인공광합성공동연구센터, 미국 인공광합성 연구의 최전선을 가다

2015년 10월 01일 13:55

미국 인공광합성공동연구센터(JCAP)는 세계적 인공광합성 연구센터다. JCAP의 양대 센터 중 하나인 ‘버클리 랩(Berkeley Lab)’의 부서장 프랜시스 울 박사와의 e메일 인터뷰를 통해 인공광합성 연구의 최신 흐름을 들어봤다.

 

미국의 인공광합성 연구는 인공광합성공동연구센터(Joint Center for Artificial Photosynthesis, JCAP)가 중심이다. 2010년 미국 에너지부(DOE) 혁신허브로 설립된 JCAP은 태양빛, 물, 이산화탄소만으로 연료를 생산하는, 비용 효율적 방법을 찾는 것이 주요 미션이다. 당시 미국 의회는 여기에 5년간 1억 2,200만 달러의 예산을 배정했다. 미국 오바마 대통령은 2011년 국정연설에서 JCAP의 인공광합성 연구를 ‘우리 시대의 아폴로 프로젝트’라고 언급하기도 했다.
JCAP은 캘리포니아공대(Caltech)와 로렌스버클리국립연구소(LBNL)에 하나씩 2개의 주요 센터를 두고 있으며, 스탠퍼드대, 버클리 캘리포니아대, 산타바버라 캘리포니아대, 어바인 캘리포니아대, 샌디에이고 캘리포니아대 등이 참여하고 있다. JCAP의 로렌스버클리국립연구소 부서(department)인 ‘대규모 시스템 과학(the Science of Large Scale Systems)’의 부서장(department head)인 프랜시스 울(Frances Houle) 박사를 e메일로 인터뷰해 미국의 인공광합성 연구동향에 대해 들어봤다. 울 박사는 오는 10월 관련 센터의 조직 개편에 따라 ‘과학 및 연구 통합 분야(Science and Research Integration)’의 부소장(deputy director)을 맡게 될 것이다.

 

울 박사는 현재 JCAP 버클리 랩의 ‘대규모 시스템 과학’ 분야 부서장을 맡고 있다. - JCAP 버클리 랩 제공
울 박사는 현재 JCAP 버클리 랩의 ‘대규모 시스템 과학’ 분야 부서장을 맡고 있다. - JCAP 버클리 랩 제공

 

 

Q. 그동안 주로 어떤 연구를 해왔으며, 인공광합성 분야에서는 어떤 연구를 했나?
A. 인공광합성 분야의 연구에 착수한 것은 얼마 되지 않았지만, 장치를 제작하는 데 사용되는 유기물질과 무기물질의 화학 분야, 물질 표면에서의 광화학 반응 분야에 관련된 연구 경험은 풍부하다. 특히 IBM, 인바이사이지 테크놀러지(InVisage Technologies) 같은 반도체기업의 R&D 분야에서 오랜 경험을 쌓았다. 2013년 JCAP에 합류한 이래, 수많은 프로젝트에 자문 역할로 참여했다.

 

Q. 현재 맡고 있는 부서는 구체적으로 어떤 업무를 하는 곳인가?
A. JCAP의 LBNL 파트, 즉 버클리 랩의 ‘대규모 시스템 과학’ 부서는 JCAP의 대표적 연구기관 중의 하나로, 칼텍의 ‘가속화된 발견(Accelerated Discovery)’부서와 상호보완적 관계에 있다. 두 부서는 인공광합성 분야에서 함께 발전해야 한다. 반도체, 촉매, 막(membranes)처럼 전망이 밝은 재료는 그 자체로 중요하지만, 작동하는 시스템으로 통합돼 그 효율과 안전성을 검사받지 않으면 유용하다는 것으로 명백히 입증받을 수 없다. 성공적으로 통합하려면, 그 계면(interfaces)을 포함해 함께 조립된 얇은 막(films)의 특성을 깊게 이해하고, 조립부품들이 고성능을 보이도록 합성하는 효과적인 방법들을 개발할 필요가 있다. 조립부품들에 대한 연구 결과는 사용된 재료를 향상시키는 데 쓰인다. 이제까지 우리는 주로 수소를 만들기 위한 물 분해에 집중해 왔기 때문에, 우리가 연구해 왔던 시스템도 그 목적에 맞게 설계되고 있다. JCAP은 최근 5년을 새로이 연장했는데(지난 4월 28일 DOE는 JCAP에 7,500만 달러를 새로 지원하기로 결정했다), 우리 과학 연구의 초점은 이제 CO2를 환원해 액체연료를 만드는 데로 옮겨질 것이다. 전극으로 재료를 통합하는 것은 앞으로도 중요하게 연구될 것이다.

 

Q. 버클리 랩에서 인공광합성 연구는 얼마나 중요하게 진행되고 있는가?
A. 버클리 랩은 DOE의 국가연구소 중 하나다. 버클리 랩에서의 자연광합성과 인공광합성에 대한 연구는 오랜 역사를 자랑하는데, 노벨상 수상자인 멜빈 캘빈 박사(광합성의 화학적 경로, 즉 ‘캘빈 회로’를 발견한 공로로 1961년 노벨 화학상 수상)에 의한 연구가 가장 유명하다. 버클리 랩의 연구는 화석연료를 사용하지 않고 인류의 필요를 충족시켜줄 청정한 재생에너지를 생산하는 기술로 이어질 수도 있기 때문에 DOE에서 지원하고 있다.

