태양광을 활용하는 것은 깨끗한 발전 방식 중 하나다. 다만, 명백한 약점이 있다. 해가 지면 태양광 패널이 무용지물이 되고 만다. 이 문제를 해결하기 위한 여러 노력이 최근 빛을 발휘해, 낮에 저장한 태양 에너지를 밤에도 활용하는 방법이 고안됐다.
중국 쿤밍대학교 양밍 교수 연구팀은 최근 실험 보고서를 내고 목재의 내부 구조를 재설계, 흡수한 햇빛을 열로 저장하는 다공성 스펀지로 바꾸는 데 성공했다고 전했다. 이 인공 소재를 사용하면 해가 진 뒤에도 태양 에너지로 전기를 생산할 수 있다는 게 연구팀 설명이다. 해당 성과는 3월 말 국제 학술지 Advanced Energy Materials에 먼저 소개됐다.
현재로서는 어두운 곳에서 태양광 발전을 할 방법이 없다. 태양열 에너지를 일몰 후에도 활용할 수 있도록 지금까지 여러 실험이 실시됐고 가장 일반적인 해결책은 축전지로 통했다. 낮에 생산한 에너지를 대규모 배터리에 저장하고, 밤에 방출하는 구조인데 용량의 한계가 있고 비용 문제도 과제였다.
연구팀은 가볍고 부드러우며 가공이 쉬운 천연 다공성 구조를 가진 발사(Balsa)에 주목했다. 아욱과 상록식물 발사나무를 가공한 소재는 친환경일 뿐만 아니라 열 차단능력도 뛰어나 에너지 저장 시스템으로 이상적이라고 연구팀은 강조했다.
양밍 교수는 “살아있는 나무는 햇빛을 반사하고 수분을 흡수해 버린다. 따라서 먼저 나무를 단단히 직립하게 만드는 복합적 분자 리그닌을 제거했다”며 “이렇게 하면 목재의 다공성이 향상돼 빛을 보다 효율적으로 흡수할 수 있다”고 말했다.
연구팀은 목재의 내부 재질을 화학적으로 바꾸고, 관다발 벽면을 초박형 흑린(검은 인, black phosphorus) 시트로 코팅했다. 인은 폭넓은 파장의 빛과 상호작용해 높은 전도성을 갖지만 산소와 닿으면 열화한다. 때문에 연구팀은 각 나노시트를 탄닌산과 철 이온으로 이뤄진 보호막으로 감쌌다. 이 막은 산화 방지와 동시에 빛 흡수 효율도 높였다.
이후 연구팀은 목재에 은 나노 입자를 첨가해 태양광과 상호작용을 유도하고 수소와 탄소가 연결된 탄화수소 사슬을 표면에 배치했다. 수소와 탄소가 결합하면 대량의 에너지를 저장하고, 나중에 열로 방출할 수 있다.
실험 결과, 이 탄화수소 사슬 덕에 목재는 접촉각(액체가 고체 표면에서 만드는 각도) 153°라는 높은 발수성을 확보했다. 접촉각이 180°에 가까울수록 발수성이, 0°에 가까울수록 친수성이 높다.
양밍 교수는 “마지막으로 목재 내부의 관다발을 동식물성 포화지방산의 일종인 스테아린산으로 채웠다”며 “스테아린산도 가열 시 태양 에너지를 저장하고, 식으면 이를 방출하는 데 도움이 된다”고 설명했다.
이어 “이렇게 만든 발사 목재는 태양광이 닿으면 스테아린산이 가열되고, 빛이 사라지면 저장된 열을 서서히 방출해 어둠 속에서 발전했다”며 “실험에서는 햇빛의 91.2%를 열로 변환해, 천연 목재에 비해 열전도 효율이 3.9배 올라갔다. 결과적으로 가공된 발사 나무는 1 사이클당 최대 0.65V의 전력을 생산했다”고 덧붙였다.
이 수치는 물론 미미하다. 다만, 어두운 환경에서도 목재를 기반으로 태양광 발전이 가능하다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 또한, 이 목재는 높은 내구성을 가져 가열과 냉각 사이클을 100번 반복해도 성능 저하나 뒤틀림이 없었다.
학계는 이번 성과가 예비 단계라는 점은 인정하면서도 실용화되면 친환경 발전 양상이 바뀔 것으로 기대했다. 연구팀은 발전 효율을 향후 더 높일 방법을 고안할 계획이다.
이윤서 기자 lys@sputnik.kr
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