서론
지난 100년간(1906~2005) 전 세계 평균기온은 0.74°C 상승하여 14.74°C가 되었고, 금세기 말까지 6.4°C가 상승할 것으로 전망되며, 한반도는 지난 96년 간(1912~2008) 1.7°C나 상승했다. 지구평균 기온이 2도 상승하면 20~30%의 동식물이 멸종위기에 처한 다고 한다(녹색성장위원회, 2009). 따라서 금세기 말 까지 지구온도 상승을 2℃ 이내로 억제하기 위하여 2050년까지 대기중 이산화탄소 농도를 450ppm 이하 로 유지하고 1990년도의 탄소 배출량을 50% 낮추자 는 <Cool Earth 50>이라는 총성 없는 그린기술전쟁이 시작되었다. 온도의 상승 요인에는 여러 가지가 있으 나 그 주범은 바로 우리가 화석연료를 사용함으로써 배출하는 이산화탄소로(88.3%), 이산화탄소가 지구
에서 우주 공간으로 방출되는 열이나 빛의 반사를 흡 수하여 온실효과(Greenhouse Effect)를 부추기고 있 다. 전 세계 탄소배출량은 대략 433억 톤으로 추정되 고 미국이 21.4%(93억 톤), 중국이 19%(82억 톤), 러시아가 6%(26억 톤), 일본이 4.5%(19억 톤), 인도 가 4.2%(18억 톤), 독일이 3%(13억 톤), 캐나다가 2%(9억 톤), 영국이 2%(9억 톤), 그리고 우리 나라 가 1.4%(5.9억 톤, 2005년 배출량)로 세계 16위로 추 정된다. 따라서 본 글에서는 <Cool Earth 50>을 달성 하기 위한 전략으로서 자연의 지능을 디자인하고 메 타물질(Metamaterial)을 창조하는 다양한 나노화학 융합기술과 사례를 제시하여, 화학공학도들에게 그린 환경구축에 기여할 수 있는 창의와 창조라는 통찰력 을 제시해 보고자 한다.
저탄소 녹색성장의 핵심은 금세기 말까지 지구 온도 상승을 2℃ 이내로 억제하기 위해 2050년까지 대기중 이산화탄 소 농도를 450ppm 이하로 유지하고 1990년도의 탄소 배출량을 50% 낮추자는 <Cool Earth 50>으로 요약할 수 있다.
따라서 본 고에서는 이를 위한 추진전략으로서의 저탄소 방법들인 이산화탄소포집저장(CCS), 수소환원신제철법, 환경 오염제거, 그린도시구축 및 박테리아 활용 등을 살펴보고 GE의 그린경영사례를 살펴보고자 한다. 그러나 이들 저탄소 방법들의 핵심기술은 바로 화학기술이라는 점이다. 그리고 그 원천기술로는 자연의 지능을 모방하는 기술이며 나노 메 타물질이라는 점이다. 따라서 기존의 화학기술에 이들 자연의 지능을 융합하고 나노 메타물질을 융합하는 나노화학융 합기술에 도전해야 하는데, 이는 화학 공학도들의 몫이며 도전이다.