 

Q. 인공광합성 연구개발이 우리 삶 또는 세계에 가져올 의의는?
A. 현재 인공광합성 기술은 매우 멋지고 흥미진진한 비전을 갖고 있다. 이 기술의 성공이란 지구 대기에 온실가스를 증가시키지 않으면서 인류가 필요한 연료를 풍부하고 재생 가능하며 탄소 중립적으로 얻게 될 것이란 뜻이다. 하지만 이런 비전을 현실로 바꾸기 위해서는 많은 과학적, 공학적 연구가 필요하다. 최근에 JCAP에서 진행한 기술 평가에 따르면, 태양빛과 물로부터 수소를 생산하는 데 쓰이는 광전기화학 장치의 효율과 내구성을 개선하는 것이 성공적인 기술을 달성하기 위해 대단히 중요하다. 아직 분석이 이뤄지지는 않았지만, 동일한 요소가 태양빛, 물, CO2로부터 연료를 얻는 데도 중요하다고 해도 놀랍지 않다. 이는 물리학, 화학, 재료과학에서의 발전이 필요한데, 덕분에 우리가 현재 생각하지 못하고 있는 다른 분야에서 많은 혜택을 얻을 수 있을 것이라 확신한다.

 

버클리 랩의 추 홀 내부. 이곳에는 태양빛에서 연료를 개발하기 위해 인공광합성을 연구하는 여러 실험실들이 마련돼 있다. - JCAP 버클리 랩 제공
버클리 랩의 추 홀 내부. 이곳에는 태양빛에서 연료를 개발하기 위해 인공광합성을 연구하는 여러 실험실들이 마련돼 있다. - JCAP 버클리 랩 제공

 

 

Q. 최근 인공광합성 분야의 연구성과 중에서 가장 돋보이는 것은?
A. JCAP은 이 분야를 진보시키는 데 도움이 될 만한 몇몇 연구를 진행하고 있다. 즉 내식(anti-corrosion) 보호층의 개발, 효율적 장치를 설계하기 위한 다중물리 모델의 개발, 새로운 촉매와 반도체를 발견하기 위한 고속처리 결합법의 사용, 촉매 메커니즘과 작동하는 광전극의 전자 구조를 이해하기 위한 현장 연구의 적용 등이다. JCAP은 다학제적이고 고도로 협력하는 팀으로 운용되는데, 이는 우리가 고효율의 장치를 실증하는 목표를 달성하기 위해 이런 연구 부문에서의 진보(성과)를 충분히 이용하는 데 도움이 돼 왔다.

 

Q. 국제적으로 인공광합성을 연구하는 팀들을 소개해 달라. 버클리 랩은 다른 연구팀과 어떻게 협력하는가?
A. 인공광합성에 대한 연구는 국제적으로 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있다. 하나는 유용한 인공광합성 조립부품들을 창출하기 위해 자연광합성에서 배우는 데 초점을 두고, 다른 하나는 살아 있는 세포들이 할 수 있는 것을 얻기 위해 반도체 물리학의 원리를 사용하는 무기물 장치에 초점을 두는 것이다. 우리는 이 두 유형의 연구로부터 배우려고 노력하는데, 훌륭하고 중요한 아이디어는 도처에 있다. 독일 베를린에 있는 헬름홀츠센터(Helmholtz Zentrum)가 요즘 우리가 주로 하는 것(수소생산)과 가장 밀접한 연구를 하는 센터일 것이다. 지금 우리가 국제적 센터, 연구그룹과 공식적으로 공동연구를 하지는 않지만, 전부는 아니더라도 대부분의 구성원들과 밀접한 전문적 유대관계를 갖고 교류한다(한국인공광합성연구센터(KCAP)와도 이런 식의 비공식적 관계를 통해 교류하고 있다). 이는 JCAP의 연구가 성공적으로 발전하는데 극히 중요하다고 생각한다.

 

Q. 인공광합성 분야는 언제쯤 상용화 단계에 이를지 예상해 달라.
A. 인공광합성을 이용해 물로부터 수소를 발생시키는 데 상당한 진보가 이루어졌다. 과학에서 기술로의 전환이 시작될 준비가 돼 있다고 할 수 있지만, 경험상 이것이 결코 간단하지 않다. 극복해야 할 많은 새로운 도전과제가 있을 것이다. 상용화시기를 추정하기는 매우 어렵다. DOE의 응용 연구실들은 이 분야의 진보에 많은 흥미를 갖고 있으며, 콜로라도에 있는 재생에너지연구소(NREL)와같은 곳에서는 현재 흥미진진한 프로젝트를 진행 중에 있다. 이런 것들이 상용화로의 전환을 가속화하는 데 중요할 것이라고 생각한다.

 

Q. 한국의 인공광합성 연구진에게 한마디 해 달라.
A. 때때로 우리가 정말로 새로운 기술을 만들어 갈때 진보는 매우 느린 것 같다. 그 기술을 위한 과학 기반을 세우기 위해 조심스럽게 연구하고, 최종 산물이 현재 우리가 상상하는 것과 같을 것이라고 예상하지 않는 것이 중요하다고 생각한다. 이는 지속적으로 나타날 난제들에 대한 새로운 해결책을 강구할 때 우리에게 열린 마음을 갖도록 해준다.

 

*본 콘텐츠는 녹색기술센터에서 발행한 < Green Tech. HORIZON> 6호에서 발췌한 내용입니다.

 

 


녹색기술센터 권윤택 연구원

passion83k@gmail.com

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