- 미래의 차세대 탄소활용 기술로 ‘인공광합성’기술 개발 -

- 태양광 에너지를 활용하여 플라스틱 원료인 올레핀 등을 만들어내는 기술 -

- 미래 탄소 중립을 위한 차세대 기술에 대한 장기적, 전략적 투자가 필요한 시점 -

일본은 <그린성장전략>을 발표한 뒤로 다양한 탄소 중립 프로젝트들을 실행하고 있다. 그 중에서도 우수한 화학산업을 기반으로 탄소의 재활용 기술을 선점하기 위한 다양한 노력을 기울이고 있다. 일본만의 특별한 기술을 보유하고 있는 분야가 있는데 바로 ‘인공 광합성’이 그것이다. 현재 전세계에서도 거의 유일하게 일본이 보유하고 있는 독자적인 기술인 인공광합성을 통해 향후 탄소 활용 및 절감을 이룩하려는 일본의 기술적 움직임에 대해 알아보고자 한다.

인공 광합성이란?

인공 광합성은 자연계의 광합성을 본 떠서 만든 기술로 CO2와 물을 원료로 태양 에너지를 활용하는 형태로 화학 물질을 합성하는 기술을 일컫는 말이다. 화석연료에서 탈피하여 신재생 에너지를 활용하여 화학 산업 분야에서 적응하기 위한 기술로 각광받고 있다. 특히 일본에서는 1년에 배출되는 이산화탄소의 6%가 화학 산업에서 배출되고 있기 때문에 화학산업의 이산화탄소 배출 절감 기술로 주목을 받고 있다.

인공광합성 이해도

자료: 자원에너지청

인공 광합성이 가능하게 하는 가장 큰 기술적 강점은 촉매 기술에 있다. 인공 광합성에는 빛에 반응하여 특정 화학 반응을 불러일으키는 <광촉매>라는 새로운 촉매를 사용한다. 이 광촉매를 통해 태양광이 반응하여 물을 수소와 산소로 분해한다. 그리고 ‘분리막’을 통해 수소만 분리하고 모아둔다. 그 다음 공장이나 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 분리막으로 걸러낸 수소와 결합하여 합성 촉매를 활용하여 화학 물질을 만들어낸다. 이와 같은 합성 과정을 통해 현재 연구되는 것이 올레핀 인공 광합성이다. 현재 가장 기술적인 완성도를 보이고 있는 ‘올레핀’ 합성 기술은 아래의 도식도와 같다.

인공광합성에 의한 올레핀 제조 공정

자료: 자원에너지청

인공광합성의 연구 진행 현황

인공광합성기술은 <광촉매>, <분리막>, <합성촉매> 3가지 분야에서 연구가 진행되고 있다. 경제산업성은 해당 프로젝트를 2012년부터 지원하기 시작하여 2014년에는 신재생에너지의 연구 프로젝트를 담당하는 신에너지 산업 기술 종합 개발기구(NEDO)에서 해당 프로젝트를 담당하며 기업, 대학, 국립 연구 기관 등 산관학 연계를 통해 국가 개발 기술로 역량을 집중하고 있다.

특히 해당 기술에서 중요한 부분은 태양 에너지를 활용해 물에서 수소와 산소를 생성할 때 얼마나 효율적으로 에너지를 변환할 수 있는지를 평가하는 ‘태양 에너지 변환 효율’이 특히 중요하다. 인공 광합성 기술이 산업 공정으로 인정받기 위해서는 저비용으로 효율적인 대량 생산이 가능해야 하고, 이를 위해서는 일반적인 식물의 광합성 에너지 변환 효율인 0.2%~0.3%를 크게 웃도는 에너지 변환 효율을 확보해야 한다.

이를 달성하기 위해 다양한 광촉매를 실험하고 촉매를 사용하기 위한 성형 가공 기술의 연구를 진행하고 있다. 수소와 산소를 각각 별도의 광촉매를 통해 생성하는 <텐덤 셀 형 광촉매>를 개발하여 각각 산소와 수소를 생산해 광합성의 효율을 2017년 3.7%, 2019년 5.5%까지 달성하는데 성공하였다. ‘질화 타르탄’이라는 광촉매를 활용하여 빛을 투과하기 쉬운 적색 투과라는 특징을 가지는 전극을 개발한 것이 큰 이유로 알려졌다. 현재는 7%까지 변환 효율이 올라가 2021년에는 10%를 달성하는 것을 목표로 삼고 있다.

타르템셀형 광촉매와 태양광 에너지변화효율 추이

자료: 자원에너지청

또한 인공광합성의 비용 절감을 위해 다양한 기술적 아이디어를 내고 있는 상황이다. 현재 주목받고 있는 방안은 <혼합 분말형 광촉매 시트>이다. 해당 시트를 물 속에 가라앉히고 태양광을 조사하면 해당 시트로부터 수소와 산소를 생성할 수 있어 인공광합성의 대 면적화, 저 비용화에 효과적인 기술로 기대되고 있다. 해당 시트는 현재 태양에너지의 변환 비율이 1.1%로 알려져 있다.

혼합 분말형 광촉매시트

자료: 자원에너지청

또한 실용화를 목표로 제조 공정의 연구도 진행되고 있으며 ‘스크린 인쇄’를 활용한 제조법 개발에도 성공하고 있다. 가루가 된 광촉매와 전기가 통과될 수 있는 재료를 인쇄기를 활용하여 기판 위에 도포하는 기술이다. 해당 기술을 통해서라면 대량으로 대면적 제작에 성공할 수 있다.