“새로운 비트(BIT)가 온다(II)”
자연의 지능을 이용한 화학융합기술과 그린환경구축
차 원 용
아스팩미래기술경영연구소 소장, [email protected]
Design Nature & Copy Nature 에 도전 그린환경구축을 위한 키워드 중 하나가 자연을 디 자인(Design Nature)하고 카피하는(Copy Nature) 것이다. 인간이 만든 이산화탄소를 인간의 기술로 제 거하는데 한계가 있기 때문이다. 그러나 자연은 극한 환경상황에서도 다윈의 적자생존 법칙에 따라 어떻게 대응하는지 그 솔루션을 알고 있다. 이 솔루션 개념으 로서의 자연 시스템을 관찰하면 생물을 이해하고 모 방할 수 있는 기술이나 도구를 개발할 수 있는 새로운 영감을 얻을 수 있다. 이 자연의 시스템을 자연 지능 (Natural Intelligence)이라 하며, 이들 동물/식물/어 류/곤충/미생물/박테리아/바이러스의 생체 시스템이 나 지능을 모방하는 학문을 생체모방학(Biomimetics, Biomimicry)이라 한다(차원용, 2009). 생체모방학은 생체의 구조와 기능을 그대로 모방하여 그린환경구축 을 위한 새로운 생체물질(Biomaterial), 메타물질 (Metamaterial) 및 나노물질을 만들 수 있게 해주고, 새로운 에너지나 자원을 만들 수 있게 해주며, 새로운 지능 시스템을 설계하게 하여, 인간에게 필요한 도구 나 물질을 만들게 하고, 더 나아가 미래의 생물체를 창조할 수 있게 해준다.
나노메타물질에 도전
인간과 동물이 만들어 내는 이산화탄소를 정말 낮출 수 있는 방안이 있을까? 아니 제로 에미션(Zero emission)이 정말 가능할까? 우리의 일상생활을 지배 하는 일반 물리학 법칙으로는 해결할 방도가 없을 것 이다. 그러므로 일반 물리법칙을 위반하는 새로운 물 질인 생체물질이나 나노물질인 메타물질에 도전해야 하는데, 이것이 바로 화학을 중심으로 하는 나노화학 융합기술이다. 나노의 세계는 눈으로 보이고 중력의 법칙이 작용하는 거시세계와는 달리 눈으로 볼 수 없 는 양자중력의 법칙이 작용하기 때문에 당김 (Attracting, Adhering)과 배척(Repelling)이라는 이 중성이 동시에 존재한다. 뿐만 아니라 강도와 연신율 이 동시에 존재하고 도체와 부도체가 동시에 존재하며, 슈퍼소수성과 슈퍼친수성이 동시에 존재하며, 빛을
99.99% 흡수할 수도 있고 99.99% 반사할 수도 있으 며, 이산화탄소를 자기부피의 99.999%흡수할 수도 있 다. 왜냐하면 모든 보이는 물질의 99.999%는 텅 빈 공 간이기 때문이다(Stanley, 1898). 따라서 메타물질들 은 신기한 마술(Bizarre Feats)을 부릴 수 있다. 예를 들어 가시광선을 피하는 메타물질을 발견하면 보이지 않는 투명망토(Invisibility Cloak)도 만들 수 있고, 투 명망토의 반대원리를 이용하면 빛의 모든 스펙트럼을 집중하는 메타물질 태양전지를 만들 수 있다. 또한 빛 의 파장을 마음대로 제어할 수 있는 플라즈몬 광학 나 노입자 메타물질을 이용하면 7가지 무지개 색을 만들 수 있고 7가지 무지개 색을 내고 빛에 따라 색이 변화 하는 철이나 코팅제도 만들 수 있다. 스스로 자정하고 스스로 고치는 나노광코팅제 메타물질은 향후 기존의 아스팔트와 시멘트를 대체하게 될 것이다. 게다가 소 리나 주파수를 물체 주위로 피해 가게 하는 침묵의 망 토(Cloak of Silence) 또는 음향 망토(Acoustic Cloak) 메타물질은 옆 집의 개가 짓는 소리도 감출 수 있다.
그러니 우리 화학공학도들은 이러한 신기한 마술을 부 리는 나노 메타물질에 도전해야 한다.
그린환경에 도전하는 나노화학융합기술
본 절에서는 자연의 지능을 모방하고 나노 메타물질 에 도전해 저탄소 녹색성장과 그린환경을 구축하는 나 노화학융합기술 사례를 들어 통찰력을 교환하고자 한다.
