광합성 반응을 모사한 리튬공기전지가 개발되어, 차세대 전지 기술의 새로운 연구방향이 기대된다. 숙묭여대 류원희 교수와 울산과학기술원 류정기 교수 공동연구팀이 인공광합성 촉매를 적용해 리튬공기전지용 촉매 시스템을 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다. 현재 상용되는 리튬이온전지로는 전기자동차의 주행거리가 200~300 km 내외에 그치며, 한 번 충전으로는 서울에서 부산까지 가기 어렵다. 반면 리튬공기전지는 리튬이온전지보다 에너지밀도가 2~3배 높으며, 전기자동차가 500 km 이상 장거리 운행할 것으로 기대된다. 그러나 리튬공기전지는 구동할 때의 생성물로 인해 전지의 수명이 저하되는 한계가 있다. 리튬공기전지의 성능을 향상시키기 위해서 고효율 촉매가 도입되어야 하며, 전기자동차의 대중화를 위해 촉매는 친환경적이고 저렴해야 한다. 연구팀은 자연모사 광합성 기술에서 사용되는 물분해 촉매 물질을 리튬공기전지에 도입했다. 리튬공기전지 내부의 전해액에 폴리옥소메탈레이트(Polyoxometalate, POM)라는 촉매를 분산 도포함으로써 전기화학적인 반응을 촉진시키고 용량과 수명을 크게 향상시켰다. 또 촉매인 폴리옥소메탈레이트는 형광등과 같은 생활의 빛에서 촉매 활성을 잃어버린다는 사실을 밝혀냈다. 이 독특한 특성을 활용하면 빛으로 촉매 활성을 자유자재로 켜고 끄는 ‘광 스위치’로 발전시킬 수 있다. 류원희 교수는 “이 연구는 기초화학과 에너지·환경공학이 결합한 융합 연구로서, 자연광합성을 모사한 인공광합성 기술이 신개념 전지기술로 적용될 수 있는 교두보를 마련했다”며, “리튬공기전지 기반의 전기자동차 상용화에 도움을 줄 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구)의 지원으로 수행됐다. 국제전문학술지 ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)에 6월 25일 게재됐다. seokjang@fnnews.com 조석장 기자

[파이낸셜뉴스] 변덕스러운 봄 날씨에도 나무의 푸른색이 점점 짙어지고 있습니다. 나뭇잎이 많을수록 이산화탄소 흡수가 많아지고 산소가 많이 생기겠죠. 이러한 현상은 식물의 광합성 작용으로 일어납니다. 그런데 인공광합성에 대해서 아시나요. 태양의 빛 에너지를 이용해 물을 산소와 수소로 만들어 저장하는 것을 말합니다. 인류가 산업이 발전하면서 너무 많은 이산화탄소를 만들어내 지구 온도가 계속 올라고 있습니다. 계속해서 지하자원을 활용해 화학제품과 석유를 만들어 사용하면 지구의 온도가 너무 올라가 나중에는 되돌릴 수 없는 기후변화가 일어나게 된다고 합니다. 남극과 북극에 있는 얼음이 녹고, 가뭄과 홍수가 지구 곳곳에서 일어나 결국에는 우리가 살기 힘들게 되는 거죠. 그럼 심각한 기후변화를 막으려면 어떻게 해야 할까요. 석유 같은 지하자원 사용을 최대한 줄여 이산화탄소가 생기는 것을 최소화 해야 합니다. 그래서 세계 각국에서는 태양 빛이나 바람, 물을 사용하는 방법을 개발하고 있습니다. 자연적인 현상을 이용해 에너지를 쓰려면 이 에너지를 잘 저장해 두는 것도 중요합니다. 우리가 지금까지 이차전지에 전기를 저장하는 방법을 가장 많이 사용하고 있습니다. 그런데 과학자들은 앞으로 수소로 만들어 저장하는 방법을 많이 사용하게 될 것이라고 합니다. 이를 가리켜 '수소경제시대'라고 합니다. 그럼 수소경제시대에 대비해 우리나라는 무엇을 준비해야 할까요. 최소한의 비용으로 수소를 만들는 방법을 개발하는 것이 우선이고, 다음으로는 수소를 저장하고 유통시키는 방법을 준비해야 합니다. 과학자들은 우리나라 지역 환경을 생각했을때 수소를 직접 만드는 것보다 유통과정에 필요한 다양한 기술을 개발해야 한다고 했습니다. 