[테크M = 남기태 서울대 재료공학부 교수]

지구가 뜨거워지고 있다. 이상기후 현상이 전 세계적으로 일어나고 있다. 이러한 기후변화의 원인은 늘어나고 있는 이산화탄소라고 말한다. 19세기 산업화가 일어나기 전에는 대기 중 이산화탄소 농도는 약 250ppm이었다가 지난해는 인류가 관측한 이래 최초로 400ppm을 넘어섰다.

인류는 석탄이나 석유를 태워 에너지를 사용하고 있는데, 그 부산물이 이산화탄소다. 더욱이 시멘트를 만들거나 철강을 생산할 때도 이산화탄소가 배출된다.

우리가 더 발전할수록, 더 많은 경제활동을 할수록, 지금의 시스템 내에서는 이산화탄소를 필연적으로 더 배출하게 된다. 인류가 특별한 노력을 하지 않는다면 이산화탄소의 배출은 계속 증가할 것이다. 공기 중의 이산화탄소 농도도 올라갈 것이다.

이산화탄소의 증가는 이상기후 현상뿐 아니라 바다의 생태계마저도 변화시킬 것으로 예상된다. 위기의식이 국제적으로 공감대를 형성했고 지난해 파리협약을 통해 범국가적인 이산화탄소 감축에 대한 합의를 이뤄냈다.

우리나라는 2030년까지 예상배출량의 37%를 감축하기로 했다. 이산화탄소의 계속적인 증가를 막을 수 있는 목표들을 정한 것은 아니지만, 전 세계가 이 문제의 심각성을 알고 노력하기로 했다는 데서 그 의미를 찾을 수 있다.

그럼 이산화탄소 증가의 해결책은 무엇일까? 이산화탄소의 배출을 줄이는 방법, 이산화탄소를 포집하는 방법 등 많은 노력이 이뤄지고 있다. 하지만, 아직까지 뚜렷한 해결책이 없다는 것이 위기감을 더욱 느끼게 한다.

자연에서 찾는 이산화탄소 증가의 해법

100여 년 전에도 인류는 비슷한 위기를 겪었다. 비료의 주원료는 암모니아인데, 인구가 증가하는 것에 비해 자연계에 존재하는 암모니아가 턱없이 부족했다. 더 이상 비료를 자연적으로 이용할 수 없는 시기에 도달하게 된 것이다. 유럽지역에서는 더 이상 비료가 많은 비옥한 땅이 남아 있지 않을 것으로 예상됐고, 남미지역이 세계에서 유일하게 남은 암모니아 공급지가 되는 지경에 이르게 됐다.

이런 위기 속에서 새로운 기회가 찾아왔다. 독일의 과학자 하버가 공기 중의 질소와 수소를 이용해 암모니아를 합성하는 새로운 기술을 개발한 것이다. 이를 통해 인류는 암모니아 부족 문제를 해결할 수 있었다. 박테리아만 할 수 있다고 여겨진 질소의 순환을 인류가 드디어 새로운 공정을 통해 이뤄낸 획기적인 사건이었다.

이산화탄소 배출 문제는 지구 전체로 보면 인류가 탄소 순환을 지속할 수 있느냐의 문제로 요약할 수 있다. 산업혁명 전까지 탄소 순환은 식물의 광합성 작용을 통해 자연스럽게 이뤄졌다.

광합성은 물과 이산화탄소를 이용해 물은 산화돼 산소가 되고, 이산화탄소는 환원돼 포도당이 되는 과정이다. 광합성을 통해 탄소는 끊임없이 순환할 수 있었고, 배출된 이산화탄소도 다시 유용한 에너지원이 될 수 있었다.

지금의 이산화탄소 문제는 반드시 우리가 10년 내에 해결해야 하는 중요한 문제다. 자연이 그래왔던 것처럼 그 해결책이 태양 에너지를 이용하는 광합성에 있다고 생각한다.

