[줌 인 피플] 21세기 연금술! '인공 광합성' 한국과학기술연구원 민병권 본부장

■ 민병권 / KIST 국가기반기술연구본부 본부장

[앵커]
현재 인류가 사용하고 있는 화석연료는 지구온난화를 일으키는 환경오염의 주범으로 꼽히고 있습니다. 그래서 전 세계적으로 화석연료를 대체할 수 있는 에너지 연구에 힘을 쏟고 있는데요. 그 중 강력한 태양 에너지를 사용해 식물의 광합성 작용을 모방한 '인공 광합성' 기술이 주목을 받고 있습니다.

오늘 '줌 인 피플'에서는 한국과학기술연구원 국가기반기술연구본부 민병권 본부장과 함께 '인공 광합성'에 대해 자세한 이야기 나눠보겠습니다. 어서 오세요.

식물은 태양 빛을 받고 광합성작용을 하면서 에너지를 얻죠. 이런 광합성 작용을 모방해서 '인공 광합성' 기술을 연구 중이라고 들었는데요. '인공 광합성'. 좀 생소합니다. 자세히 알려주시죠.

[민병권 / KIST 국가기반기술연구본부 본부장]
자연에서는 엽록체를 가진 식물의 나뭇잎이 햇빛을 이용해서 이산화탄소와 물로부터 영양분이 되는 탄화 수소화합물 즉 포도당을 생산하는 광합성 작용을 하는데요. 이런 '인공 광합성'은 식물의 이런 특성을 모방한 기술이라고 할 수가 있습니다. 인공적으로 광합성을 일으켜서 기후변화를 초래하고 있는 이산화탄소를 우리 화학 산업 전반에 필요한 고부가가치 화학 원료로 바꾸어 주는 친환경 기술이라고 할 수 있겠습니다.

[앵커]
이 식물의 광합성 작용을 모방해서 인공적인 광합성 작용을 할 수 있다는 게 정말 놀랍습니다. 식물은 엽록체를 이용해서 광합성 작용을 하잖아요. 우리에게는 엽록체가 없는데 어떻게 인공 광합성을 할 수가 있는 건가요?

[민병권 / KIST 국가기반기술연구본부 본부장]
어떻게 보면 식물 내에서 광합성 작용을 하는 엽록체를 인위적으로 만드는 기술을 '인공 광합성' 기술이라고 부를 수도 있겠습니다. 식물의 경우 엽록체라는 세포 안에서는 햇빛을 전자로 변환시켜주는 명 반응과 이렇게 생성된 전자와 이산화탄소를 이용해 포도당을 합성하는 암 반응이라는 두 가지 반응이 일어나게 되는데요. 엽록체 안에는 단백질로 이루어진 포토 시스템 1,2 라는 기관들이 존재하게 됩니다. 포토 시스템 2는 햇빛을 흡수해 물을 분해하는 과정인데요. 이 과정에서 산소와 전자가 생산됩니다. 이때 생산된 전자는 포토 시스템 1을 통해서 고에너지의 전자가 되는데 여기까지의 과정을 빛을 사용하기 때문에 이제 명반응이라고 합니다. 명반응을 통해 만들어진 고에너지는 켈빈 사이클이라고 불리는 식물의 생리 반응을 통해서 이산화탄소를 환원시켜 포도당을 만들게 되는데요. 이 과정을 암 반응이라 합니다. 따라서 인공 광합성을 위해서는 포토 시스템 1, 2 그리고 켈빈 사이클 역할을 대신해 줄 수 있는 기능이 필요한데요. 이런 기능들을 탑재한 광전기화학전지를 활용해 엽록체의 역할을 대신해주게 됩니다.

[앵커]
그러니까 자연에서 식물이 광합성을 하려면 엽록소가 필요한데 이 엽록소의 역할을 광전기화학전지가 대신해주는 거군요. 그 말은 '인공 광합성' 연구에 있어서 광전기화학전지가 빠질 수 없다는 그런 이야기인데 KIST 연구팀에서도 이 전지를 직접 개발하셨다고요?

