서론
지난 100년간 지구의 평균온도는 0.74도 올라 15.74 도가 되었으며 한국은 1.5도나 상승했다. 지구평균 기 온이 2도 상승하면 15~40%의 동식물이 멸종한다고 한다. 온도의 상승 요인에는 여러 가지가 있으나 그 주범은 바로 우리가 화석연료를 사용함으로써 배출하 는 이산화탄소로, 이산화탄소가 지구에서 우주 공간 으로 방출되는 열이나 빛의 반사를 흡수하여 온실효 과(Greenhouse Effect)를 부추기고 있기 때문이다.
따라서 2030년까지 1990년도의 탄소 배출량을 30%
낮추자는“Cool Earth 30”이라는 총성 없는 녹색전쟁 이 시작되어, 탄소배출권거래 및 탄소 없는 제품과 서 비스라는 새로운 시장이 주도하는 탄소경제 (Carbonomics)의 도래를 예고하고 있다. 탄소 배출량 을 2030년까지 30% 낮추려면 기존의 화석연료를
2030년까지 저탄소 신재생에너지로 30% 대체해야 한 다. 따라서 본 글에서는 2030년까지 30%의 저탄소 신 재생에너지를 창조하기 위해, 녹색성장의 정의를 살 펴보고, 다양한 기술들이 화학으로 융합되어야 하는 화학융합기술의 필요성을 제시하며, 그 전략으로서 자연의 지능을 디자인하는 방법을 제시해 보고자 한 다. 그 다음 신재생에너지기술의 여러 사례를 들어 화 학융합기술이 얼마나 중요한 역할을 하고 있으며 그 핵 심기술에는 촉매기술이라는 원천기술이 있음을 밝혀내 고 제시하여 화학공학도들에게 녹색성장에 기여할 수 있는 창의와 창조라는 통찰력을 제시해 보고자 한다.
녹색성장/녹색경영의 정의
비전은 2030년까지 지속 가능한 지구와 삶의 질 향 상이다. 개념은 녹색자원과 기술을 획득/개발/공유/
저탄소 녹색성장의 핵심은 기존의 화석연료를 저탄소 신재생에너지로 대체하는 것이다. 태양전지, 수소연료 및 바이오매스 연료가 그 것들인데, 이들 신재생에너지의 핵심 원천기술은 바로 식물의 지능이나 자원을 이용하는 화학융합기술이라는 점 이다. 태양전지는 식물의 광합성작용에서 빛의 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 엽록소를 모방해 인공 엽록소를 만들자 는 것이고, 수소연료 역시 물에서 수소와 산소를 쉽게 분리시키는 식물의 엽록소를 만들자는 것이다. 바이오매스연료 또한 식물자원인 섬유소를 당과 오일로 발효시키는 촉매기술을 발견하자는 것이다. 이러한 화학융합기술에 식물의 유전공학을 융 합시키면 식물에 이산화탄소를 저장하는 기술을 발견할 수 있다. 이는 화학공학도들의 몫이며 도전이다.
10~20년 뒤 한국을 먹여 살릴 녹색융합기술 중 신재생에너지기술을 화학공학의 융합이라는 관점에서 살펴보기로 한다.
제가 그간 공부한 내용을 요약해보면, 모든 그린기술의 핵심에는 촉매 또는 화학반응이라는 화학융합기술이 중요한 역할을 하고 있다는 것이다. 다만, 본인은 화학공학자가 아니라는 점을 감안하여 본 글을 읽어 주시길 바란다.
“새로운 비트(BIT)가 온다(I)”
식물의 지능을 이용한 화학융합기술과 신재생에너지
차 원 용
아스팩미래기술경영연구소 소장, [email protected]
유지시켜 부(富)를 창출하자는 것이다. 목표와 전략을 보면
① 지금보다 더욱 살기 좋은 환경 및 기후를 만들자 는 것이다. 이의 실현을 위해 2030년에 지금의 에너지 를 30% 줄이고, 지금의 온실가스(이산화탄소가 주범) 를 30% 줄여, 지구의 지금 상승 온도를 평균 15도로 낮 추자는“Cool Earth 30”이 시작되었다. 따라서 향후 30 년을 지배할 기술과 비즈니스는 녹색(Green)이 된다.
