나 많은 열을 저장할 수 있는지도 중요한 논점이 된다. 가령 주택 전체의 난방을 감당하려면, 대량의 재료와 넓은 수광 면적, 안정된 순환 설비가 필요할 가능성이 높다.

그럼에도, 이 연구에는 큰 의미가 있다. 왜냐하면, MOST는 "태양광을 전기로 바꿔 배터리에 저장한다"는 기존의 발상과 달리, "태양광을 열로 사용하기 위해, 분자의 형태 그 자체에 저장한다"는 다른 경로를 제시하고 있기 때문이다.

SNS상에서도, 이 연구에는 기대와 지적이 섞인 반응이 보인다.

Reddit의 과학·미래 기술 커뮤니티에서는, 열 수요의 크기에 주목하는 목소리가 있다. 난방이나 급탕의 탈탄소화는 간과되기 쉽지만, 화석 연료 의존을 줄이는 데 중요한 영역이라는 인식이다. 한편으로, "열을 저장하려면 모래 배터리 같은 기존의 열 저장 기술도 있다", "소형화하면 열이 쉽게 빠져나간다", "난방뿐만 아니라 냉방 수요도 있다"는 현실적인 지적도 게시되고 있다. 즉, SNS상의 반응은 단순한 찬사 일색이 아니라, "재미있지만, 어디에서 사용하는 것이 최적인가"라는 구현 시점에 기울어져 있다.

LinkedIn에서는, 연구직이나 에너지 업계에 가까운 사용자를 중심으로, 보다 전문적인 반응이 두드러진다. 분자가 태양광을 화학 결합의 형태로 저장하고, 필요할 때 열로서 방출할 수 있는 점을 "장기 열 저장의 유망한 보완 기술"로 평가하는 게시물이 있는 한편, 현 단계에서는 주로 자외선에 의존하고 있는 것, 스케일업의 경제성이 보이지 않는 것, 송전망 수준의 장기 저장에 사용할 수 있을지는 아직 불명확하다는 지적도 있다.

이 온도감은 상당히 타당할 것이다. 연구 성과로서는 획기적이지만, 곧바로 시장을 바꿀 제품은 아니다. 오히려, 향후의 재료 설계나 시스템 공학의 출발점으로 봐야 한다.

특히 주목할 점은, 연구자들이 "고체화"나 "창문에의 응용" 같은 방향에도 관심을 기울이고 있는 점이다. 액체를 배관으로 순환시키는 방식은, 열을 이동시키기 쉬운 반면, 누수나 펌프의 고장, 부식, 유지보수 같은 문제를 안고 있다. 만약 분자를 고체 재료나 투명 코팅에 포함시킬 수 있다면, 보다 간단한 응용이 가능해질지도 모른다.

예를 들어, 창유리가 낮 동안 태양광을 받아 분자를 고에너지 상태로 하고, 야간이나 저온 시에 천천히 열을 방출한다. 또는, 한랭지에서 결로를 방지하기 위한 박막으로 사용한다. 건물 전체를 따뜻하게 할 정도는 아니더라도, 국소적인 열 제어에는 도움이 될 가능성이 있다.

위성이나 항공기처럼, 온도 관리가 중요하고, 연료나 배터리의 중량이 제약이 되는 분야에서도 응용이 생각될 수 있다. 특정 부품만을 일정 온도로 유지하고 싶은 경우, 분자 수준에서 저장한 열을 필요할 때 꺼낼 수 있는 재료는 매력적이다. 주택 난방 같은 대규모 용도보다, 먼저 작고 고부가가치인 용도에서 실용화가 진행될 가능성도 있다.

이 연구가 재미있는 것은, 자연계의 실패처럼 보이는 현상을, 기술의 힌트로 바꾸고 있는 점에서도 있다. 일광 화상은 인간에게 피하고 싶은 손상이다. DNA가 자외선으로 손상되는 것은, 건강 위험 그 자체이기도 하다. 하지만, 그 분자의 형태가 변하는 현상을 잘 보면, 빛의 에너지를 구조 변화로 받아들이는 구조가 있다. 생명이 오랜 시간을 걸쳐 마주해 온 광화학 반응을, 에너지 기술로 전용하는 발상이 여기에 있다.

