4문 읽기
- 자외선에 노출되면 구조가 변하는 DNA 구성 요소라는 놀라운 자연 현상에서 영감 얻어
- 햇빛이 피리미돈에 닿으면, 에너지가 풍부한 팽팽한 형태로 변형.
- 이 상태는 특정 자극이 가해질 때까지 안정적으로 유지, 자극이 가해지면 원래 상태로
- 이 자극은 약한 가열이나 산을 촉매로 사용해 가할 수 있다.
- 결과적으로 저장된 에너지가 열의 형태로 다시 방출된다.

새로운 태양광 배터리, 분자 내에 에너지 직접 저장
분자 구조 개선으로 태양광 발전 시스템의 에너지 저장 효율 향상 가능성 제시

햇빛이 없으면 전기도 없다:
태양광 발전의 가장 큰 과제 중 하나는 날씨에 대한 의존성이다. 밤이나 햇빛이 부족한 날을 위해 에너지를 어떻게 저장할 수 있을까? 한 연구팀이 그 해답을 찾았다. 바로 화학적 구조 내에 태양 에너지를 저장하는 특수 분자다. 이 분자는 자외선에 노출되면 구조가 변하는 DNA 구성 요소라는 놀라운 자연 현상에서 영감을 얻었다. 

▲ 특수한 에너지 저장 분자는 햇빛으로부터 에너지를 저장했다가 필요할 때, 예를 들어 밤에 열로 방출할 수 있다. pixabay

전 세계적으로 태양 에너지의 효율성과 활용도를 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 투명 태양 전지는 언젠가 창문을 에너지원으로 활용할 수 있게 해줄 것이며, 인공지능(AI)은 더욱 강력한 태양광 소재를 더 빠르게 개발하는 데 도움을 주고 있다. 하지만 이러한 모든 접근 방식에는 한 가지 문제가 있다. 아무리 효율적인 태양광 발전 시스템이라도 악천후, 밤, 또는 겨울에는 전기를 거의 생산하지 못한다는 것이다. 태양 에너지를 언제든 사용할 수 있도록 하려면 새로운 에너지 저장 기술이 필요하다.

분자 저장 방식을 통한 잠재적 해결책

한 가지 가능한 접근 방식은 소위 분자 태양열(MOST;Molecular Solar Thermal) 저장 시스템이다. 이 시스템은 햇빛 에너지를 흡수하여 화학적으로 저장한 후 필요할 때 열로 방출한다. 유망한 직접 에너지 저장 방식으로 여겨지지만, 실제 요구 사항을 충족하지 못하는 경우가 많았다.

캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 한 응우옌(Han Nguyen) 교수가 이끄는 연구팀은 이러한 난관을 극복할 수 있는지 연구했다. 적합한 저장 분자를 개발하기 위해 연구팀은 자외선에 노출되면 가역적인 구조 변화를 일으킬 수 있는 DNA 구성 요소에 주목했다. 피리미딘(Pyrimidine)은 DNA 염기인 시토신과 티민의 기본 구조를 형성하는 물질이다. 이 모델을 바탕으로 연구팀은 합성 피리미딘 구조를 개발했다.

▲ 이 피리미딘의 합성 형태는 방사선 조사 시 구조가 변형되어 에너지를 저장한다. © public domain

구조 변화를 통한 에너지 저장

"변색 선글라스를 떠올려 보세요. 실내에서는 렌즈가 투명하다. 햇볕 아래로 나가면 자동으로 어두워진다. 다시 실내로 들어오면 투명해진다"고 응우옌은 설명한다. “이러한 가역적인 변화가 바로 우리가 관심을 갖는 부분이다. 색깔 변화 대신, 같은 원리를 이용해 에너지를 저장하고 필요할 때 방출하며, 물질을 반복적으로 재사용하는 것이 목표다.”

새롭게 개발된 피리미딘 유도체는 기계식 스프링처럼 빛에 반응한다. 햇빛이 피리미돈에 닿으면, 에너지가 풍부한 팽팽한 형태로 변형된다. 이 상태는 특정 자극이 가해질 때까지 안정적으로 유지되며, 자극이 가해지면 원래의 이완된 상태로 되돌아간다. 이 자극은 약한 가열이나 산을 촉매로 사용하여 가할 수 있다. 결과적으로 저장된 에너지가 열의 형태로 다시 방출된다.

태양 전지를 이용한 물 끓이기

즉, 이 피리미돈은 충전식 태양 전지처럼 작동한다. 응우엔 연구팀은 실제 실험을 통해 저장 가능한 에너지의 양과 분자 전지의 효율을 측정했다. 이 실험에서 연구팀은 물에 녹인 피리미돈에 빛을 쬐어 충전한 후, 염산을 촉매로 첨가해 방전시켰다.

분자가 방전될 때 방출되는 열이 물을 끓일 만큼 강력하다는 사실이 밝혀졌다. "물을 끓이는 데는 엄청난 에너지가 필요하다"며, "일반적인 주변 환경 조건에서 이를 실현해냈다는 것은 매우 중요한 성과다"고 응우엔는 말했다. 측정 결과, 이 피리미돈은 저장 시 킬로그램당 1.6메가줄 이상의 에너지 밀도를 달성하는 것으로 나타났다.

이는 이 분자 태양 전지가 기존 리튬 이온 배터리(킬로그램당 약 0.9메가줄 저장)보다 단위 질량당 약 두 배 더 많은 에너지를 저장할 수 있음을 의미합니다. 연구팀은 또한 이 피리미돈이 기존 세대의 광 제어 분자 스위치보다 훨씬 뛰어난 성능을 보인다고 보고했다.

태양광 발전부터 캠핑용 스토브까지 다양한 응용 분야

연구팀에 따르면, 이 광 에너지 분자 저장 장치는 다양한 실용적인 응용 분야로 이어질 수 있다. 예를 들어, 태양광 발전을 위한 에너지 저장 시스템으로 활용될 수 있다. 이 물질은 수용성이기 때문에 옥상에 설치된 태양광 패널을 통해 순환시켜 낮 동안 "충전"할 수 있다. 피리미돈 용액은 탱크에 저장하여 밤이나 일조량이 적은 날에 열을 공급하는 데 사용할 수 있다.

이 분자 광전지는 일상생활에서도 활용될 수 있는데, 예를 들어 캠핑 중 요리를 하거나 전력망과 관계없이 물을 데우는 데 사용할 수 있다. 이러한 시스템이 실제로 보편화되는 시기는 아직 미지수다. 하지만 Nguyen 교수와 그의 연구팀에 따르면, 이 접근 방식은 태양 에너지를 직접 저장하는 잠재력을 보여준다.

참고: Science, 2026; doi: 10.1126/science.aec6413
출처: University of California – Santa Barbara

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]