무시무시한 무인기?! 진짜 정체를 밝혀라!

일반 레이더에 감지되지 않는 구역인 고도 2만 m를 유유히 날며 성층권에서 지구를 샅샅이 내려다본다. 인터넷 회선이나 인프라가 구축되지 않은 사막이나 오지 상공을 떠다니며 무선 인터넷 신호를 송출한다. 그런가 하면 피자를 주문하자 배달부가 오지 않고 꽉 막힌 교통 상황을 피해 정확한 시간에 집 앞에 피자를 내려다 놓는다.

이 모든 것을 해내는 것은 무인 항공기(무인기)다. 최근 서해 백령도와 경기 파주시에서 북한의 것으로 확인되는 무인기가 잇따라 발견돼 떠들썩하면서 무인기에 대한 관심이 높아졌다.

이번 사태로 국내에서 무인기에 대한 관심이 높아졌지만 2000년대 초부터 아프가니스탄 전쟁에서 위력을 발휘하며 세계적으로 무인기에 대한 기술 개발 경쟁이 이미 치열한 상태다. 정찰이나 정밀한 타깃 공격 등 군용뿐만 아니라 재난재해 감시, 테러 현장 침투, 택배와 같은 다양한 목적에 따라 운용된다. 이에 따라 전 세계 51개국이 무인기를 개발하고 있으며 운용 중인 무인기도 이미 150종을 넘었다.

가장 앞선 기술력을 자랑하는 미국이 운용하는 군용 무인기 비율은 2005년 5%에서 2010년 41%로 크게 늘어났다. 항공 우주 관련 연구 기관인 틸 그룹(Teal Group Corp.)은 2023년 전 세계 무인기 시장 규모가 890억 달러(약 93조 원) 수준으로 성장할 것이라는 전망을 내놨다.

■ 무선 컨트롤 시스템에서 위성 통신 중계까지

무인기 조종 원리는 리모컨으로 조종하는 모형 자동차나 모형 비행기와 기본적으로 같다. 최근 방송 프로그램이나 스포츠 중계에서도 하늘에서 내려다보는 것과 같은 영상을 만나볼 수 있다. 이전에는 카메라 기자가 헬기를 직접 타 영상을 찍었지만 지금은 방송용 카메라를 무인기에 부착하는 ‘헬리캠’이 보편화되고 있다.

이런 소형 무인기는 무선 컨트롤 시스템을 이용한다. 특정 주파수의 전파 신호를 리모컨이 보내면 자동차나 비행기가 이 신호를 수신해 프로그램 된 대로 작동하는 방식이다. 조종할 수 있는 거리가 대략 수백 m에서 1km 정도에 그친다.

하지만 수백 km 이상 활동 반경을 넓히는 군용 무인기는 이야기가 달라진다. 위성 통신 중계를 이용하는 것이다. 지상 통제소에서 위성으로 신호를 보내면 위성이 중계 역할을 해 무인기에 신호를 전달하는 방식이다.

그래서 보통 항공기의 조종석이 있는 위치에 무인기는 광대역 위성 안테나가 자리 잡고 있다. 이 안테나가 받은 신호를 무인기 내 컴퓨터가 분석해 무인기를 자동으로 작동시킨다.

무인기가 자신의 위치를 인식할 때는 위성 위치 확인 시스템(GPS) 신호를 활용하는데, 이 때문에 2011년 12월 미국의 무인기 ‘센티넬(RQ-170)’을 이란이 포획했다고 주장하는 사건이 발생하기도 했다. 당시 이란 측은 지상에서 GPS 신호를 똑같이 쏴 무인기가 자신의 위치를 착각하게 만드는 ‘GPS 스푸핑’ 기술을 이용해 빼앗았다고 주장했다.

■ 무인기 ‘팔방미인’으로 진화

무인기는 군용으로 활용되기 시작했다. 현재 전장에서 임무 수행 능력이나 성능이 가장 검증된 것으로 평가받는 미국의 ‘글로벌호크(Global Hawk)’는 지상으로 전파를 발사한 뒤 지표면의 굴곡이나 물체에 반사된 전파를 받아 영상을 만드는 합성 개구 레이더(SAR)를 비롯해 가시광선, 적외선을 식별할 수 있는 센서가 모두 달려 있다. 지상에 있는 30cm 크기의 물체를 구별할 수 있을 정도로 촘촘히 감시한다. 이와 함께 지상에서 움직이는 타깃만을 찾는 모드도 작동시킬 수 있어 더욱 위력적인 것으로 평가받는다.

정찰용 무인기가 위력적인 이유는 고도 500km에 떠있는 정찰 위성보다 더 뛰어난 정찰 능력 덕택이다. 위성은 지구 궤도를 돌기 때문에 한 곳을 24시간 실시간 감시하기 어렵다. 반면 무인기는 비행시간만 허락한다면 특정 지역을 지속적으로 들여다볼 수 있다.