② 자원인 식량(F)-에너지(E)-물(W)-물질(M) 을 적게 사용하거나 먹어도 두 배의 효율과 효과를 내 도록 하자는 것이다. 따라서 FEW-Mgmt라는 전략 이 필요하며, 향후 30년을 지배할 기술과 비즈니스는 식량-에너지-물-물질의 자원이 된다. 이 중 IT에 있어 서는“18개월마다 크기는 2배 작게, 에너지 효율은 2 배 높게”라는 새로운 무어 법칙이 등장하는데 이를 Green of IT 라고 한다. 또한 제4의 에너지인 신재생 에너지보다 더욱 중요한 것이“에너지 절감”인데 이를 제5의 에너지라고 하며 에너지의 생산보다 에너지를 절감하는 기술이 더욱 중요하다. 물질의 경우 희귀물 질을 대체하거나 환경오염을 청소하는 기술을 융합하 고 창조해야 하므로 나노기술을 활용하는 메타물질 기술이 등장하고, 에코매지네이션(Ecomagination)을 위해 자연을 디자인(Design Nature 또는 Copy Nature)하는 생체모방기술이 등장한다.
③ 더욱 멋진 사랑과 예술을 위해 더욱 나은 경험과
지식을 획득/개발/유지/공유하자는 것이다. 따라서 지식과 문화를 융합하고 창조하는 고부가 서비스가 향후 30년을 지배하게 된다.
④ 더욱 건강하게 오래 살자는 것이다. 따라서 바이 오 및 의료건강이 향후 30년을 지배할 기술과 비즈니 스가 된다. 그리고 마지막으로
⑤ 우리 후손들을 위해 지구가 살기 좋은 공간이 될 수 있도록 지속 가능하게 개발하고 발전시키자는 것 이다. 따라서 한번 사용하고 버리는 제품과 서비스가 아니라 첨단융합기술을 통해 지속 가능한 제품과 서 비스를 개발하고자 하는 것이며, 증강현실(AR)이나 가상현실(VR) 및 로봇을 창조하여 지구가 앞으로 남 은 46억년을 잘 견딜 수 있도록 하자는 것이다.
화학융합기술의 필요성
녹색성장을 이루기 위해서는 기존의 모든 기술을 잘 활용하고 융합하는 화학융합기술이 필요하다. 10~20 년 후에 한국을 먹여 살 릴 녹색성장 및 녹색문 화를 창조하기 위해, 그 동안 갈고 닦아온 화학 기술을 중심으로 나노기 술(NT), 바이오기술 (BT), 정보기술(IT) 및 기타 물자원기술(WT),
표 1. 녹색성장이란?
비전 지속 가능한 지구와 삶의 질 향상
개념 녹색자원과 기술을 획득/개발/공유/유지시켜 부(富)를 창출
1 더 좋은 환경/기후를 만들어 잘 살자 Cool Earth 30, 청정에너지/신재생에너지(제4의 에너지), 생태복원, CO2의 저장 및 자원화
식량(F)-에너지(E)-물(W)-물질(M)을 적게 사용하거나 녹색자원=FEW-M, Green of IT, Green by IT, 에너지 2 먹어도 두 배의 효율과 효과를 내도록 하자 절감(제5의 에너지), 메타물질, Design Nature(Copy Nature)
3 더욱 멋진 사랑과 예술을 위해 더욱 나은 경험과
지식과 문화의 융합 및 창조를 통한 고부가 서비스 지식을 획득/개발/유지/공유하자
4 더욱 건강하게 오래 살자 바이오 및 의료/건강과 로봇
5 우리 후손들을 위해 지구가 살기 좋은 공간이 될 수
Sustainable Development, 지속 가능한 제품과 서비스, AR, VR 있도록 지속 가능하게 발전시키자
목표 전략(기술과 비즈니스)
식량기술(FT), 인지과학기술(CT), 녹색환경기술 (GT), 콘텐츠문화기술(CT) 등 다양한 기술과의 융합 이 필요하며, 그 융합의 구체적인 방법과 세부 융합기술 들을 발견해야 새로운 녹색 비즈니스를 창조할 수 있다.
