다수 식물세포의 광합성에서 전기를 추출하는 나노전극 시스템

다수의 식물 조류세포를 삽입하기 위한 기판으로, 실리콘을 기반으로 한 나노 전극 어레이를 제작함. 실리콘 기판에 포토리소그라피 공정을 이용해 나노입자가 들어갈 수 있는 PR 패턴을 제작하고, 거기에 실리카 나노입자를 채워넣어 배열된 나노입자 어레이를 제작함. 이어서 DRIE 공정과 그 후 공정을 통해 나노 전극 어레이를 제작함.

미래창조과학부는 식물세포의 광합성 과정에서 생성된 광합성 전자를 추출하는 나노전극 시스템을 개발하여 에너지 변환을 통해 전기추출 효율을 높인 방법을 개발했다고 밝혔다.
연세대학교 류원형 교수 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(집단연구) 및 글로벌프론티어사업 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 재료공학 분야에서 세계적인 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스에 9월 14일자로 게재되었다.

광합성은 녹색식물이나 생물이 빛을 이용하여 양분을 스스로 만드는 과정으로써 식물세포는 외부의 빛을 흡수하여 물과 이산화탄소를 원료로 산소와 포도당과 같은 유기 양분을 만든다. 이러한 광합성 작용으로 식물세포는 태양광 에너지를 100%에 가까운 효율로 전기화학적 에너지로 변환시킨다. 이와 같은 광합성 과정의 높은 에너지 변환 효율을 전기 에너지 추출에 이용하기 위한 연구들이 진행되어 왔다.

연구팀은 이전 연구에서 원자력 현미경에 부착된 나노 전극을 식물세포 안으로 삽입하여 광합성 과정 중 전류 추출이 가능함을 보여주었다. 그러나 대상이 단일 식물세포로 국한이 되어 있어, 얻을 수 있는 전류의 양이 현저히 적었으며 실험 조건이 까다로워 실용화가 어려운 기술이었다.

이에 연구팀은 살아있는 다수의 조류세포 자체를 이용하여 광합성으로 발생한 전자를 추출하고, 광합성 기능의 안정성도 도모하는 대면적화가 가능한 나노 전극 시스템을 개발했다.
연구팀은 다수의 식물세포 안에 전극을 동시에 삽입하기 위해 실리콘 기반의 나노 스케일 전극 기판을 제작하였다. 이곳에 다수의 식물세포를 삽입하면 나노 스케일의 전극 역시 동시에 삽입이 되어, 다수의 식물세포로부터 광합성 전자를 일괄 추출할 수 있다. 이는 향후 넓은 면적으로 제작된 전극을 이용한 대량 광합성 전자 추출 시스템을 만들 수 있는 기반을 마련한 셈이다.

또한 살아있는 세포 자체를 이용하기에 세포 환경이 그대로 유지가 되어, 추출 과정 중 광합성 기능이 안정적으로 유지될 수 있다. 이는 초기 전류 추출 시 효율이 장시간 동안 유지된다는 것이다. 또한 전기화학적 매개체가 별도로 필요하지 않아 전자추출 효율이 높아졌다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 다수 식물세포의 광합성에서 전기를 추출하는 나노전극 시스템