군용으로 출발한 무인기는 이제 팔방미인이 되고 있다. 인터넷 유통 업체 아마존은 지난해 12월 최대 2.3kg 무게의 짐을 싣고 최대 16km 떨어진 지역까지 물품을 배송하는 무인기를 선보였다. 피자 업체 도미노나 세계적 물류 기업인 DHL도 무인기를 활용한 배송을 준비하고 있다.

테러 현장이나 기상 관측이나 재난 재해 감시에도 무인기는 폭넓게 활용된다. 2011년 동일본 대지진으로 후쿠시마 원전 방사능 물질 누출 사태에서도 글로벌 호크는 원전 시설에 접근해 적외선 카메라로 원전 내부와 온도 등 필수적인 정보를 파악했다. 미국의 AAI 사가 만든 무인기 ‘에어로손데(Aerosonde)’는 허리케인 내부에 접근해 기상 자료를 수집하는 데 성공하기도 했다.

세계 최대 인터넷 기업 페이스북은 무인기와 인공위성 등을 이용해 사막과 같은 오지에서도 인터넷을 할 수 있도록 하는 기술을 개발 중인 것으로 알려졌다. 마치 무인기가 와이파이 공유기와 같은 역할을 하는 것이다.

■ 가장 공을 들이는 기술은 체공 시간

미래 무인기 개발에 가장 공들이는 부분은 연료 문제 해결이다. 고고도(高高度, 지상 7,000에서 10,000m쯤의 높이) 첨단 무인기의 활동 고도는 성층권이기 때문에 산소가 희박해 연료 효율이 떨어진다. 중저고도 무인기도 임무를 지속하기 위해서는 얼마나 오래 떠있을 수 있느냐가 관건이다.

수소 연료 전지가 우선 대안으로 떠오르고 있다. 미국 보잉 사의 ‘팬텀 아이(Phantom Eye)’나 에어로바이론먼트(AeroVironment) 사의 ‘글로벌 옵서버(Global Observer)’가 모두 수소 연료 전지 모터를 사용해 4일 이상 떠 있을 수 있지만 아직 작전 수행 능력은 물음표다. 영국 방위 산업체 키네틱 사의 무인기 ‘제퍼(Zephyr)’가 지난 2010년 7월 14일 21분 연속 비행한 기록을 가지고 있다.

때문에 태양 전지를 날개에 달아 태양열 에너지를 이용하는 무인기도 나왔다. 미국 에어로바이론먼트 사의 ‘헬리오스(Helios)’다. 떠있는 상태에서 연료를 채우는 공중 급유 무인기도 경쟁적으로 개발되고 있다.

궁극적으로는 조종하는 사람의 의중까지 읽을 수 있는 ‘인공지능’ 무인기가 2030년대에 나올 것으로 예상된다. 미국 고등방위연구계획국(DARPA)은 무인기끼리 서로 통신하며 편대 비행 임무를 수행할 수 있는 인공 지능 무인기 개발 로드맵을 세워놓았다.

우리나라의 무인기 기술은 아직 걸음마 수준이다. 한국항공우주연구원 스마트무인기사업단을 중심으로 수직 이착륙과 고속 비행이 가능한 무인기 개발에 성공했고, 현재 저중고도(6~18km)에서 운용하는 무인 정찰기와 타격기 개발을 검토하는 것으로 알려졌다.

글 : 김민수 과학칼럼니스트

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[이달의 역사]태양전지, 우주로 날아간 까닭

“그것이 정말로 올라갔습니다!”

냉전이 한창이던 1957년 10월 4일 금요일 밤, 미국 워싱턴에 있는 소련 대사관에 여러 나라의 과학자들이 모여 화기애애하게 파티를 즐기고 있었다. ‘국제지구관측의 해’를 기념하기 위해 개최된 ‘로켓과 인공위성’이라는 학술세미나의 뒤풀이격 행사였던 터라 모처럼 동서 양 진영의 과학자들이 마음껏 의견을 나누고 있었다.

한편 파티장 한쪽에서는 전혀 다른 장면이 펼쳐지고 있었다. 뉴욕타임스의 월터 설리번 기자는 회사로부터 “러시아가 인류 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호를 발사했다고 한다. 소련 타스 통신으로부터 타전된 소식이니 빨리 확인해보라”는 긴급한 전화를 받았다. 설리번은 파티장으로 뛰어 들어가 소련의 인공위성이 우주로 올라갔다고 알렸고 미국 과학자들은 아연실색했다. 파티를 즐기는 동안 스푸트니크는 그들의 머리 위를 벌써 두 번이나 지나치고 있었다. 미국에게는 모처럼 겪은 대굴욕, 소련에게는 기가 막힌 한 방이었다. 그리고 우주시대가 시작됐다.