이러한 화학융합기술은 그 범위가 워낙 넓으므로 본 고 에서는 저탄소 친환경 지향적인 신재생에너지기술에 한 하여 살펴보기로 하고 다음 호에 기타 기술들을 소개하 고자 한다.
Design Nature & Copy Nature에 도전 저탄소 녹색성장의 키워드 중 하나가 자연을 디자인 (Design Nature)하고 카피하라는(Copy Nature) 것 이다. 인간이 만든 이산화탄소를 인간의 기술로 제거 하는데 한계가 있기 때문이다. 그러나 자연은 극한 환 경상황에서도 다윈의 적자생존 법칙에 따라 어떻게 대 응하는지 그 솔루션을 알고 있다. 이 솔루션 개념으로 서의 자연 시스템을 관찰하면 생물을 이해하고 모방할 수 있는 기술이나 도구를 개발할 수 있는 새로운 영감 을 얻을 수 있다. 이 자연의 시스템을 자연 지능(NI)이 라 하며, 이들 동물/식물/어류/곤충/미생물/박테리아/
바이러스의 생체 시스템이나 지능을 모방하는 학문을 생체모방학(Biomimetics, Biomimicry)이라 한다. 특 히 식물의 광합성 작용은 매우 중요한데 본 고의 주제 가 이 것이다. ① 식물들은 엽록소라는 촉매를 이용해 빛의 에너지를 전기에너지로 전환시킨다. ② 식물들은 엽록소라는 촉매를 이용해 뿌리에서 끌어올린 물 (H2O)을 수소와 산소로 쉽게 분리한다. ③ 식물들은 엽록소를 이용해 인간이 만든 이산화탄소를 가져가 물 에서 분리한 수소와 융합해 탄수화물을 만든다.
신재생에너지기술의 핵심은 화학융합기술 신재생에너지기술에는 태양광을 이용하는 태양광 전지기술, 수소를 활용하는 수소연료기술, 산소를 활 용하는 산소연료기술, 바이오매스(Biomass)를 활용 하는 바이오연료기술, 풍력의 힘을 이용하는 풍력발 전기술, 박테리아를 이용하는 미생물에너지기술, 생체 분자를 이용하는 생체에너지기술, 기타 쓰레기나 폐
수물을 활용하는 재생에너지기술 등이 있다. 이중 태 양전지, 수소연료 및 바이오매스연료 만을 화학융합 기술 관점에서 살펴보고, 마지막으로 식물에 이산화 탄소를 저장하는 기술을 과제로 살펴보기로 한다.
태
태양양전전지지 - 태양전지의 원리는 아인슈타인의 광전 효과와 식물의 광합성 원리를 활용하는 것이다. 식물 의 엽록소는 촉매 작용을 하여 빛을 전자(-)와 정공 (+)으로 나누고 이들을 이동시켜 필요한 에너지를 얻 는다. 따라서 태양 전지란 촉매인 인공 엽록소를 만드 는 것과 같으므로 태양전지의 핵심기술은 촉매라는 화 학융합기술임을 알 수 있다. 다만, 식물의 엽록소는 빛 의 전파장인 100% 스펙트럼을 활용하고 있지만, 인간 이 만든 인공 엽록소는 가시광선이나 적외선만을 흡수 하기 때문에 효율이 낮다. 특히 결정질 실리콘계로 만 든 태양전지는 효율은 높지만(20% 정도) 구축비용이 높고 투명하지 않으며 구부릴 수 없어 현재 A- Si(Amorphous-Silicon, 비결정질 실리콘), CdTe(카 드늄+텔루라이드), CIGS(구리+인듐+갈륨+셀레늄), 유기(고분자+플러렌) 및 나노입자를 이용하는 비결정 질 박막형에 도전하고 있으나 효율이 낮은 게 흠이다.