C
CCCSS - 우선 공기 중에 존재하는 이산화탄소를 흡수 포집하여 제거하는 방법이 없을까? 미국 UCLA의 과 학자들이 이산화탄소만 잡아내는 새로운 나노구조의 기공물질을 발견했다(Banerjee et al., 2008). 이산화 탄소의 양을 자기부피의 82.6배 이상 빨아들이는 이 나노 기공물질을 이용하면 화력발전소에서 나오는 굴 뚝으로부터 이산화탄소를 저렴하게 흡수시켜 지구 온 난화를 막을 수 있다. 이 기공물질이 이산화탄소를 흡 수하면 압력을 가해 응축시켜 지하에 장기간 매설하 면 그만이며, 다시 이산화탄소를 가공해 다양한 화학 물질을 만들 수 있다. 유럽은 청정석탄혁명(Clean-
coal revolution)에 적극적으로 참여하고 있는데, 세계 최초로 동독의 Spremberg에 산소연료(Oxyfuel)로 이산화탄소를 추출하고 저장하는 기술(CCS, Carbon Capture Sequestration & Storage)을 이용해 30메가 와트급 갈탄 화력발전소를 구축하고 가동하기 시작했 다. 이 발전소는 스웨덴의 발전 회사인 Vattenfall이 구축하고 운영하고 있는데, 실제로 많은 전문가들은 CCS가 화력발전소에서 나오는 이산화탄소 배출을 줄 일 수 있는 가장 획기적인 기술이라 보고 있다. CCS 로 분리된 이산화탄소는 영하 28도로 냉각되어 액체 화되는데, 2009년부터는 트럭을 동원하여 이 냉각된 이산화탄소를 150마일 떨어진 북서쪽으로 이동시켜 Altmark 지역의 가스가 고갈된 지역의 지하 3,000미 터 아래에 저장되게 된다. 이상적으로 접근하면 미래 에는 이들 냉 각 가스들이 파이프라인을 통해 수송되 어 저장되게 된다.
두산중공업의 자회사인 영국의 두산 밥콕은 2009년 에 녹색 발전소 건설을 위한 핵심 기술인 화력발전소 에서 석탄 등을 땔 때 발생하는 이산화탄소를 100%
포집할 수 있는 기술을 상용화하는데 성공했다. 일반 적인 공기(질소 78%+산소 21%+이산화탄소 0.04%
등으로 구성) 대신 산소로만 화석연료를 태울 수 있 는 순(純)산소 연소 실험에 성공한 것이다. 전 세계적 으로 저탄소 발전기술을 개발하기 위해 활발한 연구 를 진행하고 있지만 당장이라도 상용화 가능한 기술 을 개발한 것은 두산 밥콕이 처음이다[그림 1].
수
수소소환환원원신신제제철철법법 - 철강 1톤을 생산하는데 2톤의 이 산화탄소가 나온다. 철강산업의 탄소배출량은 전세계 탄소배출량의 3.2%나 되고 전세계 산업 배출량의 15%를 차지한다. 그 이유는 산소와 결합한 철광석 (Fe2O3)을 탄소(C)를 이용해 산소(O2)를 분리해 내 고 순수한 철(Fe)을 분리 생산할 때 산소는 탄소와 결합해 이산화탄소를 배출하기 때문이다. 이를 해결 하기 위해 포항제철(POSCO)은 탄소 대신 수소(H) 를 이용해 산소를 분리해내는 수소환원신제철법을 연 구 중인데 이론적으로는 수소가 산소를 만나면 부산 물이 물만 나온다. 현재 수소를 대량으로 생산하는 방 법을 연구 중인데 지난 연재기사에 소개했던 식물의 광합성 원리의 핵심인 인공엽록소를 개발해 물(H2O) 을 상온에서 수소와 산소로 분리 생산하는 기술에 도 전하고 있으며, 수소를 제철에 도입하는 과정을 장기 프로젝트로 추진하고 있다.