당시 미국은 해군이 독자 개발하던 뱅가드 로켓에 뱅가드 1호 위성을 실어 1958년까지 쏘아 올린다는 계획을 가지고 있었다. 하지만 소련의 스푸트니크로 체면을 구긴 미국은 계획을 일 년 앞당기려 했다. 결과는 실패의 연속이었다. 두 번의 실패 이후 로켓 개발의 중심은 육군의 베르너 폰 브라운 팀으로 넘어갔다. 브라운은 1958년 1월 31일, 익스플로러 1호를 성공적으로 발사하면서 기대에 부응했다. .


[그림]최초로 태양전지가 탑재된 인공위성 뱅가드 1호.
사진 출처 : NASA
뱅가드 1호는 미국 최초, 어쩌면 인류 최초가 될 수도 있었지만 결국 두 번째 미국의 인공위성으로 만족해야만 했다. 그러나 태양전지 분야에서는 선봉이라는 이름값을 제대로 했다. 바로 최초로 태양전지를 실용화한 사례였던 것이다.

20세기 초반, 태양광 발전은 SF 분야에서는 유행과도 같았다. 아서 클라크는 1945년 발표한 작품에서 이미 태양광으로 전기를 얻는 우주정거장을 묘사했다. 1954년, 미국 벨연구소에서 실리콘 기판을 기반으로 한 태양전지 시제품을 발표하면서 클라크의 꿈은 현실화됐다.

태양광발전의 엄청난 가능성은 곧 미 육국 통신대 사령관인 제임스 오코넬의 관심을 끌었다. 미 육군의 통신대는 부대간 통신 뿐 아니라 전 육군의 운영에 필요한 전력을 공급하는 막중한 책임도 떠안고 있었다. 게다가 당시 극비리에 추진되던 우주개발계획은 통신대의 커다란 고민거리였다. 우주로 쏘아 올릴 첨단 기계장치에 어떻게 전기를 공급할 것인가라는 난제를 해결해야 했기 때문이다. 오코넬은 통신대에서 전력공급장치에 대한 연구를 이끌고 있던 한스 지글러 박사에게 태양전지에 대해 알려주고 실용화가 가능하겠는지 알아보도록 요청했다.

지글러 박사는 벨연구소를 방문해 태양전지를 직접 보자마자 이 새로운 기술에 빠져들었다. 하지만 태양전지는 태양빛이 비출 때만 작동했기 때문에 밤에는 무용지물이었다. 게다가 전력 효율도 형편없었다. 벨연구소가 개발한 초기 태양전지는 에너지 효율이 4%에 불과했기 때문이다.

그러나 우주에서는 사정이 달라진다. 대기에 의한 에너지 손실도 없을 뿐 아니라 지구 뒤편의 그늘에 들어가지 않는 이상, 태양전지판의 방향과 위치를 조절하는 것만으로 하루 종일 최대 효율로 전기를 생산할 수 있다. 무엇보다 큰 매력은 발사중량을 크게 줄이면서도 오랜 기간의 작동을 보장할 수 있다는 점이었다.

지글러 박사는 당장 통신대의 일상 업무에 적용할 수는 없겠지만 인공위성용 에너지원으로는 태양전지가 가장 훌륭한 해결방안이라는 결론을 내렸다. 보고를 받은 오코넬은 이를 곧 육군의 로켓개발계획, ‘런치박스 계획’에 적용시키기로 했지만 중요한 변수가 생겼다. 육군이 아닌 해군이 미국 최초의 로켓을 발사하기로 결정된 것이다.

당시 미국의 로켓 개발 계획은 육해공군이 서로 자신만의 방식으로 추진하느라 자원이나 인력 낭비가 심한 편이었다. 아이젠하워 대통령은 스푸트니크 쇼크 이후 문제의 심각성을 깨닫고 교통정리하기로 결심한다. 그 결과 선정된 미국 최초의 인공위성 발사의 주역이 해군의 뱅가드 프로젝트였다. 육군과 달리 해군은 태양전지에 별 관심이 없었다. 지글러는 당장 해군으로 쫓아가서 태양전지를 인공위성에 도입해야 한다고 주장했지만 아진 미완성이고 안정성도 검증되지 않았다는 이유로 그의 의견을 일축했다.

지글러는 포기하지 않고 저명한 과학자들을 설득해 자신의 편으로 끌어들였다. 육군 소속인 지글러의 발언과 민간 과학자들의 발언은 파괴력이 달랐다. 과학자들은 곧 여론을 움직였으며 여론은 다시 육군 통신대가 인공위성에 부착할 태양전지 시스템 개발을 담당하게 하도록 해군에 압력을 넣었다. 결국 해군은 여론에 밀려 뱅가드 위성의 전원을 태양전지로 결정하고 이를 육군 통신대에 맡겼다.