[민병권 / KIST 국가기반기술연구본부 본부장]
그렇습니다. '인공 광합성'에 대한 연구가 가속될수록 그에 따른 device 시스템 개발 또한 활발해지게 되는데요. 인공 나뭇잎이라고도 불리는 device들이 많이 개발되고 있습니다. 몇 년 전 저희 KIST 연구팀에서도 세계 최초로 실제 나뭇잎의 광합성 효율을 훌쩍 뛰어넘는 광전기화학전지를 개발해서 소개한 바가 있습니다.

저희 KIST 연구팀에서 개발한 광전기화학전지에는 무게가 가볍고 약한 빛에도 발전 성능이 높은 CIGS 라고 불리는 박막 태양전지 기술과 금속 산화물 촉매를 이용해서 엽록체에서 포토 시스템2에 해당하는 광 전극을 만들었고요. 나노구조를 가지고 있는 귀금속 촉매를 개발하여 이산화탄소로부터 일산화탄소를 만드는 촉매로 이용을 했습니다.

[앵커]
동영상이 나오고 있는데 이게 어떤 건가요?

[민병권 / KIST 국가기반기술연구본부 본부장]
영상에서 보시듯 태양 빛이 켜지면 광 전극에서 물 분해가 시작되어 산소 분자가 생산되는 모습을 보실 수 있고요. 동시에 켈빈 사이클 기능을 가진 환원 전극에서는 이산화탄소가 일산화탄소로 변환되는 모습을 보실 수가 있습니다. 여기서 중요한 점은 이 장치에서는 다른 추가적인 에너지 공급 없이 태양 빛만으로 두 가지 반응을 동시에 일으킬 수 있다는 점입니다.

[앵커]
정말 획기적인데요. 그러니까 정리하자면 인공 나뭇잎을 이용해서 이산화탄소를 일산화탄소로 바꾸는 데 성공을 했다고 볼 수가 있을 것 같은데 그럼 이런 광전기화학전지를 이용하면 또 다른 물질을 만들 수 있을 것 같은데요. 어떤 게 있나요?

[민병권 / KIST 국가기반기술연구본부 본부장]
식물은 광합성을 통해서 본인들의 영양분, 이제 포도당을 만들어 이용하지만 '인공 광합성'에서는 이산화탄소를 일차적으로 간단한 기초 화학 원료로 변화시키는 연구를 가장 많이 하고 있습니다. 그중에서도 연구가 가장 많이 이루어진 화합물로서는 일산화탄소와 개미산(포름산)을 들 수가 있는데요. 가장 간단하고 쉬운 반응이라고 할 수가 있습니다. 먼저 일산화탄소는 합성가스라고도 해서 메탄올이나 에틸렌과 같은 다양한 화학물질을 만드는 데 중요한 원료이고요. 또 개미산의 경우에는 앞으로 연료전지의 연료가 될 수 있는 중요한 화학물질이라고 할 수 있습니다. 또한, 에틸렌, 에탄올 같은 조금 더 복잡한 화학 원료를 생산하는 기술도 최근 많이 발전되는 추세입니다. 이런 물질들은 우리가 플라스틱을 만드는 데 중요한 원료로 사용할 수 있는 아주 중요한 물질이라고 할 수 있겠습니다.

[앵커]
네, 마치 연금술 같다는 생각도 드는데요. '인공 광합성' 기술을 가정해서 쓰이는 이산화탄소로 현재 화학 공정에서 널리 쓰이는 그런 연료들을 생산해 낸다, 이런 말씀이군요. 이 외에도 인공 광합성 기술이 갖고 있는 특별한 강점이 있다고 들었는데 어떤 건가요?

[민병권 / KIST 국가기반기술연구본부 본부장]
네, 지금 우리가 생활하고 있는 현시대를 많은 사람이 화석 에너지 기반 사회라고 부릅니다. 하지만 이제 가까운 미래에는 신재생에너지가 주류가 되는 신재생에너지 기반 사회가 도래할 것이라 예상을 하고 있는데요.