친
친환환경경 나나노노화화학학소소재재 - 영국 Oxford 대학 및 Nottingham 대학의 과학자들이 세계에서 가장 작은 흑연 원자 두께의 시트인 1.2 나노튜브 실린더를 개발 했다. 이 나노튜브 실린더를 이용하면 버키민스터플 로렌 산소(Buckminsterfullerene oxides)를 합성하여 꼬인 폴리머가 아닌 길고 곧은 기능성의 폴리머를 원 하는 대로 합성할 수 있다(Britz et al., 2004). 이 나 노튜브 실린더는 분자들로 하여금 길고 곧은 연쇄화학반응을 일으키게 하여 고품질의 폴 리머 물질을 생산하게 한다.
따라서 기존의 복잡한 합성 공정은 향후 이와 같이 간단 하고 친환경적이며 값싼 합 성 공정 프로세스로 대체하 게 될 것으로 기대하고 있다.
스웨덴 로얄공대 연구원 그림 1. 두산 밥콕의 순산소 연소설비적용.
들이 주철보다 1.6 배 강하고 뼈보다 강한 나무 펄프 섬유소로 만든 고 강도의 나노종이 (Nanopaper)를 개발했다(Henriksson et al., 2008).
이 나노종이는 기존 종이보다 7배가 강하고 인장력은 3배나 강하다. 따라서 이 나노종이는 패키징 물질, 필 터 및 피막에 사용 될 뿐 아니라 이식용 의료기기 및 자동차나 비행기의 부품에도 사용될 수 있다.
미국 어바나 샴페인대학 연구원들은 자동차나 금속 물질에 긁힌 자국이나 부식을 스스로 치료하거나 스 스로 고치는 나노캡술의 방부제용 코팅제를 발견하였 다(Cho et al., 2008). 자국이 생기거나 부식될 때 미 세한 자연의 힘에 의해 캡슐이 스스로 깨져 열림으로 써 캡슐 안의 방부제용 코팅제가 흘러나와 자국이나 부식을 고치는 물질로, 수도관이나 철 구조물에 수시 로 코팅을 하거나 페인트를 칠해 들어가는 엄청난 비 용의 유지보수 시대가 조만간 이별을 고할 것으로 기 대되고 있다.
스위스연방공대 과학자들 은 바다조개 안에 있는 진주 층의 나노기계구조를 모방 해 철보다 강하고 탄력성이 있으며, 투명하고 아주 가벼 운 새로운 나노복합체 폴리 머 필름을 발견하였다 (Bonderer et al, 2008). 이
물질은 자동차 부품에 들어가는 섬유글라스를 대체하 고, 투명한 치과 치료제나 투명한 전자 서킷, 그리고 구부리고 접을 수 있는 전자제품에 활용될 것으로 기 대되고 있다.
환
환경경오오염염제제거거 - 인간이 만드는 환경오염을 손 쉽 게 제거하는 방법은 없을 까? 호주 뉴사우스웨일즈
대학의 입자촉매연구그룹은 스 스로 자정하고 살균 능력을 가 진 친환경 특수 나노입자 코팅 제를 개발했다(BBC, 2006). 이 코팅 물질에는 철(Iron)이나 바 나듐(Vanadium) 같은 양이온
과 산소(O), 질소(N), 탄소(C) 같은 음이온 입자들 이 섞여 있는 티타늄 산화입자를 갖고 있어 욕실 조명 같은 가시광선의 고파장에서도 빛을 흡수할 수 있다.
실제 실험에서 이렇게 처리된 유리 표면은 E. 콜리 박 테리아를 죽일 수 있으며 가시광선에서도 휘발성의 유기화합물(VOC)을 분해할 수 있는 것으로 나타났 다. 따라서 세면대와 욕조 및 변기 등을 각종 세제로 닦아내고 소독하는 주별 관례의 일이 조만간 사라질 것으로 기대하고 있다.