육군 통신대는 곧 벨연구소에서 라이센스를 얻어 태양전지를 생산하던 호프만 전자회사와 접촉했다. 육군 통신대가 세부 사양을 정하면 이에 따라 호프만 전자회가가 제작하는 방식이었다. 길이가 고작 1cm도 되지 않는 태양전지판이었지만 여러 장 모으자 위성을 움직일 정도의 전력을 얻을 수 있었다. 이들을 한데 모아 충격이나 대기와의 마찰로부터 보호하기 위해 강화유리로 보호한 케이스에 넣어 실제 위성에 부착할 태양전지 모듈을 완성할 수 있었다.

문제는 신뢰성이었다. 우주 환경에서 제대로 작동할 수 있을지 보장할 수 없었을 뿐 아니라 발사시의 충격이나 고온에 견딜 수 있는지도 문제였다. 이를 확인하기 위해 두 대의 미사일 탄두부분에 태양전지 모듈을 부착하고 발사하는 실험을 진행해 성공 했지만 해군은 여전히 미심쩍다는 입장이었다.

도움의 손길은 전혀 엉뚱한 곳에서 튀어나왔다. 스푸트니크 쇼크 이후 미국은 더 이상 늑장부릴 처지가 아니었다. 제대로 체면을 구긴 미국으로서는 하루라도 빨리 위성을 발사해서 ‘우리가 소련과 그렇게 많이 차이나는 것도 아니거든?’이라는 메시지를 전할 필요가 있었다. 자연히 뱅가드 프로젝트에도 비상이 걸렸다. 최초 계획됐던 기능들이 대거 빠졌으며 그저 위성이 제대로 살아있음을 알리는 송신장치만 부착하는 것으로 변경됐다.

이는 육군 통신대에게 더 없이 좋은 기회가 됐다. 당초 싣기로 했던 장치들이 대거 취소되자 로켓의 중량에 제법 여유가 생긴 것이다. 인공위성에 슬쩍 태양전지 모듈 몇 개를 끼워 넣는다 해도 해군의 양보를 쉽게 얻을 수 있을 것 같았다.

몇 차례의 난항 끝에 1958년 3월 17일, 마침내 뱅가드 1호가 발사됐다. 해군은 결국 태양전지 모듈에 자리 한 켠을 내주었다. 태양전지를 신뢰해서는 아니었지만, 발사 후 어느 정도 시간이 지났을 때 해군은 생각을 고쳐먹었다. 발사 19일 후 뉴욕타임스의 헤드라인은 “화학전지는 지금쯤 고갈됐겠지만 태양전지는 여전히 작동하고 있다”였다.

뱅가드 1호의 태양전지는 당시 생각했던 것보다 훨씬 거대한 성과였다. 화학전지를 탑재했었다면 고작 몇 주 만에 작동을 멈췄을 인공위성이 몇 달, 몇 년 씩이나 쌩쌩하게 작동했던 것이다. 현재까지도 태양전지만큼 우주공간에서 오랜 시간 전력을 공급하는 전원장치는 없다. 태양전지가 없었다면 거대한 국제우주정거장을 움직이는 것은 물론이고, GPS장치나 위성통신도 이용하지 못했을 것이다. 어찌어찌 이용한다 하더라도 몇 달마다 한 번씩 위성을 쏘아 올리거나 수시로 우주왕복선을 올려 보내 전원을 교체하는 등 꽤나 번거로워졌을 것이다.

클라크와 지글러는 태양전지가 집과 건물을 뒤덮어 생활에 필요한 전원을 공급하는 상상을 했지만, 이제는 그 수준을 넘어 옷에 태양전지를 부착해 이동하면서도 언제든 전기를 사용할 수 있는 기술이 실용화를 앞두고 있다. 하늘에서 우주시대를 연 태양전지는 이제 땅에서 모바일시대를 열 날만을 기다리고 있다. 지글러의 확고한 믿음과 스푸트니크의 예상치 못한 도움이 아니었다면, 아마 모바일 태양전지도 몇 년은 늦어졌을지 모른다. 태양전지는 의도치 않은 계기로 우주에서 자신을 증명하고 땅으로 내려온 셈이다.

 

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[FUTURE] 신재생에너지, 준비하는 만큼 돈 번다!

 

2013년 KISTI의 과학향기에서는 올 한 해 동안 매월 1편씩 [FUTURE]라는 주제로 미래기술을 소개하는 코너를 마련했습니다. 칼럼에서 언급된 미래기술은 KISTI에서 발간한 <미래기술백서 2013>의 자료를 토대로 실제 개발 중이며 10년 이내에 실현 가능한 미래기술들을 선정한 것입니다.
미래기술이 상용화 된 10년 이후 우리의 생활이 어떨지, 또 이 기술들로 인해 우리 사회가 어떻게 변할지를 이야기로 꾸며 매월 셋째 주 월요일에 서비스할 예정입니다. 과학향기 독자 분들의 많은 관심 부탁드립니다.



