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[과학의 달인] 지구온난화의 주범! 이산화탄소, 어떻게 줄일 수 있을까?

■ 오형석 / KIST 청정에너지연구센터 선임연구원

[앵커]
이산화탄소는 지구온난화를 가속화 하는 대표적인 온실가스입니다. 세계 각국에서 이산화탄소 배출량을 줄이는 데 많은 노력을 기울이고 있는데요. 오늘 '과학의 달인'에서 만나볼 분도 이산화탄소를 효율적으로 저감하는 기술을 개발하고 있다고 합니다. 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 오형석 선임연구원과 함께합니다. 어서 오세요.

이렇게 지구온난화가 심각한 환경문제로 떠오르고 있는 주범은 이산화탄소가 차지하고 있습니다. 대기 중 이산화탄소량이 갈수록 증가하고 있다고 하는데, 현재는 어떤 수준인가요?

[인터뷰]
네, 우리가 사는 지구는 빙하기 이후부터 계속 따뜻해지고 있으며, 최근 이런 추세는 가속화되고 있습니다. 이런 온난화 현상은 산업화과정에서 온실가스가 많아지고 이산화탄소 농도가 높아지는데 기인하는데요. 19세기 말 산업화 시대 이전에는 280ppm에 불과했던 대기 중 이산화탄소 농도는 지난 100년 사이 빠르게 증가했습니다.

하와이 마우나로아 관측소에서 측정한 수치에 의하면 대기 중 이산화탄소의 평균 농도가 지난 5월, 사상 최고치인 418.12ppm을 기록했는데요. 1958년 관측을 시작한 이래 역대 최고기록이라고 합니다. 지난해 5월, 이산화탄소가 415.26ppm을 기록하며 약 3ppm 정도 높아진 수치라고 보시면 되겠습니다.

[앵커]
대기 중 이산화탄소 농도가 급격하게 높아지고 있어서 문제라는 건데 그러므로 각국이 이산화탄소를 줄이기 위해서 많은 노력을 하고 있잖아요. 우리나라는 얼마나 줄여야 하나요?

[인터뷰]
2015년 파리 기후협약을 근거로 UN에서 COP21이라는 CO2 저감의 구체적 가이드라인을 제시하였습니다. 우리나라의 경우 2030년 기준, BAU (배출전망치)라고 해서 현 C02 배출량을 기반으로 예측된 수치 대비 온실가스 37% 감축을 목표로 하고 있습니다.

[앵커]
네, 그러니까 2030년까지 이산화탄소 37% 감축이 목표인데 지구온난화를 막기 위해선 꼭 필요한 조치인데 쉬운 일은 아니잖아요? 그런데 이산화탄소를 효율적으로 줄이는 방법이 있다고요?

[인터뷰]
네, 다양한 CO2 전환연구가 국내외에서 진행되었는데요. 제 연구에 대해 말씀드리면, 이산화탄소를 고부가가치를 갖는 일산화탄소로 전환하는 기술입니다.

[앵커]
우리가 흔히 연탄가스로 알고 있는 게 이 일산화탄소인데 무색, 무취, 무미 가스이기 때문에 마셨는지도 알 수 없고, 조금만 마셔도 인체에 치명적이라고 알고 있습니다. 이렇게 위험한 가스를 어떻게 유용하게 활용할 수 있는 건가요?

[인터뷰]
일반적으로 일산화탄소를 떠올리면 '연탄가스 중독'이라고 생각하시는데 산업적인 측면에서의 일산화탄소는 굉장히 안정적이지만 혼합력이 강해서 산업적으로 많이 활용되고 있습니다.

[앵커]
그러니까 온난화의 주범인 이산화탄소를 일산화탄소로 전환해서 저감한다는 말씀이신데요. 이 기술이 어떻게 가능한지 궁금해요.

