미래창조과학기술 인공광합성
인공광합성은 자연광합성을 모사하여 태양빛을 받아 이산화탄소와 물, 광촉매로부터 직접 정밀화학제품과 에너지 등 화합물을 생산하는 기술이다.
기술의 발전 과정과 개발 동향 기술의 발전 과정 1912년 이탈리아의 자코모 차미 찬(Giacomo Luigi Ciamician) 박사가 인공광합성을 예측한 이래 다양한 연구가 진행되었다. 1970년 미국 버클리대학의 캘빈 그룹(Calvin group)에서는 가시광선 흡수, 광에 의한 전자 이동, 산화·환원 등 에 대한 연구를 수행하여 응용 가능성을 확인하였다. 대표적인 인공광합성 기술인 염료감응 태양전지 201)는 1991년 처음 소개돼 어 2000년대 들어와서 일부 상용화되었으나 효율이 낮다는 문제가 있었다. 이후 2011년 미국 MIT의 대니얼 노체라(Daniel Nocera) 교수 연구팀은 개인 용 에너지 생산을 가능하게 할 수 있는 인공 잎을 개발하였다. 2013년에는 미국 에너지국의 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Lab.)가 ‘인공 숲’이라 불리는 완전 통합형 인공 광합성 나노시스템을 개발하여 인공광합 성 보편화의 기초를 만들었다
기술 개발 동향 현재 영국 글래스고 대학에서는 인공광합성을 이용하여 액체연료를 생 산할 수 있는 인공 잎을 만들기 위한 합성생물학 접근법을 연구 중이며, 미 국 MIT 연구진은 태양광 발전에 쓰이는 실리콘 태양전지와 값싼 촉매를 이 용하여 식물의 잎처럼 물을 분해하는 인공 잎을 개발하고 있다. 우리나라에서는 염료감응 태양전지의 효율 향상 연구와 인공광합성을 이용하여 포름산 202) 등의 정밀화학제품을 만들기 위한 연구가 진행 중이다. 한국 과학기술연구원(KIST)에서는 빛 에너지로부터 정밀화학 물질 생산이 가 능한 신개념 생체촉매 기반 인공광합성 기술 개발 연구를 진행하고 있다. 2016년 7월 태양전지 기술과 촉매기술의 융복합을 통하여 태양광 에너지만으로 작동하는 자가 구동, 일체형 인공광합성 디바이스 기술을 개발한 것이 대표적인 예이다. 한국 화학연구원 인공광합성 연구그룹에서도 2016년 7월 태양광만을 이용해 이산화탄소로부터 포름산을 생산하는 플라스틱 나뭇잎 원천기술 개발에 성공하였다. 또한, UNIST에서는 2016년 12월 독일 헬름 홀 츠 연구소와 공동으로 수소 전환율이 8%203)로 세계 최고 수준의 인공 나뭇잎 (광촉매) 소자를 개발하기도 하였다.
2. 기술확산점의 도달 시기와 단계별 발전 전망 기술 확산점 전문가들을 대상으로 인공광합성의 기술 확산점 도달 시기를 델파이 조 사한 결과, 세계 기준으로는 미국에서 2026년에, 국내 기준으로는 2030년에 해당 기술이 사회적으로 확산될 것으로 예측되었다. 기술 확산점 도달 시기 예측을 위한 기술 확산점의 정의는 인공광합성 기술을 이용한 제품 생산이 기존 시장을 대체하는 비율이 3%가 되는 시점으로 보았다. 인공광합성 기술은 현재 염료감응 태양전지 분야에서 응용되고 있지만, 천연 광합성과 같이 탄수화물, 포름산과 같은 물질을 제조하여 기존 제품 생 산을 대체하는 것에 가장 큰 의미가 있다. 따라서 인공광합성으로 제조 가 능한 대표적인 유기물인 메탄올, 포름산 생산량을 20% 대체하는 시점을 기 준으로 삼았다. 204) 즉, 인공광합성을 이용한 유기물 대체율이 20%인 시점의 16%에 해당하는 3%를 기술 확산점으로 설정하였다.
기술 확산점 도달 이후의 단계별 발전 전망 인공광합성은 기술 확산점 도달 이후 태양광 에너지, 유기물 생산, 태양 광 공장 보편화의 단계로 발전해 갈 것으로 전망된다. 기술 확산점에 도달하면 인공광합성을 이용하여 기존의 방식보다 친환 경적이고 저렴하게 제품을 생산할 수 있게 되므로 인공광합성 기술이 빠르게 확산될 것으로 보인다. 일반 가정까지 인공광합성 기술이 확산되는 단계에 이르면, 인공 잎을 활용하여 기존보다 효율이 높고 저렴한 태양광 전기 생산기술이 보급될 것으로 예상된다. 기술이 더욱 발전하면 기존의 화학공장 및 발전소를 대체하여 인공 광합 성 공장에서 각종 화학제품(포름산, 탄수화물 등)과 에너지를 청정하게 생산하게 될 것으로 보인다. 더 나아가 태양광을 활용한 태양광 공장이 보편화되고, 이를 활용하여 의식주, 지구온난화 및 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있는 시대가 도래할 것으로 기대된다.