2023년, 10월 각 기업의 경영전략실은 비상이 걸렸다. 10월로 예정돼 있는 탄감에 대비해야하기 때문이다. 탄감이란 정부에서 탄소를 배출하는 기업들에 대해 대대적으로 실시하는 감사를 말한다. 여기서 탄소 배출 기준을 지키지 못한 기업은 막대한 벌금을 물거나 영업정지 같은 엄격한 제재를 당하므로 기업들이 바짝 긴장하지 않을 수 없다.

우리나라는 2012년 5월 ‘온실가스 배출권 거래 및 할당에 관한 법률안’이 국회에서 통과돼 2015년부터 기업별로 온실가스 배출 허용량을 정한 뒤, 이를 초과한 기업은 초과한 양만큼 배출권을 사야 한다. 반대로 할당량보다 온실가스를 덜 발생시킨 기업은 그만큼 배출권을 팔 수 있다.

철강회사 (주)만만디 경영전략실의 최미적 부장은 요즘 좌불안석이다. 하루 종일 전자계산기를 두드려 보지만 답이 보이지 않는다. (주)만만디는 값싼 철광석을 수입․가공해 부가가치가 높은 제철, 제강 제품을 만들어 전 세계에 수출하는 기업으로, 창사 이래 한 번도 불황을 겪어보지 않은 내실이 튼튼한 기업이었다. 그런데 몇 년 전부터 상황이 녹록치 않다. 온실가스 배출권을 너무 쉽게 보고 별 준비를 하지 않았는데 그게 부메랑이 되어 돌아온 것이다.

철광석을 녹이는 데는 엄청난 화석에너지가 들어간다. (주)만만디는 정부가 정한 온실가스 배출 허용량을 매년 초과해서 쓰고 모자란 것은 다른 기업들로부터 구입해서 써왔다. 그런데 몇 년 전부터 온실가스 배출권을 팔려는 기업들이 사라졌다. 자기들 쓰기에도 모자라는 상황이 된 것이다. 그렇게 되자 온실가스 배출권 값이 천정부지로 뛰어올라 (주)만만디 영업이익은 몇 년째 가파르게 떨어지고 있다. 최 부장은 왜 미리 이런 사태를 예측하지 못했는지 땅을 치며 후회해 보지만 이미 때는 늦었다.

건설자재를 제조하는 중견기업 (주)미리미리의 경영전략실 신미리 부장은 콧노래가 절로 난다. 이런 사태를 예상하고 틈틈이 신재생에너지로 대체해 왔기 때문이다. 건설자재를 만드는데도 석탄, 석유 등 많은 화석에너지가 필요하다. 그렇다고 한꺼번에 신재생에너지로 대체할 수는 없다. 처음 설치비가 많이 들기 때문이다.



신재생에너지란 액화석탄, 수소에너지 등‘신에너지’와 동식물의 유기물, 햇빛, 바람, 물, 지열 등을 이용한 ‘재생 가능한 에너지’를 통합해 지칭하는 말이다. 우리나라에서는 8개 분야의 재생에너지(태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력(산간벽지의 작은 하천이나 폭포수의 낙차를 이용한 발전), 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 3개 분야의 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지)를 신재생에너지로 규정하고 있다.

신 부장이 주목한 것은 첫 번째로 투명 태양전지¹⁾였다. 투명 태양전지를 건물의 유리창에 설치하면 유해한 자외선을 차단하는것은 물론 전기까지 생산할 수 있다. 두 번째는 태양광으로 물을 분해하는 수소제조기술²⁾, 세 번째는 공중풍력발전기³⁾였다. 이렇듯 태양에너지, 수소에너지, 풍력에너지를 이용해 기업에 필요한 에너지를 충당했으며, 점차 신재생에너지의 비중을 높여왔다.

처음에는 설치비가 비싸고 효율이 낮다고 반대하는 목소리가 많았지만 현재는 회사 전체 에너지 비용을 아끼는 것은 물론, 남는 온실가스 배출권을 고가에 팔아 높은 수익을 거두고 있다. 이런 성과로 (주)미리미리는 올해 신 부장에게 임직원들의 최고 영예인 ‘미리미리 대상’을 수여했다. 내년 임원 승진도 따 놓은 당상이다.

공로상 수상 소감으로 신 부장은 “이런 큰 상을 받을지 꿈에도 생각 못했다. 단지 지구온난화로 병들어 가는 지구를 살리기 위해 나부터 동참해야겠다는 작은 꿈을 실천한 것뿐이다.”고 말했다.

한 사람의 작은 실천이 회사도 살리고, 지구도 살림 셈이다.