[인터뷰]
사실 저희가 이러한 것들을 적용하기 위해서 인공광합성 시스템을 이용했습니다. 식물이 광합성을 하기 위해서는 엽록소에서 이산화탄소를 받아들여서 포도당이나 산소를 배출하는데요. 저희는 이런 광합성 자체를 모사해서 인공 광합성 기술을 개발했고 거기에 적용되는 촉매를 개발했습니다. 그래서 이 인공 광합성 기술을 적용해서 이산화탄소를 저감했습니다.

[앵커]
네, 그 촉매가 어떤 촉매죠?

[인터뷰]
일반적으론 명반응과 암반응으로 구분돼 있습니다. 암반응의 경우 물이 분해돼 산소를 발생하는 반응인데요. 보통 저희가 숲 속에 가면 산소가 많아서 쾌적함을 느끼는데요. 그게 암반응이고요. 암반응에 사용되는 촉매로 이리듐 촉매를 사용하고 있습니다.

그러나 이리듐은 귀금속으로 매장량과 생산량이 적어 가격이 매우 비싼데요. 그래서 이리듐 사용량을 줄이면서도 촉매 성능을 높이기 위한 연구가 필요했습니다. 이리듐의 사용량을 줄이기 위해서, 쉽게 설명해 드리자면 과일의 껍질 부분만 이리듐을 형성시키고 그 안쪽의 내부는 이리듐이 아닌 코발트를 적용해서 이리듐의 사용량을 30% 정도 줄였고요, 성능 면에선 20% 향상된 것을 보여줄 수 있었습니다.

[앵커]
그렇군요. 정리하자면 값비싼 금속으로 쓰였던 이리듐이라는 촉매를 조금 더 저렴하면서 또 효율성은 높이는 촉매로 바꿔서 사용할 수 있는 기술을 개발하셨다고 정리할 수 있는데, 촉매뿐만 아니라 최대한 많이 전환할 수 있는, 효율을 높일 수 있는 기술 연구도 함께 진행하셨다고 들었습니다.

[인터뷰]
네, 기존 이산화탄소 전환 연구는 액체 상태에서 주로 진행했습니다. 저희 연구진은 액체가 아닌 기체 상태에서 이산화탄소를 전환하는 시스템을 개발했고 일산화탄소 발생효율을 100배가량 높였습니다.

[앵커]
그러니까 액체 상태가 아니라 기체 상태에서 이산화탄소를 전환하면 효율이 100배 이상 높아진다는 말씀이신데, 여기에 사용되는 촉매 역시 직접 개발하셨다고요?

[인터뷰]
해당 연구는 최근 2년 전부터 전 세계적으로 기체상태 이산화탄소를 적용하는 연구가 시작되었는데요. 저희는 이 시스템에 적합한 전극을 구현하기 위해서 산호 형태 모양의 은 전극 촉매를 적용했습니다. 이 은 촉매 전극은 염소 이온 처리를 통해 제조되었는데요. 은 촉매 전극을 개발한 과정에 대해 잠깐 설명해드릴게요.

[앵커]
네, 지금 검은색 가루가 한눈에 보이는데요?

[인터뷰]
검은색 가루가 바로 암반응 촉매인 이리듐입니다. 이 촉매를 잉크로 만들어서 균일하게 표면 위에 올려놓고 테스트를 진행했습니다. 또, 이 촉매가 어떤 결정구조로 되어 있는지 확인하는 건데요. 금속 입자를 자세히 들여다보면 어떻게 배열되어있는지, 어떤 형태로 면이 노출되었는지 알 수 있고, 간접적으로나마 금속 입자 사이즈도 계산할 수 있습니다.

전자현미경을 통해 산호구조의 은 전극 촉매를 확인할 수 있는데요. 높은 표면적과 다공성 구조로 인해 물질 전달 능력이 높은 것을 확인할 수 있었습니다. 기존에 사용하던 촉매와 비교해도 확연히 차이점이 있다는 것을 알 수 있습니다.

[앵커]
지금 여러 가지 효율을 높이는 기술에 관해서 설명해주시고 계시는데, 표면적이 넓거나 다공성 구조거나, 다공성 구조라는 게 물질에 구멍이 많다고 이해하면 되는 건가요?

