[12강 화학의 활용] 연료전지와 나노기술

1. 연료전지

 2050년에 이르면, 미국에는 2억 3천만대, 중국은 5억 1천만대, 인도에는 6억 1천만대의 자동차가 다닐 것이 예상된다. 지구는 이 어마어마한 양의 이산화탄소를 어떻게 감당할 수 있을까? 또한 석유라는 유한한 자원을 사용하는 자동차는 연료를 어디서 얻을 것인가? 

 아마 수소 연료 전지가 극적인 대안으로 떠오를 수 있을 것이다. 수소 자동차에서는 수소와 산소가 결합되어 전기화학적 반응을 일으킨다. 반응의 부산물로 생산된 전기로 자동차가 움직인다. (부산물은 물과 열, 수증기가 있다) 수소는 우주에서 가장 흔한 원소이기 때문에 연료 고갈의 염려가 없다. 현재까지의 기술로는 대량 판매용으로 생산하기에 큰 비용이 들지만, 대부분의 자동차 제조업체들은 수소 자동차를 시험하고 또 시범 운행중이다.

 

수소분자가 나누어지면서 전자를 잃을 때 발생하는 전기로 자동차가 작동하는 원리이다.

 

 연료전지는 어떻게 작동하는가? 먼저 2개의 수소원자가 결합되어있는 수소 연료를 연료 탱크에 주입한다. 수소 분자가 연료전지의 촉매로부터 자극을 받으면, 분자가 나누어지면서 전자를 잃는다. 이 과정에서 수소분자는 전자를 생산하는데, 그 때 발생하는 전기로 자동차를 움직이는 원리이다. 이후 양전하를 띤 수소 양성자가 촉매를 통화하고 반대쪽에서 오는 산소 분자와 남은 전자를 만나게 되어 물을 형성한다.

 간단해보이는 원리지만 이러한 연료전지를 생산하는데에는 비용이 크게 든다. 수소가 가장 흔한 원소이지만 이를 연료로 만드는 과정이 쉽지는 않기 때문이다. 또한, 세계 전역에 있는 가솔린 주유소들을 수소 연료 충전소로 전환하는 비용도 막대할 것이다. 이러한 장애물에도 불구하고, 많은 사람들은 수소 자동차가 지금의 자동차를 대체할 날이 머지않으리라 예상한다. 그 이유는 당연하게도, 장점이 너무나 명확하기 때문이다.

 

2. 나노기술

 나노(nano)는 어떤 단위의 10억분의 1을 의미한다. 따라서 나노미터는 10억분의 1m인데, 이것의 크기를 가늠해보자면 DNA 분자의 지름이 2nm이고, 탄소 원자 2개가 결합한 것은 0.15nm이다. 과학자들은 나노 기술 시대가 머잖아 도래하리라 예상한다.

 다가올 미래에 과학자들과 공학자들은 분자 수준에서 물체를 만들고자 할 것이다. 예를 들어, 인간 몸에 주입할 수 있을 정로 작은 카메라가 있다. 카메라는 환부로 이동하여 찍은 영상을 의사에게 보여주게 될 것이다. 또는, 사람의 혈관에 들어갈 수 있는 나노로봇도 있다. 이 나노로봇은 혈관을 막고있는 지방을 걷어내고 없앨 수 있을 것이다. 현재 다수의 기업과 국가는 나노기술 개발에 투자하고 있다.

 최근 실제로 발명된 두 제품은 컴퓨터 칩을 더 소형화하는 기본적인 문제와 관련된 것인데, 예를 들어 새로운 회로를 불과 몇 초만에 인쇄할 수 있는 특수한 잉크과 잉크젯 프린터가 있다. 별 것 아닌 것 같아 보여도, 이렇게 만든 트랜지스터는 대규모 무균 공장에서 3주 정도의 시간을 소모하는 실리콘 칩 개발방식과 비교하면 매우 진보적이라고 볼 수 있다. 

또 다른 예로는 세상에서 가장 작은 펜, 나노펜이 있다. 이는 실리콘 칩에 복잡한 회로를 그려넣는 데에 사용되는데, 그릴 수 있는 선의 두께가 불과 15nm에 달한다. 이 정도의 전선 두께라면 면적 6.5㎠의 실리콘에 백과사전 8천만장에 해당하는 정보를 담을 수 있다고 한다.

 

출처) 전자신문 / 현재는 트랜지스터나 실리콘칩과 관련한 나노기술이 대세지만, 앞으로는 생명공학이나 의학쪽으로 발전할 예정이다. 그나저나 인공지능... 7년 남았다!