인공 나뭇잎은 식물의 광합성 기술을 모방해 만들어졌다. 따라서 인공 나뭇잎 기술을 이해하기 위해서는 먼저 식물의 광합성 원리를 알아야 한다. 식물은 뿌리로 흡수한 물을 줄기를 통해 가지와 나뭇잎 등에 보낸다. 이파리까지 퍼진 수분이 햇빛과 만날 때, 식물세포 내 엽록체에서 화학반응이 일어나는데, 이것이 바로 광합성이다. 화학반응의 결과, 산소와 수소이온, 전자 등이 발생한다. 이후 산소는 공기 중으로 배출되어 생명체의 호흡을 돕는 데 쓰이고, 수소이온과 전자는 이산화탄소와 결합해 포도당으로 변환된다. 그 포도당이 식물의 생장에 필요한 영양소가 되는 것이다.

2008년 미국 하버드대학교의 대니얼 노세라 박사는 식물의 광합성 원리를 바탕으로, 태양전지의 양극과 음극에 코발트와 니켈을 사용해 산소와 수소이온 등을 만드는 ‘인공 나뭇잎’ 기술을 개발했다. 현재는 전력 및 수소 생산, 탄소 포집 등의 다양한 목적을 위해 세계 곳곳에서 추가 연구를 진행하고 있다.

우리 연구팀 역시 수소 생산을 위해 연구를 진행 중이다. 수소는 연소 시 물만을 배출하는 청정에너지원이다. 따라서 고품질의 수소를 안정적으로 생산하는 것이 미래 에너지 안보와 기술 혁신, 경제 성장에 중요하지만, 기존에는 화석연료를 기반으로 수소를 생산하는 경우가 많았다. 반면 인공 나뭇잎 기술을 활용할 경우, 태양빛을 흡수하는 반도체 광촉매^❶ 물질만 사용하면 되기 때문에 기존보다 훨씬 깨끗한 방식으로 수소를 생산할 수 있다. 이에 따라 인공 나뭇잎 기술이 미래 화석 에너지 고갈 및 기후변화에 대응할 수 있는 친환경 대안으로 주목받는 것이다.

파리기후변화협약이 체결된 이후 전 세계 국가들이 온실가스 감축을 위한 정책을 적극 추진하고 있다. 우리나라도 예외가 아니다. 2030년까지 신재생에너지 비율을 20%로 확대하는 것을 목표로 청정에너지 확대를 중장기적으로 추진할 것이다. 또한 수소 경제를 에너지 패러다임 변화의 핵심으로 보고 수소를 이용한 에너지 활용 계획을 주요 전략 투자 분야 중 하나로 선정했다. 이에 따라 수소에 대한 관심과 투자가 높아지는 상황이다.

청정 수소를 생산하기 위한 인공 나뭇잎 기술 연구도 활발히 이루어지고 있다. 해외에서는 유럽을 중심으로 수^水전해 시스템의 효율 향상을 위한 연구가 진행되고 있으며, 미국 에너지부^DOE와 일본의 일부 기관(JHyM, NEDO) 등이 광촉매를 이용한 물 분해 청정 수소 생산을 연구하고 있다.

국내에서는 한국에너지기술원^KIER, 한국과학기술연구원^KIST, SK이노베이션, S-Oil, 한국과학기술원^KAIST, 울산과학기술원^UNIST 등 다양한 연구소, 기업, 대학 연구팀에서 고온 수전해, 열분해, 광분해 등 차세대 친환경 수소 생산 기술을 연구하고 있다. 하지만 아직은 상업화의 기준점인 ‘광-수소 변환 효율 10%’를 달성하는 소재가 개발되지 않아 고효율 소재 개발을 위한 기초-원천기술 연구 단계에 머무르고 있으며, 기술 실증을 위한 대규모 모듈 제작 및 수소 생산 시스템 연구가 미비한 실정이다.