MIT 공대 및 미공군연구소는 새로운 화학요법 및 마이크로 표면화학 기법으로 스스로 청소하고 세척할 수 있는 슈퍼소유성(오일/기름 배척) 및 슈퍼소수성 (물을 배척)의 새로운 나노물질을 발견하였다(Tuteja et al., 2007). 따라서 바다나 물에 기름이 유출시 오염 된 물에서 기름만을 걸러내고 그 반대로 물만을 걸러 내는 필터링으로 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있 다. 이어서 MIT 공대의 연구원들이 기름이나 오염물 질 만을 흡수하는 나노와이어로 만든 슈퍼소수성의 나노소폰지를 발견하였다(Verma et al., 2008). 이는 기름 유출 시 기름제거나 물에 있는 오염물질을 제거 하는데 활용될 것으로 기대되고 있다.
그
그린린도도시시구구축축 - 휘황찬란한 그린 도시와 거추장스러 운 도시의 구조물들을 안 보이게 하는 방법은 없을까?
빛을 100% 흡수하거나 반사시키는 탄소나노튜브 메 타물질은(Yang et al., 2008) 100% 효율의 태양전지 나 디스플레이로 도시의 공간을 LED 이상으로 감성 적으로 조율되는 그린조명도시를 실현시킬 수 있다.
빛의 파장을 마음대로 제어할 수 있는 플라즈몬 광학 나노입자 메타물질을 이용하면(Tao et al., 2008) 일 곱 가지 무지개 색을 만들 수 있고 빛에 따라 색이 변
화하는 코팅제도 만들 수 있어 이를 모든 건물에 코팅 하면 태양빛에 따라 색이 휘황찬란하게 변하는 만능 디 스플레이를 만들 수 있다. 모든 빛의 광선을 감추는 메 타물질을 발견하면 투명망토를 만들 수 있어 이 물질을 철탑이나 거추장스러운 도시의 구조물에 코팅함으로써 안 보이게 할 수도 있다(Liu & Smith et al., 2009).
박
박테테리리아아 활활용용 - 박테리아를 이용하는 연구도 진행중 이다. 오늘날의 하수처리는 어느 공장이나 골치 거리이 다. 이를 해결할 기술을 인파이프 기술(In-Pipe Technology)이라 하는데, 미국의 In-Pipe사는 이를 거 리의 하수구에 적용하여, 길거리 하수도관의 벽을 온통 박테리아가 점령하도록 하고 있다. 이 박테리아는 파이 프를 부식시켜 냄새를 방출하는 관 속의 미생물들을 모두 제거할 수 있는데, 이 박테리아 점령군들은 부식 물(Biosolids)의 50~85%를 먹어 치울 수 있다. 현재 In-Pipe사는 플로리다, 미시시피, 루이지애나 주 등에 총 14개의 사이트를 구축하고 있다. 이 지역은 열과 습 도로 하수구가 일찍 부식되어 매년 교체해야 하는 골 치거리를 안고 있는 지역들이다. In-Pipe사는 2년간의 사이트 운영의 결과 만족스러운 결과를 얻었으며 자금 을 더욱 확충하여 미국 전역의 하수구에 적용할 계획 이다. 이산화탄소나 공기오염을 청소하는 인조박테리 아에도 도전하고 있다. 게놈 프로젝트를 주도한 벤 터 박사 연구소(Venter Institute)는 실험실에서 마이 코플라즈마 제니탈리움(Mycoplasma Genitalium)이 라는 박테리아의 게 놈을 완전 복제하고, 조립하고, 인조 합성 하여 생명창조 2단계 인 버전 1.0(JCVI- 1.0)을 만들어 냈다 (Gibson & Venter
& Smith et al., 2008). 이제 3단계인 게놈을 살아 있는 세
포에 주입해 하나의 생명체를 만들어 내면, 청정연료 를 생산하거나 온실가스를 흡수하는 박테리아들을 생 산할 수 있고, 연료전지를 위한 식물이나 화학연료 대 체제 등을 만들어 낼 수 있다.