글 : 정영훈 과학칼럼니스트

[각주-미래 기술]

1) 투명 태양전지는 건물의 유리창 등에 설치하여 유해한 자외선을 차단하면서 전기까지 생산할 수 있는 투명 태양전지로서 빛에 반응하는 염료 분자와 티타늄 산화물을 이용해 만드는 것으로, 입사각이나 온도가 변화해도 효율에 미치는 영향이 실리콘 태양전지보다 훨씬 덜 민감하여 효율성을 유지할 수 있다. 국내에서는 삼성SDI와 KAIST가 공동으로 건물 일체형 투명 태양전지를 개발․발표하였다. 기술 예상 실현 시기 1~2년 후.

2) 태양광으로 물을 분해하는 수소제조기술 : 태양광을 에너지원으로, 물을 원료로 수소를 생산하는 기술로 태양전지를 이용하여 전기를 생산한 후 물의 전기 분해를 통해 수소를 생산한다. 이 기술로 인해 수소에너지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예상. 기술 예상 실현 시기 5~6년 후.

3) 공중풍력발전기 : 원통 모양의 내부에 다른 기체보다 가벼운 헬륨가스를 채운 후 하늘에 띄워, 중심에선 바람의 힘으로 돌아가는 프로펠러가 전기를 생산하여 헬륨 튜브를 묶은 선을 통해 땅으로 전달하는 공중풍력발전기. 지상의 풍력발전시스템보다 더 큰 에너지를 얻을 수 있으며 또한 하늘에 떠있기 때문에 자연경관도 손상시키지 않고 소음도 거의 없을 것으로 기대된다. 기술 예상 실현 시기 3~4년 후.

참고 : <KISTI 미래백서 2013>
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자연이 준 선물, 인공광합성

오늘날 인류가 직면한 가장 큰 문제점으로 지구온난화와 화석 연료의 고갈을 꼽을 수 있다. 때문에 이를 해결하기 위해 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 배출하지 않고 무제한으로 존재하는 태양 에너지를 이용하려는 노력이 세계적으로 이뤄지고 있다.

이러한 가운데 필자가 포함된 KAIST 신소재공학과 박찬범 교수팀이 효소반응과 태양전지 기술을 접목해 자연계의 광합성을 모방한 인공광합성 시스템 개발에 성공했다. 이 기술은 정밀화학 물질들을 태양에너지를 이용해 생산해 내는 ‘친환경 녹색생물공정’ 개발의 중요한 전기가 될 전망이다.

인공광합성이 모방한 자연광합성, 그 원리는 무엇일까?
지구상의 모든 생물은 생존을 위해 에너지를 필요로 한다. 먹이사슬의 상위단계에 있는 개체는 하위단계의 개체로부터 에너지를 얻는다. 식물은 먹이사슬의 가장 아래에 있지만 지구상에서 스스로 에너지를 생산할 수 있는 유일한 생물이다. 식물은 태양빛을 이용해 물과 이산화탄소로부터 생물의 에너지원인 탄수화물을 생산한다. 이것이 우리가 알고 있는 ‘광합성’ 과정이다. 따라서 광합성은 지구상의 모든 생명현상 중에서도 가장 경이롭고 중요한 현상이다. 그렇다면 식물은 어떻게 광합성을 할 수 있을까?

광합성은 크게 명반응과 암반응으로 구성돼 있다. 명반응은 엽록소와 효소 등으로 이루어진 엽록체에서 일어난다. 엽록소는 태양빛을 흡수하면 에너지적으로 들뜬 상태가 된다. 이 들뜬 에너지는 주변으로 높은 에너지의 전자를 전달해 일련의 화학반응을 일으키게 한다. 이러한 화학반응을 통해 식물은 물을 분해해 산소를 생성한다. 뿐만 아니라 다양한 화학반응의 에너지원인 ATP와 NAD(P)H를 만들게 된다. 이렇게 생성된 ATP와 NADPH는 암반응 과정(캘빈회로, calvin cycle)을 통해 이산화탄소로부터 탄수화물을 합성하는데 이용된다.


[그림 1] 자연광합성과 염료감응 태양전지의 유사성을 이용해 개발한 인공광합성 기술

모방은 창조의 어머니 - 효소반응을 이용한 인공광합성
박찬범 교수팀이 개발한 인공광합성 기술은 태양전지 기술을 이용해 NAD(P)+로부터 NAD(P)H를 재생시키는 자연광합성의 명반응을 모방했다. 또 암반응 과정을 산화환원효소로 대체해 효소반응을 이용했다. 효소는 단백질로 이루어진 생체촉매를 일컫는 말로, 기존에 산업적으로 사용되는 촉매와는 달리 상온, 상압, 중성 pH의 온화한 조건하에서 부산물의 생성 없이 특정 화학물질만 선택적으로 합성할 수 있다는 장점이 있다.

