빛쪽으로 구부러지는 해바라기 닮은꼴 합성재료

해바라기는 태양 방향에 따라 줄기가 구부러지는 성질을 갖고 있다. 이를 통해 제한된 태양광을 최대한 이용할 수 있는 것. 캘리포니아대학과 애리조나주립대학 연구팀이 나노 테크놀로지를 이용해 해바라기처럼 줄기가 굴절되면서 빛을 쫓는 성질을 지닌 SunBOT(sunflower-like biomimetic omnidirectional tracker)이라는 합성물질을 개발했다.

언뜻 보면 식물은 가만히 움직지 않는 듯 보이지만 아침 해가 뜨는 무렵 꽃을 피우고 일몰 무렵에는 꽃을 닫거나 태양 방향에 줄기를 구부리는 등 사실 환경 변화에 따라 움직인다. 해바라기는 많은 빛을 받을 수 있게 발전했고 태양열로 따뜻하게 되면서 수분에 도움이 줘 벌을 모으기 쉬운 구조를 지녔다.

태양을 추적하는 성질은 태양광 패널 등에서 유용하다. 태양전지는 정면에서 똑바로 빛을 받는 경우 가장 효율적으로 발전할 수 있는 얕은 입사각으로 발전 효율이 떨어진다. 실제로 하향식 광선과 75도 입사각에서 패널에 해당하는 광선을 비교하면 입사각 75도일 때 발전 유효 빛 에너지는 75% 손상된다고 한다.

과학자들은 이전에도 빛 강도와 온도 등에 반응해 왜곡되거나 구부러지는 합성물질을 개발해왔다. 그런데 본질적으로 자극 방향을 정확하게 탐지하고 추적할 수 있는 합성 재료는 지금까지 없었다고 한다.

연구팀은 금 나노 입자를 포함한 하이드로 겔 감광성 폴리머 광흡수 색소를 포함한 액정 엘라스토머 등 다양한 빛이나 열에 반응하는 재료에 주목했다. 이런 재료를 수mm로 성형했다. 연구팀이 SunBOT이라고 명명한 줄기처럼 보이는 합성 재료는 레이저 빛이 닿으면 빛의 열을 감지하고 한 측면이 수축하고 상대쪽이 팽창하는 특성을 지니고 있다. 이 특성으로 인해 SunBOT은 빛을 향해 왜곡되거나 기울어진다.

실제로 다양한 재료로 만든 SunBOT에 레이저광으로 실험을 실시한 결과 빛에 반응하는 성질이 없는 재료와 비교해 최대 400% 효율적으로 빛에너지를 받을 수 있었다고 한다. 입사각이 20도에서 75도까지 넓은 각도에 걸쳐 SunBOT은 반응을 한다. 연구팀은 이번 발견이 태양광 패널과 스마트창, 우주선 태양 항해 레이더 등에 응용할 가능성이 있다고 밝히고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.