GE의 그린경영 사례
많은 기업들이 녹색경영을 선포하고 추진하고 있지 만 대부분 그린 IT를 추진하고 있다. 이러한 점에 있 어서 GE의 녹색경영 사례는 아주 중요한 통찰력을 주고 있다. GE는 최근 광전지모듈을 강화하는 에너지 사업을 확대하고 있고, 환경사업의 일환으로 바닷물 의 염수에서 물을 정제하는 담수발전소나 폐수물에서 물을 정제하여 물을 재생하여 사용할 수 있는 물 (Water) 사업을 강화하고 있다. 특히 향후 100년의 중심에 <환경과 상상력 경영>이 있다고 전제해 이를 에코매지네이션(Ecomagination)이라는 신성장 슬로 건으로 명명했다. GE는 환경 및 에너지에 관련된 연 구개발 투자를 2005년 7억 달러이던 것을 2010년까지 15억 달러로 늘린다는 계획이다. 또 에코매지네이션 관련 제품 및 서비스 매출을 2010년까지 200억 달러 로 증대한다는 목표를 세웠다. 보잉 787기의 친환경 고효율 항공기 엔진, 세계 첫 하이브리드 기관차, 에너 지 효율이 높은 LED 조명 등이 대표적 에코매지네이 션 제품이다. 이를 위한 기초과학기술로 나노기술을 이용한 자연지능의 발견에 연구를 가속화하여, 2008 년에는 연꽃(Lotus Leaf)의 물-배척 나노성질을 모 방한 슈퍼소수성의 나노코팅 금속물질을 발견하여 비 행기 날개에 적용, 겨울에도 날개가 얼지 않아 얼음을 녹여야 하는 비용과 이에 의한 비행기 연착륙을 줄이 고, 엔진이나 터빈에 적용해 항상 건조하게 유지하여 겨울의 냉동으로부터 해방시킬 수 있는 방법을 발견 하였다(Technology Review, 2008). 또한 나비의 감 지지능시스템을 모방해 지하철이나 공항의 안전시스 템에 적용하는 연구와 조개껍질의 나노구조를 연구해 가스 터빈의 날개에 적용하는 저전력, 저탄소 및 지속 가능한 제품도 연구하고 있다(Studybusiness, 2008).
결론
이상 살펴본 바와 같이 그린환경구축을 위한 융합 기술의 개발과 적용범위는 무궁무진하다. 그러나 그 핵심기술은 바로 화학공학이라는 점이다. 이산화탄소 만 보아도 탄소와 산소의 화학적 결합이다. 그러므로 저탄소 녹색성장을 하려면 화학융합기술이 절대적으 로 필요하다. 이제 화학공학을 중심으로 나노기술 등 다양한 기술들이 융합하는 나노화학융합기술의 전성 시대가 도래하고 있다. 이산화탄소포집저장기술, 수소 환원신제철법, 친환경 화학융합소재, 환경오염제거 화 학융합소재, 그린도시구축을 위한 화학융합소재, 박테 리아를 활용하는 화학융합소재 등 그 어느 것을 보아 도 그 중심에는 화학공학이 있음을 알 수 있다. 또한
화학융합기술들이 꽃을 피우려면 자연의 지능을 이용 해야 하고 나노기술을 바탕으로 새로운 메타물질을 발견해 활용하는 미래 전략과 영리함도 필요함을 알 수 있다. 그러나 더욱 중요한 것은 창조라는 점이다.
미래는 예측하는 것이 아니라 바로 창조하는 것이기 때문이다. 그러므로 화학공학은 바로 창조공학이라 말할 수 있다.
차원용 소장/공학박사/MBA 아스팩미래기술경영연구소 연구소장 고려대학교 안암캠퍼스 교양학부 겸임교수 숙명여자대학교 정책산업대학원 겸임교수
저서 : <한국을 먹여 살릴 녹색융합 비즈니스(2009)> 외 다수
