과학자들이 배터리 없이 햇빛을 연료로 바꾸는 장치를 개발했습니다.

인공 광합성 시스템은 이산화탄소와 물로부터 포름산을 생성합니다. 오른쪽 이미지는 연구팀이 개발한 독창적인 전기분해 장치를 보여줍니다. (사진 제공: 오사카 시립대학교)

오사카 시립대학교 연구진이 배터리 기반 제어 장비 없이도 태양 연료를 더욱 안정적으로 생산할 수 있는 새로운 인공 광합성 시스템을 개발했습니다. 이번 연구 성과는 자체 조절 기능을 갖춘 화학 성분을 전해 장치에 직접 통합함으로써 시스템의 복잡성과 비용을 줄인 데서 비롯되었습니다.

식물의 자연 광합성처럼 인공 광합성은 햇빛을 이용하여 물과 이산화탄소를 에너지 함량이 높은 화합물로 변환합니다. 이러한 생성물 중 하나가 포름산인데, 이는 연료로 사용될 수 있을 뿐 아니라 에너지를 저장하는 수단으로도 활용될 수 있습니다.

인공 광합성은 어떻게 태양 연료를 생산하는가?

이러한 시스템의 핵심은 태양 전지에서 생성된 전기를 화학 에너지로 변환하는 전해조입니다. 이렇게 변환된 에너지는 포름산과 같은 연료 형태로 저장됩니다.

주요 과제 중 하나는 하루 종일 햇빛의 변화가 심할 때 효율적인 작동을 유지하는 것입니다. 이를 해결하기 위해 많은 인공 광합성 시스템은 최대 전력점 추적(MPPT) 방식을 사용합니다. MPPT는 태양 전지가 가능한 최대 전력 출력을 낼 수 있도록 전압과 전류를 지속적으로 조절하는 방식입니다.

하지만 기존의 MPPT(최대 전력점 추적) 시스템은 일반적으로 에너지 흐름을 안정화하기 위해 배터리와 추가적인 전자 부품에 의존합니다. 이러한 추가 기능은 효과적이기는 하지만 비용과 시스템 복잡성을 모두 증가시킵니다.

자체 조절식 전해조로 배터리 필요 없음

이러한 한계를 극복하기 위해 오사카 수도권 대학 인공 광합성 연구 센터의 마츠바라 야스오 부교수와 아마오 유타카 교수가 이끄는 연구팀은 이이다 그룹 홀딩스와 협력하여 전해조 자체를 재설계했습니다.

이들의 접근 방식은 장치에 직접 내장된 특수 설계된 고체 전해질을 사용합니다. 그 결과, 전해조는 자체적으로 MPPT 기능을 자동으로 수행할 수 있으므로 배터리 기반 제어 시스템이 필요하지 않습니다.

외부 전자 장치, 변환기 또는 배터리에 의존하는 대신, 전해조는 자체적인 열 및 임피던스 특성을 통해 전기적 특성을 조절합니다.

"햇빛이 강해지면 전해조는 자연스럽게 온도가 올라갑니다. 이 시스템은 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 낮아져 전류가 더욱 원활하게 흐르도록 설계되었습니다."라고 아마오 교수는 설명했습니다. "이로써 시스템은 전기적 작동 방식을 자동으로 조절합니다."

그는 "이러한 자율 조절 기능은 하루 종일 연료 생산량을 더욱 안정적으로 유지하고 시스템을 자동화하는 동시에 배터리와 값비싼 외부 부품에 대한 의존도를 줄이는 데 도움이 된다"고 덧붙였습니다.

실제 햇빛 아래에서 안정적인 포름산 생성

연구진이 실제 야외 환경에서 해당 기술을 테스트했을 때, 햇빛의 양이 변동하더라도 시스템은 물과 이산화탄소로부터 포름산을 꾸준히 생성하는 것으로 나타났습니다.

마쓰바라 교수는 "이전에 오사카 간사이 엑스포 2025의 일환으로 열린 '이이다 그룹 × 오사카 도립대학교 공동관' 전시회에서 이 연구를 선보였기 때문에 성공할 것이라고 확신했습니다."라고 말했습니다. "당시 전시관에서 미니어처 디오라마에 전력을 공급할 만큼 충분한 포름산을 성공적으로 생성했으며, 이는 가정용 기기 충전에 활용될 수 있는 효율적인 인공 광합성 시스템으로서의 잠재력을 보여줍니다."

해당 연구 결과는 EES Solar 에 게재되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/06/260611024601.htm