지구에서 화석 연료가 고갈되고 있다. 미국 등 선진국의 과다한 에너지 소비뿐만 아니라 중국, 인도 등 신흥개발국의 급격한 공업화에 따라 화석 연료 사용이 급증하고 있기 때문이다. 또 물과 공기 등 우리의 소중한 환경을 오염시키는 근본 원인 중의 하나는 화석 연료의 과다 사용이다. 석탄과 석유 등 화석 연료를 사용하면 필수적으로 이산화탄소가 발생해 지구온난화를 일으키고 화석 연료를 사용하는 과정에서 공기와 물의 오염을 초래한다. 에너지 사용을 줄이거나, 대체 에너지를 개발해야 한다.
그렇다면 이 문제를 해결할 가장 효율적 방법은 무엇일까. 보다 효율성과 상용화 가능성이 높은 기술을 개발하는 방법밖에 없다. 깨끗한 환경을 이루고 에너지 고갈 문제를 해결하고자 과학자들은 크게 두 가지 방향으로 접근하고 있다.
첫째는 에너지를 효율적으로 사용하는 것이다. 둘째는 오염이 없는 에너지원을 만드는 것인데, 이러한 두 가지 접근 방법의 바탕 기술이 바로 나노기술이다.
즉, 나노 소재 기술로 해결이 가능하다. 하이브리드 자동차에 들어가는 고출력 이차전지의 활물질 재료, 고강도 나노복합재료에 의한 차체 경량화, 나노 기공을 포함한 건축물 단열재, 적외선의 차단 또는 투과를 자유롭게 조절할 수 있어 건물 내 온도를 조절할 수 있는 나노 코팅, 나노 구조를 가져 발광효율이 높은 LED 등 다양한 나노 소재가 활용되고 있다.
또 가장 기대를 많이 받고 있는 신재생 에너지 기술은 태양전지와 연료전지다. 태양의 빛 에너지를 이용하는 태양전지는 일반적으로 반도체 물질로 된 전지셀에 빛을 쪼일 때 전류가 발생하는 광기전(photovoltaic) 효과를 이용하는 전기 발생 장치다.
결정계 실리콘계 태양전지를 위주로 상용화가 진행됐으며 최근에는 제조 비용이 상대적으로 저렴한 박막형 실리콘 태양전지를 우리나라 등 많은 나라에서 개발하고 있다. 광전변환 효율이 높은 나노결정층을 포함하는 박막형 태양전지도 개발되고 있다. 한편 기존 실리콘계보다 제조비용이 훨씬 저렴한 나노구조를 갖는 염료감응형 태양전지와 폴리머 태양전지 등 플라스틱 태양전지 개발이 활발하다.
고효율, 고신뢰성, 그리고 대면적의 플라스틱 태양전지가 개발되면 휴대형 전자제품, 의복, 생활용품 등에 사용돼 유비쿼터스 사회를 앞당기고, 건축물의 창호 및 발전시스템에 사용돼 스마트 하우스를 실현한다. 건축물 창호에 투명한 태양전지가 적용되면 생산된 전기를 이용해 건물의 냉난방에 이용될 수 있을 것이다.
화석 연료 대신에 수소를 연료로 사용해 자동차 엔진에서 나오는 폐가스 대신 물을 배출하는 친환경 연료전지 개발도 활발히 진행되고 있다. 연료전지의 핵심 부품은 나노소재로 이루어진 전극과 멤브레인이다. 우리나라는 아직 기술 부족으로 이러한 핵심 원료와 부품들을 수입에 의존하고 있다.
또 연료전지 연료인 수소가스 역시 그냥 얻어지는 것이 아니다. 현재는 전기 에너지를 사용, 물을 분해해 수소가스를 만들고 있어 친환경이라는 점 외에 에너지 절약에는 큰 장점이 없으나 앞으로 10년 내에는 빛 에너지와 나노 소재 촉매를 이용해 에너지 소비 없이 물에서 수소가스를 무한정 생산하게 될 것이다.
나노 소재 기술을 이용해 태양전지와 연료전지를 값싸게 만들 수만 있다면 지구상에서 에너지 걱정은 정말로 없어질 수 있을 것이다.
서상희 나노소재기술개발사업단 단장 shush@kist.re.kr