이를 극복하는 방법으로 미국 렌슬러공대의 연구원들 이 빛을 100% 흡수하는 탄소나노튜브 신물질을 발견 해 100% 효율의 태양전지에 도전하고 있다. 광주과학 기술원 이광희 교수팀은 폴리아닐린이라는 고분자와 플러렌(C60)을 이용해 가시광선과 적외선을 흡수해 6.5% 효율의 플라스틱 태양전지를 개발했다.
수
수소소연연료료 - 수소 연료란 외부에서 공급되는 수소를 연료로 이용하고 전해질과 양극/음극의 촉매(백금, 니 켈, 코발트, 철 등)를 이용해 화학에너지를 전기에너지 로 변환시키는 것이다. 그 다음 생산된 전기에너지를 축전지나 배터리에 저장하여 다양하게 활용하는 것이 다. 자동차의 경우 이들 배터리를 이용해 모터를 돌리 면 전기자동차가 된다. 그런데 문제는 수소의 대량 생 산이나 수집이다. 공기 중에는 풍부한 수소가 있다. 그 러나 수소는 산소를 만나면 수조 분의 1초(피코초)로
결합하기 때문에 현재의 시간제어기술로는 수집하기가 불가능하다. 또한 물(H2O)을 수소와 산소로 분리하는 것도 가능하지만 수천도의 열을 가해 플라즈마(융체) 상태까지 변환시켜야 하기 때문에 비용이 너무 높아 상용화하기가 어렵다. 그런데 식물의 광합성 원리를 보 면 엽록소들은 뿌리에서 물을 끌어 올려 상온(22℃)에 서 손쉽게 물을 수소와 산소로 분리시키고, 산소는 인 간에게 돌려주며, 인간이 만든 이산화탄소를 가져가, 물에서 분리시킨 수소와 융합시켜 배, 옥수수, 쌀 등 다 양한 탄수화물을 만들어 인간에게 공급한다는 사실이 다. 따라서 수소연료의 핵심은 촉매인 인공 엽록소를 만들어야 함을 쉽게 알 수 있으며 이 또한 화학융합기 술임을 알 수 있다. MIT 공대 연구원들이 인공 엽록소 를 만들어 물 분자를 상온에서 수소와 산소로 나누는 방법을 발견하였다. 이 인공 엽록소는 아주 저렴한 촉 매를 사용했다. 과거의 물 전기분해에서는 값비싼 백금 전극을 써 상용화에 걸림돌이었지만 이들은 자연에 풍 부하게 존재하는 코발트를 이용했다. 또 상온에서 아무 런 변화를 가하지 않은 일반 물을 사용해 상용화 가능 성이 큰 것으로 평가되고 있으며 앞으로 10년 내에 물 로 가는 자동차가 등장할 것으로 기대되고 있다.
바
바이이오오매매스스연연료료 - 한국의 지형을 구성하는 70%의 금수강산에는 섬유소를 이용해 에탄올이나 탄화수소 연료를 만들 수 있는 잔디, 풀, 나뭇잎, 버섯 등이 어디 에나 풍부하게 존재하는데 이를 바이오매스 (Biomass)라 한다. 이들 바이오매스를 잘게 쓸어 발 효기에 넣고 그 다음 효소를 넣으면 섬유소가 분해 (가수분해)되어 당이나 설탕이 추출된다. 그 다음 유 전자 조작된 박테리아(미생물)을 넣어 발효시키면 에 탄올이나 탄화수소를 얻을 수 있다. 이게 기존의 바이 오매스연료 정제 과정인데, 이 과정은 복잡하고 비효 율적이다. 당의 추출과 물의 분리 및 정제 과정에 고 온의 에너지가 들어가고, 투입한 박테리아들은 바로 죽어 박테리아를 계속 공급해야 하며 효소들도 한번 사용하면 재사용이 불가능해 그 만큼 비용이 많이 들 어 가기 때문이다. 이를 극복하는 방법은 없을까? 답
은 바로 화학융합기술에 의한 촉매의 발견이다. 미국 Wisconsin-Madison 대학 연구원들이 새로운 촉매를 통해 그린가솔린공정법을 발견하였다. 바이오매스는 백금-레늄 촉매를 통과하면서 알콜이나 유기산 같은 다양한 탄화수소 복합물을 만들어 내고, 그 다음 구리 와 마그네슘 촉매를 지나면서 가솔린, 디젤, 제트 연료 를 생산하는 새로운 공정법을 개발한 것이다. 이는 효 소나 박테리아를 새로운 촉매로 대체하여 공정 단계 와 비용을 획기적으로 줄일 것으로 평가 받고 있으며, 향후 같은 방법으로 오일에서 플라스틱이나 산업용 화학제품을 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다.