새로운 기술도 연구를 통해 이루어지고 있다. 세계 최초로 100%에 가까운 ‘양자수율’을 보여주는 분말형 광촉매를 개발했다. 양자수율이란 빛의 입자인 ‘광자’를 이용하는 효율을 측정하는 단위로 기존의 광촉매는 양자수율이 50%에 미치지 못하는 것으로 알려졌으나 이번에 새롭게 개발된 촉매는 향후 태양 에너지의 변환 효율을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다. 이를 통해 더 많은 수소를 만들어 낼 수 있게 되면서 더욱 저렴한 비용으로 인공 광합성을 이뤄낼 수 있을 것으로 기대된다.

그 외 분리막과 합성촉매의 경우도 개발이 진척되고 있는 것으로 알려졌다. 분리막의 경우 수소 투과성이 뛰어난 분리막 개발에 성공하고 있는 것으로 알려졌다. 폭발성이 있는 기체에서 안전하게 수소를 분리하는 기술을 확립하고 있는 중이다. 합성 촉매의 경우 CO2와 수소로부터 올레핀을 만드는 화학반응에서 수율이 50% 이상을 달성하고 있다. 또한 실험 및 시뮬레이션을 통해 소형 조종 장치의 설계도 진행되고 있다.

인공 광합성을 위한 정부 지원

앞서 언급한 바와 같이 일본은 향후 선도 기술로 인공광합성에 대한 연구 투자를 2012년부터 시작했다. 상당히 오랜 시간 유지되어오고 있는 기술 투자로 현재도 꾸준히 연구가 지속되어오고 있다. 현재 대표적으로는 NEDO와 인공광합성 화학공정기술 연구조합(ARPChem*), 신슈 대학 등이 공동개발 진행하는 인공 광합성 연구 진행을 들 수 있다. 향후 미래 기술 중 일본이 선도할 수 있는 기술이라는 측면에서 기업, 연구소, 대학 등 다양한 분야에서 공동으로 연구가 진행되고 있다.

*ARPChem : INPEX, TOTO, 후지필름, 미쓰이 화학, 미츠비시 화학의 연구 조합

일본 정부의 ‘그린 성장전략’에 의해 결성된 ‘그린 이노베이션 기금’에서도 CCUS 관련 프로젝트 기금이 검토되고 있는 상황이다. 인공 광합성과 관련하여서는 대규모 실증을 통해 2050년까지 기존 플라스틱과 동일한 생산 단가(100엔/kg)을 달성하여 실용화한다는 목표를 세우고 있다. 이를 위해 2030년까지 태양에너지 변환효율을 10%달성하고 수소제조 코스트를 30엔/Nm3을 달성하는 목표를 세우고 있다. 최종적으로 수소 제조 코스트를 20엔/Nm3까지 낮추는 것이 목표이다. 이를 위해 기금을 활용하여 연구 개발비의 2/3을 보조하며 최종적으로 1/2의 보조까지 기술 개발 상황을 끌어 올리는 것을 계획하고 있다. 실제 연구 기금의 투자예산은 추후 발표될 것으로 알려졌다.

참고자료 : 일본 그린성장전략의 예산인 2조엔 기금 '그린 이노베이션 기금', 그 첫번째 사업은 '수소산업'

2012년부터 근 10년간 꾸준히 연구 개발이 진행되어 왔으며 인공 광합성과 관련하여서는 전세계 다른 국가에서 아직까지 활발한 연구가 진행되고 있지 않은 일본의 신기술이라고 할 수 있다. 인공 광합성 특허 현황을 살펴보더라 일본이 94,117건으로 다른 국가들과 비교해도 압도적인 기술적 우위를 보이고 있음을 알려주고 있다. 인공광합성과 관련한 특허를 보유하고 있는 상위 5개 기업들이 전부 일본 기업임을 볼 때 일본이 현재 많은 노력을 들여 해당 기술의 개발에 앞장서고 있는 것을 확인할 수 있다.

인공광합성 특허 건수

(단위: 건)

인공 광합성 특허보유 상위 5개사

자료: 자원에너지청

시사점

일본은 그린 성장 전략을 발표하면서 2조 엔의 그린 이노베이션 기금을 구성해 향후 일본을 지지할 수 있는 연구 프로젝트에 투자할 계획이다. 탄소 절감, 활용을 위한 CCUS 기술 등에도 많은 예산이 투자될 것이며 그 외 화학 산업에서의 탈탄소 기술들에도 연구 투자가 지속될 것이다. 이런 흐름 속에 인공 광합성에 대해 일본이 기대하는 바는 매우 크다.

일본의 화학산업의 우수한 기술력을 충분히 활용하였고 산관학이 모두 협력하여 장기간의 연구개발 투자를 통해 새로운 기술을 개발할 수 있는 연구적 토양이 조성되어 있다는 점은 한국도 참고할만 하다. 향후 미래 기술에 대한 연구 개발이 점점 더 중요해가는 상황에서 장기적이고 전략적인 연구 투자를 어떻게 진행해야할지에 대한 고민도 필요할 것이다.

현재 일본은 카본리사이클 정책(CCUS 및 탄소 활용 등)에서 우수한 화학 기술력을 활용하여 시장을 선점해 나가고자 노력을 기울이고 있다. CCUS 분야에서도 글로벌 프로젝트들을 진행하는 등 탄소 활용 기술을 위한 글로벌 시장 장악을 위해 노력하고 있으며 다양한 기술 개발도 진행하고 있다. 이에 우리 기업들이 새로운 진출 기회를 포착함과 동시에 장기적이고 전략적인 연구 개발 방향을 세우는 것이 더욱 중요해질 전망이다.

자료: 자원에너지청, 오사카무역관 종합