예를들어 농부가 농가에서 부추를 생산해 중간 유통상인들에게 팔때는 한단에 1000원 정도이지만 최종 소비자인 우리가 마트나 야체가게에서 살때는 최대 1만원까지 치솟습니다. 그럼 휘발유는 어떨까요. 휘발유를 만드는 원유가 1L에 약 600원 정도입니다. 이 원유를 중동에서 가져와 정제해서 휘발유로 만들어 주유소에서 팔때는 1L에 1660원입니다. 2배를 넘어서는 가격이죠. 이처럼 수소는 만드는 것도 중요하지만 저장하고 운송하는 방법도 굉장히 중요하다고 합니다. 수소를 기체상태로 저장하기엔 저장용기가 너무 커야해서 액체상태로 저장해야 합니다. 가장 적절한 방법으로 액화천연가스(LNG)를 저장하고 운송하는 법입니다. 천연가스를 영하 161도로 얼려 액체로 저장합니다. 그럼 기체로 있는 것보다 부피가 600분의 1로 줄일 수 있죠. 하지만 엄청난 압력과 영하의 온도를 유지해야 해서 비용이 많이 들어갑니다. 과학자들은 이 문제를 암모니아로 만들어 저장하는 것으로 해결할 수 있다고 합니다. 암모니아의 분자식을 보면 질소 하나에 수소 세개가 붙어있습니다. 암모니아는 저장할때 엄청난 압력이나 온도가 필요치 않습니다. 우리나라 과학자들도 수소를 암모니아로 쉽게 만들고 다시 암모니아를 수소로 쉽게 바꾸는 방법을 개발중입니다. 우리나라가 원유를 수입해 휘발유나 석유화학제품으로 잘 만들어 다시 수출하는 것처럼 수소도 그렇게 하지 않을까요.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 스위스 로잔연방공과대학교(EPFL) 화학공학자 케빈 시불라 박사팀이 햇빛과 공기중의 습기만으로 수소를 만드는 인공광합성 장치를 개발했다. 지금껏 인공광합성 장치는 물에서 수소를 만들었지만 대기중의 습기를 이용한 것은 이번이 처음이다. 시불라 박사는 9일 "햇빛만으로 공기중에서 수소를 만들어내는 효율이 물에서 수소를 만드는 것보다 낮다"고 말했다. 즉 현재 물 기반의 광전기화학(PEC) 전지에서 달성할 수 있는 것보다 적다는 것이다. 연구진이 만든 장치의 태양-수소 변환 효율은 최대 12%인 반면, 물 기반의 PEC 전지는 최대 19%다. 시불라 박사는 "지속 가능한 사회를 실현하기 위해서는 재생 에너지를 산업계에서 연료와 공급 원료로 사용할 수 있는 화학 물질로 저장하는 방법이 필요하다"며 "태양 에너지는 재생 가능한 에너지의 가장 풍부한 형태이며, 우리는 태양 연료를 생산하기 위한 경제적으로 경쟁력 있는 방법을 개발하기 위해 노력하고 있다"고 말했다. 연구진이 개발한 장치는 식물이 공기중의 이산화탄소를 사용해 햇빛을 화학에너지로 바꾸는 방법에서 영감을 얻었다. 식물은 대기로부터 이산화탄소와 물을 얻고, 햇빛으로부터 추가적인 에너지를 얻어 당과 녹말을 만들어낸다. 이 과정이 바로 광합성인데, 햇빛 에너지가 당과 녹말이라는 화학 결합의 형태로 저장된다. 시불라 박사팀이 개발한 투명 가스 확산 전극은 빛을 받아내는 반도체 물질로 코팅하면 실제 인공 잎처럼 작용해 공기와 햇빛에서 물을 수확해 수소가스를 생산한다. 즉 햇빛 에너지가 수소 결합의 형태로 저장되는 것이다. 마리나 카레티 박사는 "투명 가스 확산 전극은 아직까지 개발된 적이 없었기 때문에 시제품 장치를 개발하는 것이 어려웠고, 각 단계마다 새로운 절차를 개발해야 했다"고 설명했다. 연구진은 그럼에도 각 단계가 비교적 간단하고 확장이 가능해 태양광으로 작동하는 수소 생산 가스 확산 기판 뿐만아니라 여러 분야에서 응용이 가능할 것으로 내다봤다. 연구진은 투명한 가스 확산 전극을 만들기 위해 석영 섬유인 유리솜 유형으로 시작해 고온에서 섬유를 함께 융합해 펠트 웨이퍼로 만들었다. 그 다음, 웨이퍼는 우수한 전도성, 견고성과 스케일업이 쉬운것으로 알려진 불소가 첨가된 주석 산화물의 투명 박막으로 코팅했다. 