다양한 효소 중에서 산화환원 효소는 특히 기존의 촉매로는 거의 불가능한 광학이성질체나 신약원료물질의 합성이 가능해 정밀화학물질이나 신약 산업으로 활용할 수 있을 것으로 기대돼 왔다. 일례로 산화환원효소를 이용하면 당뇨병 치료제나 에이즈 치료제의 원료물질 등을 생산할 수 있다. 그러나 산화환원효소를 실제 산업적으로 활용한 예는 극히 드문 실정이다. 이는 산화환원효소의 촉매반응이 NAD(P)H와 같이 1g당 수백만 원을 호가하는 고가의 보조인자를 소모하기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 KAIST 연구팀은 NAD(P)+로부터 NADPH를 재생하는 자연광합성의 명반응과 염료감응 태양전지의 유사성에 주목했다[그림1]. 광합성에서는 엽록소가 가시광선을 흡수해 들뜬 상태가 되면 고에너지의 전자를 주변에 전달해 NAD(P)+로부터 NADPH를 재생한다.

이와 유사하게 염료감응 태양전지에서는 황화카드뮴(CdS) 양자점과 같은 염료가 가시광선을 흡수해 들뜬 상태가 되면 고에너지의 전자를 주변의 산화티타늄(TiO2)에 전달해 전기를 생산하게 된다. 연구팀은 이러한 유사성에 착안, 염료감응 태양전지를 이용해 전기를 생산하는 대신에 NAD(P)+로부터 NAD(P)H를 재생하는데 성공했다. 더 나아가 재생된 NAD(P)H를 산화환원효소 반응과 연결시켜 고부가가치의 정밀 화학물질을 생산하는 ‘인공광합성’ 기술을 개발해냈다.

이렇듯 인공광합성 기술은 염료감응 태양전지 기술을 이용해 자연광합성 기술을 모방했다는 점이다. 재밌는 사실은 염료감응 태양전지 기술 역시 자연현상을 모방해 개발된 기술이라는 점이다. 결국 모방을 통해 새로운 기술을 개발하고 발전시킬 수 있었다. ‘모방은 창조의 어머니’다.

이 인공광합성 기술을 실제 산업에 적용하기 위해서는 광반응 효율성 향상, 생체물질인 효소의 안정성 향상 등 해결해야 할 문제가 아직 남아있다. 하지만 무한 에너지원인 태양광을 이용해 신약원료물질, 광학이성질체와 같은 고부가가치의 정밀화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있다는 점에서 그 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다.

전 세계적으로 인공광합성 연구 ‘열풍’
인공광합성 기술 개발은 국내뿐 아니라 전 세계적으로도 활발히 진행되고 있다. 미국은 2010년부터 5년간 1억 달러 이상을 캘리포니아 공과대학, 버클리대, MIT의 우수연구자로 구성된 인공광합성 연구센터에 지원한다. 우리나라도 2009년부터 10년간 정부지원금 500억 원을 서강대 인공광합성 연구센터에 지원하고 있다. 이들 연구센터는 빛에너지를 이용해 물과 이산화탄소로부터 수소와 메탄올과 같은 청정연료를 생산하는 연구를 진행하고 있다. 머지않아 세계 곳곳에서 인공광합성을 통한 청정에너지를 사용하기 시작했다는 소식이 들려오길 기대해본다.

글 : 류정기 KAIST 신소재공학과 박사후 연구원
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‘곶감 꼬치에서 곶감 빼 먹듯’이라는 속담이 있다. 애써 알뜰히 모은 재산을 조금씩 헐어 쓰는 것을 비유적으로 이르는 말이다. 오늘날 에너지와 우리의 관계를 일컫는 말이 아닌가 싶다. 석유를 비롯한 천연자원은 갈수록 고갈되고 있고, 이제 인류는 대체에너지 개발이 절실하다. 마지막 곶감이 없어지기 전에 얼른 다른 감을 말려 곶감으로 만들어야 하는 것이다.

현재 전 세계에서 대체에너지 개발을 활발히 추진하고 있다. 세계 여러 국가에서는 에너지 자급을 위해 태양에너지를 이용한 친환경주택을 건설하려는 계획이 적극적으로 진행 중이다. 예를 들면 캐나다에서는 1,000채의 친환경주택을 건설하고 있고, 영국은 이산화탄소 배출을 대폭 감축하기 위해 태양에너지를 이용하는 주택을 건설할 계획이다.

사람들은 일반적으로 태양에너지에 대해 하나의 발전 방법만을 생각하는 경우가 많지만, 태양에너지를 이용한 기술 방법은 여러 가지가 있다. 크게 분류하자면 태양의 열을 모아서 열기관에 의하여 전력으로 변환하는 태양열 발전과, 태양의 광이 태양전지에 비춰질 때 발생하는 반응을 이용한 태양광 발전으로 나눌 수 있다.