하지만, 여기서 오해해서는 안 되는 것은, 이 기술이 "일광 화상을 이용하는" 것이 아니라는 것이다. 인간의 피부나 DNA를 에너지 저장에 사용하는 것이 아니다. 어디까지나, DNA가 빛으로 구조 변화를 일으키는 구조에서 착안을 얻어, 인공적인 분자를 설계했다는 이야기이다.

향후 초점은 크게 세 가지가 있다.

첫째로, 태양광의 어느 파장을 얼마나 사용할 수 있는가. 자외선뿐만 아니라, 보다 풍부하게 도달하는 가시광선을 이용할 수 있게 되면, 실용성은 크게 높아진다.

둘째로, 안전한 방열 트리거의 개발이다. 염산 같은 취급하기 어려운 화학 물질이 아니라, 저온의 열, 빛, 고체 촉매, 전기화학적 자극 등으로 안정적으로 방열할 수 있다면, 응용 범위는 넓어진다.

셋째로, 재료와 장치를 포함한 총비용이다. 분자를 합성하는 비용, 반복 사용 시의 열화, 열 손실, 장치의 수명, 유지보수성, 환경 부담까지 포함하여, 기존의 히트 펌프, 태양열 온수기, 축열재, 모래 배터리, 축전지와 비교될 것이다.

에너지 기술의 역사를 보면, 실험실에서 우수한 숫자를 낸 기술이, 그대로 사회를 바꾸는 것은 아니다. 오히려, 사회 구현 과정에서는 지루한 문제가 계속 나타난다. 배관이 막힌다, 재료가 비싸다, 촉매가 열화된다, 안전 기준을 충족하지 못한다, 유지보수가 너무 복잡하다——. 이러한 벽을 넘지 않으면, 아무리 아름다운 화학 반응이라도 산업이 될 수 없다.

그럼에도, 이번 연구는 "태양 에너지를 어떻게 저장할 것인가"라는 질문에, 새로운 선택지를 추가했다. 솔라 패널과 리튬 이온 배터리만이 미래가 아니다. 열은 열로서 저장하는 것이 효율적인 장면도 있다. 건물이나 공장, 이동체, 우주 기기 등, 전기가 아니라 열을 필요로 하는 현장에서는, 분자 태양열 저장이 독자적인 가치를 가질 가능성이 있다.

태양광을 받으면 분자가 형태를 바꾸고, 그 형태 안에 에너지를 가둔다. 필요할 때 분자를 원래대로 돌려, 열을 꺼낸다. 말로 하면 단순하지만, 실현에는 고도의 유기화학, 계산화학, 재료과학, 열공학이 겹쳐져 있다.

일광 화상이라는 친숙하고 조금 까다로운 현상에서, 미래의 에너지 저장이 탄생할지도 모른다. 연구는 아직 초기 단계이지만, 태양을 "발전하는 것"뿐만 아니라, "분자에 저장하는 것"으로 보는 시점은, 재생 가능 에너지의 가능성을 넓히고 있다.

이 기술이 가정의 난방을 담당할 것인지, 공장의 열원이 될 것인지, 창유리의 박막이 될 것인지, 아니면 위성의 온도 관리 같은 틈새 용도에서 시작될 것인지는, 아직 알 수 없다. 하지만 적어도, 태양의 빛을 순간의 은혜로 끝내지 않고, 필요한 때까지 분자 안에 가두어 두는 발상은, 에너지 저장의 미래를 생각하는 데 충분히 자극적이다.

출처 URL

BBC / AOL 게재 "How sunburn inspired a new way to store energy"
원 기사. Grace Han 씨의 착상, 일광 화상과 DNA 광화학, MOST 기술의 개요, 연구의 가능성과 과제, 외부 연구자의 코멘트를 참조.
https://www.aol.com/articles/sunburn-inspired-way-store-energy-230314720.html

UC Santa Barbara "UCSB scientists bottle the sun with liquid battery"
연구 기관에 의한 발표. 피리미돈 분자, MOST, 1