3. 미래사회 변화 전망 인공광합성 기술은 아직 상용화 단계에 도달하지 못하고 개발단계에 머 물고 있어 정확한 시장 전망은 어렵다. 현재 염료감응 태양전지 분야에서 가 장 많이 응용되고 있으며, 향후 탄수화물, 포름산, 메탄올 205)과 같은 정밀화 학 제품을 제조하는 기존 제품 생산을 대체할 것으로 예상된다. 이 기술은 이산화탄소를 활용하므로 이산화탄소 감축과 밀접하며, 2020년 즈음에는 1조 달러 이상의 경제적 효과를 보일 것으로 예상된다. 206) 인공광합성 기술이 사회적으로 확산되면 인공 잎의 개발 등으로 개인이 대기 중에 존재하는 이산화탄소 및 태양광을 이용하여 에너지를 발생시키 고, 최종적으로는 탄수화물과 같은 식량원을 손쉽게 얻을 수 있을 것이다. 또한, 이산화탄소를 재사용하여 지구온난화를 예방함으로써 기후 변화 및 해수면 상승으로 인한 재해를 방지할 수 있을 것이다. 또한 태양광은 무한 에너지원이므로, 이를 이용해 신약 원료물질, 광학 이성질체 207)와 같은 고부가가치의 정밀화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있다는 점에서 그 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다. 인공 광합성과 연계된 다전자 광촉매 분야, 전자 및 양성자 동시 수송 분야, 분자 분리 멤 브레인 208) 분야, 나노 융복합 기술 분야 등의 산업이 크게 발전할 것이다.
4. 기술 확산 실현을 위한 과제 인공광합성 기술이 사회적으로 확산되려면 정부는 무엇을 해야 할까? 전문가 델파이 조사 결과, 정부가 우선적으로 시행해야 할 방안으로는 인력 양성(33.7%), 기술 개발(23.1%), 인프라 구축(18.5%) 등의 순으로 나타났다. 현재 인공광합성 관련 연구 인력은 매우 부족한 상황으로, 이를 해결하 기 위해서는 식물 및 미생물의 광합성 기작에 대한 기초적인 연구를 하는 생물학 분야 인력, 촉매를 개발하는 화학 분야 인력 및 이의 실증을 위한 공 학 분야 인력 등을 골고루 양성해야 한다. 또한 기존 나노와 바이오 기술 관련 인력을 인공광합성 분야로 유도할 필요가 있다. 기술로는 촉매 기술 개발이 가장 중요하며, 인공광합성을 제대로 구현하 기 위해서는 식물·미생물 내에서의 광합성의 기초 기작에 대한 이해가 선 행 되어야 한다. 또한 각 단계별로 에너지 손실을 줄이는 기초연구가 필요하 며, 정밀화학 물질로의 전환을 위한 효율적인 공정 및 시스템 구축 등 다양 한 분야의 응용연구가 연계되어 함께 진행되어야 할 것이다.
산업화에 가장 접근하기 쉬운 분야를 우선적으로 공략함으로써 세계적 주도권을 확보하는 전략도 빼놓아서는 안 된다. 국내 인공광합성 관련 연구센터로는 한국인공광합성연구센터(KCAP)가 있지만, 지원 규모는 매우 작은 편이다. 다양한 분야를 포함하고 있는 기술적 특성을 감안할 때 연구시설 및 인적 인프라의 확충이 반드시 필요하다. 원천기술이 확보된 경우 실증을 위한 중규모 인프라 구축에 연구비를 투자해 야 한다. 인공 환경의 계측과 제어 장비 개발 및 이의 산업화를 위한 연구단 지와 협력단 구성도 필요하다. 선진국에서는 범정부 차원에서 지원하고 있는 것처럼, 우리나라도 장기 적인 기술 개발이 가능하도록 협력체계를 공고히 해 나가야 한다. 이와 함께 현재 한국인공광합성연구센터 프로젝트로 진행되고 있는 공동연구를 확대하고 연구 분야도 다양화해야 한다. 인공광합성을 통해 생산된 정밀화 학 물질은 섬유, 식품, 제약 등 관련 산업에 폭넓게 활용될 수 있고, 태양빛을 이용한 대체에너지 개발, 광센서 디자인, 바이오에너지 개발 등에 응용될 수 있는 만큼 관련 분야의 협력 연구 또한 필수적이다.
댓글0