태양열 발전은 태양의 빛을 집열판에 모으고, 모아진 높은 온도를 이용해 그 밑을 지나가는 물을 데우는 방식이다. 이 온도는 수백도를 넘을 정도이기 때문에 물을 수증기로 만든다. 뜨거운 수증기를 이용해 일종의 모터인 터빈을 돌려 전기를 발생시킨다. 태양열 발전으로 전기를 발생시키는 것 외에 물을 데우는 데 쓰기도 한다. 데워진 물을 온수 탱크에 보관하였다가 그 물을 가정 온수용으로 사용하는 것이다. 현재 많은 주택에서 이러한 방식을 사용하고 있다.

태양광 발전에 핵심이 되는 태양전지의 주된 재료는 실리콘이다. 실리콘이 빛을 받으면 p-n 접합층이 반응하고, 여기에서 전기가 발생한다. 이때 발생되는 전기는 대부분 출력이 작기 때문에 대부분 태양전지를 여러장 붙이는 방법을 쓴다. 태양광을 이용한 발전은 일조량이 적은 경우 발전이 거의 되지 않으므로 일반 전력과 병행해서 쓰기도 한다.

태양전지에서 나오는 전압과 전류가 일정하지 않고 태양광 발전을 통해 발생되는 전기는 DC(직류전원)이기 때문에 변환장치를 이용하여 가정에서 사용하는 AC(교류전원)로 변환시킨다. DC/DC 컨버터를 써서 DC 출력을 일정전압으로 유지하게 한 후 DC/AC 인버터를 사용하여 교류 전원으로 바꿔주는 것이다.

태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘, 화합물반도체와 같은 무기소재로 이루어진 무기물 태양전지와 유기물질을 포함하고 있는 유기물태양전지(유기물태양전지는 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell) 와 유기폴리머(organic polymer) 태양전지를 포함)로 나눌 수 있다.

태양전지를 구성하는 물질에 따른 분류 외에 태양전지 구조에 따른 분류를 할 수 있는데, 이 경우 태양전지는 크게 웨이퍼구조(벌크 실리콘 태양전지), 박막구조(화합물, 실리콘 박막 및 유기 폴리머 태양전지 등) 그리고 광전기 화학구조(염료감응 태양전지) 3가지로 분류될 수 있다. 특히 연구계 및 산업계의 비상한 관심을 모으고 있는 염료감응 태양전지는 나노소재를 이용하여 극대화된 표면적을 갖는 필름의 표면에 광흡수층인 유기염료를 흡착하는 기술을 이용하고 있다. 연료감응 태양전지는 에너지 변환 효율이 비정질 실리콘 태양전지에 버금갈 정도로 높고 제조단가가 매우 저렴하다.

염료감응 태양전지의 원리는 다음과 같다. 염료감응 태양전지의 표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n-형 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노입자 간 계면을 통하여 투명 전도성 막으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다. 염료 분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성된다.

염료감응 태양전지는 가시광선 일부를 투과할 수 있는 나노크기의 산화물과 서로 다른 색을 나타낼 수 있는 염료를 사용하기에 투명컬러 특성을 구현할 수 있다. 최근 KIST에서 제작한 투명 컬러 태양전지는 유리창호 등에 응용하여 전기를 생산하는 신기능 창문으로 활용할 수 있다.



염료감응 태양전지는 셀 변환 효율이 10~11%로서 사업화가 가능한 기술이다. 2008년 4월 염료감응 태양전지 원천특허 시효가 만료되어 현재 전 세계적으로 상용화에 대한 전략을 모색하고 있다. 상용화를 위해서는 대면적의 모듈기술에 대한 연구가 더 진행되어야 한다. 또한 셀을 구성하는 물질의 장기안정성은 단위 셀에서 검정 된 바 있지만, 모듈 관련한 내구성 연구가 좀 더 진행되어야 할 것이다. 특히 실제 환경에 적응하기 위해서는 온도뿐만 아니라, 비와 습도와 같은 환경 테스트도 진행되어야 한다.

단위 전지에 대한 장기안정성은 표준조건(조명받을 때 60℃, 어둠일 때 80℃)에서 내구성 테스트를 한 결과 북유럽 조건에서는 약 32년, 남유럽 또는 호주 시드니와 같은 지역의 조건에서는 18년 정도의 장기 안정성이 있는 것으로 확인된 바 있다. 따라서 모듈에서도 장기안정성이 가능한 것으로 예상되고 있다.

기존의 태양전지가 불투명해서 옥상 등에 쓰였던 반면, 염료감응 태양전지는 투명 컬러 특성이 있기 때문에 유리창호, 선루프 등에 사용될 수 있는 기술이다. 이러한 식으로 우리 생활에서 에너지 자급 기술을 하나씩 확보해 가다 보면 언젠가 모든 대체에너지를 자연으로부터 얻을 수 있지 않을까. 예컨대 연료감응 태양전지 선루프로 지붕 전체를 덮는 차와 연료감응 태양전지 유리창호만으로 만들어진 유리집처럼 말이다.

글 : 박남규 박사(KIST 태양전지연구센터장)


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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