식
식물물에에 이이산산화화탄탄소소를를 저저장장 - 마지막으로 식물들은 인간이 만든 이산화탄소를 가져가 수수와 융합해 탄 수화물을 만든다는 것이다. 이산화탄소를 가져간다는 것이 핵심 원리이다. 이 원리를 잘 활용하면 인간이 만든 이산화탄소를 식물에 저장하는 획기적인 기술을 발견할 수 있다. 이에 근접한 새로운 식물유전공학기 술이 발표되었다. 미국의 대학공동연구팀과 Dow사는 새로운 유전자 주입과 변형된 염기서열의 주입 기술, 그리고 상동 재조합에 의한 유전자의 조작/변형 기술 로 식물유전자를 고 빈도로 수정하는 방법과 식물 게 놈 수정 방법을 발견하였다. 이들이 이용한 최첨단 식 물유전공학기술은 기존의 바이러스를 이용해 유전자 나 염기를 주입하는 것이 아니라 바로 <특정 DNA에 결합하는 인조 누클레아제 효소(ZFNs)>를 이용하는 기술이다. 이 기술을 식물의 광합성 작용에 활용하면 식물에 이산화탄소를 저장하는 기술을 발견할 수 있 다. 이는 바로 화학공학도들의 몫이며 과제이다. 이에 한번 도전해보라.
결론 : 그린버블을 어떻게 막을 것인가?
태양전지/수소연료/바이오연료 등의 신재생에너지 는 원자력발전에 비해 아직 비효율적이어서 한국은 앞으로 15년 동안 신재생에너지에 150조 원 이상의 자금을 투입해야 하는 재정문제를 안고 있다. 따라서 2000년 초의 닷컴버블이 그린버블 또는 와트버블로
이어질 수도 있다. 미국의 월스트리트저널은 바이오 매스 에탄올 사업의 환상이 걷히고 있다며 에탄올 버 블이 이미 보이기 시작했다고 보도했다. 그러므로 녹 색성장은 혼자의 힘으로는 절대 이룩할 수 없다. 따라 서 화학공학과와 화학산업을 중심으로 산학연정이 모 두 참여하는 개방형 추진전략이 필요하다. 기존의 모 든 산업들이 협력하고 참여하는 개방형 연구개발모델 을 개발하여 10년 20년 뒤에 한국을 먹여 살릴 2030 녹색융합기술 응용전략 로드맵을 잘 수립해야 한다.
그 다음 시계열에 따라 선택과 집중을 해야 하고 비즈
니스 모델도 개발 구축되어야 한다. 또한 극한 환경기 후에서도 잘 극복해 나가는 식물의 자연지능을 모방 하고 카피하는 새로운 화학융합기술이라는 전략과 영 리함도 필요하다.
차원용 소장/공학박사/MBA 아스팩미래기술경영연구소 연구소장 고려대학교 안암캠퍼스 교양학부 겸임교수 숙명여자대학교 정책산업대학원 겸임교수
저서 : <한국을 먹여 살릴 녹색융합 비즈니스(2009)> 외 다수
