KISTI의 과학향기

영화 ‘빽투더퓨처’를 보면 드로리안이라는 타임머신을 볼 수 있다. 드로리안은 플루토늄에서 전기를 얻어 작동하도록 만들어졌으나, 미래로 여행을 다녀오면서 쓰레기에서 필요한 에너지를 얻을 수 있도록 개조된다. 최근 알코올로 전기를 만들거나 폐수를 이용해 전기를 생산하는 기술이 개발되는 등 SF영화에서나 볼 수 있는 모습이 현실화되고 있다.

반도체가 두뇌, 디스플레이가 눈에 해당한다면 전지는 사람의 심장에 비유할 수 있을 만큼 중요한 부품이다. 아무리 뛰어난 성능의 CPU를 장착한 노트북이라도 전기를 공급할 수 있는 휴대용 전지가 없다면 작은 데스크탑에 불과하다. 특히 휴대폰이나 MP3플레이어, PMP 등의 제품이 휴대하기 편리해질 수 있었던 배경에 전지의 소형화가 큰 역할을 했다. 여기에 일등 공신이 리튬이온전지다. 리튬은 물보다 가벼운 금속으로 전지의 음극으로 안성맞춤이다. 이유는 리튬이나 아연과 같이 이온화 경향이 큰 금속은 산화되면서 전자를 잘 내놓기 때문이다. 또 리튬이온전지는 에너지 효율이 90% 이상으로 높다.

반면 리튬은 반응성이 커 실온에서 물을 만나면 폭발한다. 그래서 리튬이온전지는 금속 리튬을 직접 사용하지 않고 리튬을 이온화시켜 전지 내부에 주입해 사용한다. 여기에 여러 가지 안전장치를 추가해 일반적으로 리튬이온전지는 안전하다. 그런데 이 리튬이온전지가 문제를 일으키기 시작했다. CPU가 30배 이상 성능을 향상시킬 동안 겨우 2배 용량이 증가할 정도로 성장이 느리고, 최근에는 여러 건의 폭발 사고가 일어나면서 안전성까지 의심을 받고 있다. 이런 리튬이온전지의 단점을 극복하기 위해 최근 새로운 전지에 대한 연구가 활발하다.

가장 활발하게 연구되는 전지는 바로 연료전지다. 연료전지는 물을 전기 분해하면 수소와 산소를 얻을 수 있듯이 이러한 반응을 역으로 이용해 수소와 산소가 반응해서 물이 만들어질 때 생기는 에너지를 이용한다. 산화환원 반응을 한다는 점에서 화학전지와 원리는 같지만 반응물질을 계속 외부에서 공급받고 생성물을 배출한다는 점에서 차이가 있다. 가장 대표적인 것이 수소와 산소의 반응을 이용하는 수소-산소연료전지다. 이 연료전지의 작동 원리는 연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분해된 뒤 수소이온은 전해질로 된 양성자교환막을 통과해 다른 방에 있는 산소와 반응한다. 전자는 외부 회로를 거쳐 전류를 발생한다.

놀랍게도 연료전지의 원리는 170여 년 전에 이미 알고 있었다. 하지만 석유와 같은 막강한 대체품이 있고, 안정적으로 수소와 같은 기체를 공급할 수 있는 장치 개발의 어려움 등으로 제품으로 만들어지지 못했다. 20세기 중반에 이르러서야 우주선의 전원장치 등 특수한 경우에 사용되기 시작됐다. 연료전지는 내연기관에 비해 2배 정도 효율이 좋고, 분진이나 배출가스를 발생시키지 않는 등 환경친화적이기 때문에 최근에 미래형 전지로 많은 관심을 끌고 있다.

특히 수소연료전지를 자동차에 적용한 수소연료전지차는 그린카라는 이름으로 미래형 자동차로 주목받고 있다. 2000년대 들어서 도요타는 ‘FCHV’를, 혼다는 ‘FCX’라는 연료전지차를 내놓아 판매되기도 했다. 2006년 GM에서 발표한 ‘시퀄’은 수소를 한번 충전하면 480km를 갈 수 있다. 하지만 아직까지는 연료전지의 가격이 비싸 2010년 이후에나 상용화가 가능할 전망이다. 특히 연료전지의 촉매로 사용되는 백금과 양성자교환막이 가격이 높다. 이에 이를 대체하거나 개선하기 위한 방법에 대한 연구가 가장 활발하다.

차량용뿐 아니라 소형 연료전지의 경우에는 연료만 공급해주면 얼마든지 사용가능하기 때문에 리튬이온전지를 대체할 미래형 전지로도 많은 관심을 끌고 있다. 연료전지는 수소를 따로 공급하지 않고 메탄올형 연료전지와 같이 수소를 포함하고 있는 메탄올(CH₃OH)과 같은 물질을 이용해서도 쉽게 만들 수 있다. 2006년 국내에서도 소주 4분의 1잔 정도의 메탄올로 휴대전화를 두 번이나 충전할 수 있는 연료전지를 만들어낸 바 있다.

전지가 방전되면 조그만 메탄올 충전팩만 끼우면 어디서나 사용이 가능할 정도로 편리하다. 작년 미국의 세인트루이스대 연구팀은 설탕(C₁₂H₂₂O₁₁)을 효소로 분해시키는 방법을 통해 리튬이온전지보다 3~4배 오래 사용할 수 있는 전지를 만들어내기도 했다. 또한 일본에서는 물(H₂O)로 작동하는 전지를 만들어 낸 바 있다. 국내에서는 복숭아 등에 포함된 개미산(HCOOH)으로 작동하는 전지를 만드는 등 다양한 물질을 연료로 사용하는 전지가 등장하고 있다.

생체 내에서 일어나는 전기화학적인 반응을 이용한 생물연료전지도 등장하고 있다. 생물연료전지도 1960년 미국항공우주국(NASA)에서 우주선의 폐수처리를 위해 연구될 정도로 일찍 시작됐지만 미생물을 전극에 연결하기가 어려워 효율성이 낮아 별 관심을 끌지 못했다. 하지만 KIST 수질환경연구센터 김병홍 박사팀이 1998년 산소 대신 철이온을 전자 전달자로 사용하는 슈와넬라라는 미생물을 찾아 학계에 알리면서 다시 주목을 받기 시작했다.

2004년에는 펜실베이니아주립대의 브루스 로건 박사팀이 폐수를 이용해 1㎡당 26mW의 전력을 생산할 수 있는 미생물연료를 만드는 데 성공했다. 최근에는 350mW까지 향상시켰다. 로건 박사의 미생물연료전지는 메탄올이나 설탕처럼 비싼 연료를 사용하지 않고 더구나 폐수를 정화시키는 기능까지 있어 일석이조의 효과를 거둘 수 있다. 아직은 출력이 너무 약해 영화 속에 등장하는 쓰레기 연료전지차에 비교할 수 없겠지만 폐수를 넣고 달리는 자동차와 노트북을 상상해 보는 것도 재미있는 일이다. 물론 휴대폰에 폐수를 넣고 다니고 싶은 사람은 없겠지만.
(글:최원석 과학칼럼니스트)