[인터뷰]
네, 맞습니다.

[앵커]
계속 표면적을 넓혔다고 보면 되겠는데 이 기술을 설명 들으면서 굉장히 최첨단 기술이라는 생각이 들거든요. 개발하시면서 굉장히 어려우셨을 것 같다는 생각이 드는데, 일단 어려웠던 부분에 관해 설명해주시고 보완해야 할 부분도 말씀해주시죠.

[인터뷰]
해당 기술을 개발하면서 가장 어려웠던 점은 기체 상태에서 이산화탄소를 전환하는 시스템을 구현하는 것이었습니다. 전극 개발 및 대면적화 연구 등은 기존에도 많이 진행한 바가 있고 어느 정도 익숙한 것이었지만 새로운 시스템을 만들고 생각대로 구현하는 것은 많은 시행착오 및 경험이 필요했습니다.

또한, 해당 시스템을 만드는 데 사용되는 소재 중에는 해외에서만 생산되는 것들도 있는데 이러한 소재를 구하는 것들도 약간의 애로 사항이었습니다. 우리나라에서도 관련 연구가 많이 진행되고 있어 향후 다양한 소재들이 국산화가 되고 실험이 좀 더 수월하게 진행됐으면 하는 바람입니다.

[앵커]
네, 소재 국산화에 대한 과제도 말씀해주셨는데 이렇게 인공 광합성을 통해서 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 기술, 앞으로 상용화된다면 어떻게 활용될 수 있을까요?

[인터뷰]
아직 이산화탄소를 전환하여 산업화하는 연구는 상용화될 만큼 경제성이 확보되지 않았습니다. 특히 저희처럼 전기를 활용하여 이산화탄소를 전환하는 것은 에너지가 소요되며, 이로 인하여 기존 석유화학 공정에서 생성되는 화합물 등과 비교해 가격 경쟁력이 떨어지는 것이 사실입니다.

하지만 최근 많은 기업 및 국가들이 온실가스 감축과 탄소세 관련하여 이산화탄소 저감 기술에 대한 필요성을 느끼고 있고, CO2 저감 인센티브 제도가 미국과 유럽에서 검토되는 것을 고려하면, 가까운 시기에 개발 기술이 상용화될 수 있을 것으로 생각합니다. 그럴 경우 공장 또는 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 고부가가치 화합물을 제조하는 데 사용될 수 있습니다. 또한, 이산화탄소 저감에 따른 온실가스를 줄여 지구온난화를 억제할 수 있다고 생각됩니다.

[앵커]
아직은 경제성을 확보할 만큼 상용화에는 시간이 조금 걸리겠지만 만약에 상용화까지 된다고 하면 또 다른 산업으로까지 발전할 수 있는 무궁무진한 가능성이 있는 것 같습니다. 연구원님의 앞으로의 계획 들려주시죠.

[인터뷰]
지금 연구하고 있는 기술이 산업화에 이르기까진 아직 미비한 부분이 있습니다. 그래서 제가 하는 연구가 단지 연구에만 그치지 않고 실제로 적용될 수 있는 기술이 되도록 하는 것이 제 계획입니다. 그러기 위해서는 해당 기술을 통해 생산된 화합물들이 시장에서의 가격 경쟁력이 중요한데요. 해서 이산화탄소가 아닌 다른 반응에 적용해 가격이 높은 화합물을 생산한다든지, 초임계와 같이 반응 환경을 새롭게 해서 생산량을 늘리는 방법 등을 고민하고 있습니다.

[앵커]
지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 일산화탄소로, 고부가 가치 물질로 전환해서 사용하자는 게 획기적인 발상의 전환이라는 생각이 듭니다. 상용화되어서 우리나라 이산화탄소 감축 목표를 달성하는 데 정말 좋은 기술, 핵심적인 역할을 하는 기술이 되길 바랍니다. 지금까지 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 오형석 선임연구원과 함께했습니다. 오늘 말씀 고맙습니다.


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