그런데 사실 신재생에너지에도 큰 약점이 하나 있습니다. 바로 에너지의 불균일성인데요. 예를 들어서 흐린 날하고 맑은 날의 태양에너지 크기가 다르다는 것을 쉽게 알 수가 있는데요. 그래서 인공 광합성은 이러한 재생에너지를 화학에너지로 저장하는 기능을 가지고 있어서 재생에너지가 가지고 있는 이런 불균일성을 보완할 수가 있습니다. 더욱이 우리는 '인공 광합성'을 통해서 지금까지는 화석연료에서만 얻을 수 있었던 다양한 기초 화학 원료들을 생산할 수가 있어서 우리나라를 비롯해 세계 미래 화학 산업을 위해서는 꼭 필요한 기술이라고 말씀드릴 수 있겠습니다.

[앵커]
에너지 저장을 통해서 신재생에너지의 불균일성을 보완하는 기술이라고 볼 수가 있겠군요. 그렇다면 앞으로 많은 분야에 큰 도움을 줄 수 있을 것 같은데 상용화까지는 얼마나 기다려야 할까요?

[민병권 / KIST 국가기반기술연구본부 본부장]
사실 '인공 광합성' 기술은 에너지 환경 분야의 꿈의 기술이라고 불리고 있습니다. 그만큼 구현하기는 쉽지 않지만, 구현이 된다면 막대한 파급효과가 예상된다고 생각을 할 수 있는데요. 2017년 중국에서 열린 다보스포럼에서는 세상을 바꿀 수 있는 10대 기술로도 소개된 바가 있습니다. 이런 이유로 전 세계적으로 아주 원천기술을 확보하기 위해서 경쟁하며 연구가 진행되고 있는데 우리나라도 지속적인 연구개발을 한다면 생각보다 빨리 상용화를 할 수 있지 않을까, 생각하고 있고요. 특히 가장 약점이라고 할 수 있는 현재 화석연료로부터 만들어지는 화학 원료들과 비교하면 경제성이 좀 떨어진다는 문제점은 광전기화학전지의 양쪽 반응, 아까 제가 말씀드렸는데 산화 반응과 환원 반응 모두에서 우리가 고부가 화학 원료를 만들 수만 있다면 경제성을 또한 확보할 수 있다는 저희의 최신 연구 결과가 있기 때문에 저는 기술의 상용화를 상당히 낙관적으로 보고 있습니다.

[앵커]
취약점에 대한 연구도 꾸준히 이루어지길 기대해 보겠습니다. 그럼 마지막으로 앞으로의 목표, 짧게 한마디 들어 볼 수 있을까요?

[민병권 / KIST 국가기반기술연구본부 본부장]
저는 미래사회의 주 에너지 형태가 전기에너지가 될 것이라고 생각을 하고 있고요. 당장 저희가 보듯이 내연기관 자동차가 전기자동차로 빠르게 바뀌고 있지 않습니까, 같은 맥락에서 현재 열화학 공정으로 생산되는 많은 화학물질 또는 정밀화학제품들이 미래에는 전기화학 공정을 통해 생산될 것이라고 생각을 하고 있습니다. 이러한 부분을 저희는 E-케미컬이라고 부르고 있는데 인공 광합성 기술도 E-케미컬의 일부라고 할 수 있습니다. 따라서 미래의 화학 산업에서 경쟁력을 확보하려면 지금부터 원천 기술 확보를 위한 노력을 해야 하고요. 이를 위해서 장기적 안목에 국가적인 지원이 필요하다고 생각합니다. 현재 우리나라에는 저와 비슷한 생각을 가지고 있는 젊고 유능한 과학자들, 연구자들이 많이 계신데요. 저는 이제 기회가 된다면 이분들과 함께 E-케미컬 또는 인공광합성 기술을 세계적으로 선도하는데 큰 기여를 해보고 싶습니다.

[앵커]
오늘 말씀을 들어보니까 정말 무에서 유를 창조하는 세상을 바꿀 기술이라는 생각이 듭니다. 화석연료를 대체할 날이 머지않은 것 같은데 하루빨리 기술이 상용화됐으면 좋겠습니다. 오늘 말씀 잘 들었습니다.