고분자과학과 기술 제 22 권 2 호 2011년 4월 173 연구자들은 이산화나노튜브와 DNA를 사용함으로써 식물에 존재하는 자연 광합성 시스템과 같은 자가회복을 위해 설계된 새로운 형태의 태양 전지를 만들고 있다. 이러한 연구의 목적은 태양전지의 수명을 늘이고 비용을 감소시키는데 있다. 이와 관련하여 퍼듀대학교 기계공학 조교수인 최 종현 교수는 다음과 같이 말하고 있다. “우리는 전력으로 변환이 가능한 태양에너지를 생산하기 위해 광학용 나노재료를 사용함으로써 인공적인 광 합성시스템을 만들었다.” 본 연구의 설계는 단중벽 탄소나노튜브라 불리우는 구조의 특별한 전기적 특성을 활용하였다. 연구진들은 단중벽 탄소나노 튜브를 “빛을 생산하는 전지 내부의 분자선”으로 사용하였다고 최교수는 말하였다. 최교수의 연구진은 퍼듀의 디스커버리 파크에 위치한 Birck 나 노기술 및 Bindley 생명과학 센터에 그 기반을 두고 있다. 이와 관련하여 최교수는 다음과 같이 말하였다. “나는 우리들의 연구 접근방식이 산업화를 약속해줄 수 있다고 생각한다. 하지만, 우리는 아직 기초단계에 머물러 있는 상태이다. 좀 더 연구가 추가적으로 진행되어야 할 것이다.” 광전화학 전 지들은 햇빛을 전기로 변환할 수 있다. 그리고 전자를 전이시키고 현재의 상태를 만들기 위해 전해질을 사용한다. 광전화학 전지들은 발색단이라 불 리우는 빛을 흡수하는 염료를 포함하고 있다. 발색단(發色團)이란 햇빛에 노출됨으로 해서 에너지 분해 발생시키는 엽록소와 같은 분자들이다.
“전통적인 광전화학 전지들의 단점이 바로 이러한 분해작용이다.” 광으로 분해 손실을 입는 염료를 새로운 것으로 지속적으로 대체함으로 해서 이러한 문제를 해결할 수 있으며 자기복구는 매시간 식물에서 일어나는 것과 같다.
최교수의 발견은 새로운 발색단이 추가되어지는 데 걸리는 시간만큼 긴 시간동안 무기한으로 자신들의 최고 능력치로 운영이 가능한 혁신적인 형 태의 광전화학 전지 개발을 가능하게 만들어주었다. 이 발견은 지난 11월 밴쿠버에서 개최된 국제기계공학학회 및 전시회가 열리는 동안 발표 하였다. 그들의 연구는 온라인 사이트 기사에서도 정확하게 밝히고 있으며, 광전화학 관련 국제커뮤니티인 SPIE 웹사이트에도 자세하게 설명하 고 있다. 이 연구결과의 발표와 기사는 최교수와 그의 박사과정 학생인 Benjamin A. Baker와 차태권 학생, 그리고 학부학생인 M. Dane Sauf- fer와 Yujun Wu 학생에 의해 이루어졌다. 탄소나노튜브는 DNA 성분을 단단히 묶어둘 수 있는 플랫폼(platform)으로써 기능을 한다. DNA(뉴클 레오티드)는 특별한 배열의 building block을 가지기 위해 처리된다. 그로 인해 발색단을 인지하고 이를 부착할 수 있게 만든다. 즉, 뉴클레오티드 에 발색단을 부착할 수 있는 것이다. 이와 관련하여 최교수는 “DNA는 염료분자들을 구분할 수 있다. 그리고 나서 이러한 시스템들은 자연적으 로 재조립을 하게 된다.”라고 하였다. 발색단들이 대체되어질 준비를 할 때, 그것들은 화학적인 과정을 활용함으로써 또는 서로 다른 뉴클레오티 드 배열을 가진 새로운 DNA 성분을 추가함으로써 제거될 것이다. 이러한 과정을 통해 손상된 염료분자들이 사라지게 될 것이다. 그리고 나서 새 발색단들이 새롭게 추가(대체)될 것이다. 두 요소들은 자연에서의 자기복구(자가치료) 메카니즘을 복제하기 위한 새로운 기술을 위해 매우 중요 하다. 이 시스템은 분자 인지 및 열역학적 안정성 또는 지속적으로 분해되어지고 재조립될 수 있는 능력을 보여준다. 본 연구는 최교수의 주도하에 MIT(Massachusetts Institute of Technology)와 일리노이 대학교(University of Illinois) 연구자들이 공동 연구하였다. 초기 연구에서는 박테 리아를 활용한 생물학적 발색단들을 사용하였으며, 연구결과는 Nature Chemistry(Nature Chemistry, 2, 929 (2010))지 11월 판에 게재되었다.
하지만, 자연적인 발색단을 사용하는 것은 이와는 완전 다르다. 그리고 자연적인 발색단들은 박테리아로부터 경작되어야 하고 분리되어야 한 다. 그리고 이 과정을 산업적 규모로 재현하기 위해 확대시켜야만 한다. 이는 매우 어려운 작업이며, 그 때문에 최교수의 연구는 그만큼의 의의가 있는 것이다.
본 내용은 국가과학기술정보센터(NDSL)의 글로벌동향브리핑(GTB)에서 발췌, 정리하였습니다.
<키워드：광합성 시스템, 자기회복(자가치료), 탄소 나노튜브, 광전화학 전지, 발색단>
<출처：http://www.sciencedaily.com/releases/2011/01/110104133909.htm>
<부경대학교 고분자공학과 김주현, e-mail: jkim@pknu.ac.kr>
TOPICS
자가치료가 가능한 새로운 태양전지