단순히 광합성을 구현한다는 것이 아니다. 자연계의 광합성보다 더 효율적인 순환공정을 우리가 확립해야 한다. 더 효율적으로, 더 빠르게, 더 많이 태양빛을 이용해 이산화탄소를 에너지원으로 변환 시켜야 한다.

이미 우리는 30%의 효율을 가진 태양전지를 만들 수 있다. 광합성의 태양 에너지 이용 효율은 최대 5% 정도로 인류는 이미 태양빛을 더 효율적으로 이용하는 기술을 가지고 있다.

식물은 광합성으로 포도당을 만든다. 동물들은 그것을 섭취하고 탄소들이 더 농축되면 석유와 석탄이 된다. 오랜 시간이 걸리는 이 공정을 우리는 더 빨리 구현할 수 있을 것이다.

배출되는 이산화탄소와 태양 에너지를 이용해 더 유용한 에너지원과 재료를 만들 수 있다. 이산화탄소로 메탄올, 에탄올, 개미산을 만들고, 플라스틱의 주성분인 에틸렌을 만들고, 더 고부가가치의 탄소 소재를 만드는 날도 꿈이 아니다.






새로운 기회를 잡는 연구

문제는 필요한 에너지이다. 이산화탄소를 이용해 위에서 언급한 원료나 재료를 만드는 일은 조금씩 실현이 되고 있다. 그러나 지금의 상황은 필요한 에너지와 추가 비용이 많이 든다는 데 문제가 있다.

여기에서 우리 과학자들의 고민이 시작된다. 어떻게 더 효율적으로, 경제적으로 이산화탄소를 고부가가치의 재료로 만들 수 있을까? 가능함을 증명하는 것이 아니라, 정말로 세상을 변화시킬 정도의 새로운 공정이 필요하다.

가능함에 대한 여러 증거가 있고 인류에게 필요한 기술임은 분명하다. 그리고 광합성이라고 하는 놀라운 예가 있다. 그런데 이 퍼즐을 어떻게 맞출 수 있을까? 이것이 바로 우리가 도전해야 할 과제이고 새로운 기회다.

우리 연구실도 이 과제에 도전하고 있다. 식물의 광합성을 모방한 새로운 전기화학 시스템을 디자인하는 것과 공기 중의 이산화탄소를 이용한 무기물 재료를 만드는 연구를 하고 있다.

기존 태양전지를 이용해 태양으로부터 전기를 공급받고, 이 전기로 이산화탄소를 환원시키는 것이다. 이산화탄소를 물에 녹이고 음극과 양극에 전압을 가하는 방식으로 양극에서는 산소가 만들어지고 음극에서는 알코올이 만들어진다.

두 가지의 난제가 존재한다. 어떻게 반응에 필요한 과전압을 낮춰 적은 에너지로 알코올을 생산할 것인가, 또 어떻게 이산화탄소에서 선택적으로 알코올만 만들게 할 수 있는가이다.

첫 번째 문제를 해결하기 위해 음극과 양극에 쓰일 수 있는 새로운 촉매를 개발하고 있다. 두 번째 문제는 이산화탄소에서 나올 수 있는 결과물이 다양하기 때문에 생기는 것으로, 반응 중에 양성자와 전자의 이동을 어떻게 선택적으로 제어하느냐가 중요하다.

이산화탄소를 이용해 무기물을 만드는 연구도 자연계에서 그 원리를 발전시킨 예이다. 자연에서는 이산화탄소가 바다 용해돼 칼슘과 반응해 조개껍질의 주성분인 탄산칼슘이 만들어지는데, 그 안의 신비로운 재료과학이 있다. 이산화탄소를 주성분으로 하는 탄산칼슘이 조개껍질같이 단단한 재료로 만들어질 수 있는 것은 그 안의 단백질이 계층적 나노구조를 만들기 때문이다.

탄산칼슘을 공기 중의 이산화탄소로부터 쉽게 만들고, 그것을 이용한 하이브리드 나노 구조재료를 만드는 연구를 하고 있다.

<본 기사는 테크M 제41호(2016년9월) 기사입니다>