첫 단계는 투명하고 다공성이며, 전도성 있는 웨이퍼로,공기 중의 물 분자와 접촉을 극대화하고 빛 입자를 통과시키는 데 필수적이다. 그런 다음 웨이퍼는 햇빛을 흡수하는 반도체 재료의 얇은 필름으로 다시 코팅된다. 이 두 번째 얇은 코팅은 여전히 빛을 통과시키지만, 다공성 기질의 큰 표면적 때문에 불투명하게 보인다. 이렇게 코팅된 웨이퍼는 햇빛에 노출되면 수소를 생산할 수 있다. 연구진은 계속해서 코팅된 웨이퍼를 포함하는 작은 챔버와 측정을 위해 생산된 수소 가스를 분리하기 위한 얇은 막을 만들었다. 이렇게 완성된 챔버는 습한 조건에서 햇빛을 받으면 수소 가스를 생산하는 투명한 가스 확산 전극이다. 시불라 박사팀은 인공광합성 장치인 '투명 가스 확산 전극'을 개발해 지난 4일 재료 분야 최고 권위 학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 발표됐다. 시불라 박사는 "지속 가능한 사회를 실현하기 위해서는 재생 에너지를 산업계에서 연료와 공급 원료로 사용할 수 있는 화학 물질로 저장하는 방법이 필요하다"며 "태양 에너지는 재생 가능한 에너지의 가장 풍부한 형태이며, 우리는 태양 연료를 생산하기 위한 경제적으로 경쟁력 있는 방법을 개발하기 위해 노력하고 있다"고 말했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

하나금융과 카이스트(KAIST)가 미래 친환경기술 개발을 위해 손을 잡았다. 즉, 하나금융이 카이스트에 200억원을 지원해 '2050 탄소중립'을 위한 인공광합성 연구에 나서는 것이다. 24일 하나금융은 카이스트와 △기후변화 문제 해결 △저탄소 에너지경제로의 전환 △신재생에너지 확대 등을 목표로 하는 'ESG 미래전략' 업무협약을 체결했다고 밝혔다. 이에따라 두 기관은 ESG 신기술 개발 및 가치 창출을 목표로 글로벌 탄소중립 정책 기여 등 진정성 있는 산학협력을 추진할 계획이다. 특히 궁극적인 탄소중립 기술을 연구하기 위해 탄소(Carbon)를 포집(Capture), 활용(Utilization), 저장(Storage)하는 CCUS 기술의 일환인 인공광합성 분야에 대한 적극적인 협력을 할 예정이다. 이를 위해 하나금융그룹은 다양한 학술활동 및 그룹의 ESG경영 실천을 위해 100억원을 지원하고, 미래 부가가치 창출을 통한 사회적기여 및 사회발전을 위한 마중물로 인공광합성 연구소 공동 설립에 100억원을 지원키로 했다. 인공광합성은 식물의 엽록소가 햇빛을 이용해 이산화탄소와 물을 영양분인 포도당으로 바꾸는 광합성 작용을 흉내 낸 기술이다. 인공광합성에서는 광촉매, 태양전지 등을 활용해 광합성과 동일한 과정을 거치나 최종적으로 포도당이 아닌 수소, 메탄올 같은 연로나 일산화탄소 등 산업원료를 최종적으로 생산한다. 김정태 하나금융그룹 회장은 "탄소중립이 국제사회 화두가 되고 있는 가운데 탄소를 활용할 수 있는 미래 기술 상용화가 시급한 상황"이라며 "이번 협약은 미래기술 상용화와 기후변화 문제를 해결할 게임체인저가 될 것으로 믿는다"고 말했다. pride@fnnews.com 이병철 기자

[파이낸셜뉴스]  하나금융과 카이스트(KAIST)가 미래 친환경기술 개발을 위해 손을 잡았다. 즉, 하나금융이 카이스트에 200억원을 지원해 '2050 탄소중립'을 위한 인공광합성 연구에 나서는 것이다.   24일 하나금융은 카이스트와 △기후변화 문제 해결 △저탄소 에너지경제로의 전환 △신재생에너지 확대 등을 목표로 하는 'ESG 미래전략' 업무협약을 체결했다고 밝혔다.  이에따라 두 기관은 ESG 신기술 개발 및 가치 창출을 목표로 글로벌 탄소중립 정책 기여 등 진정성 있는 산학협력을 추진할 계획이다.  특히 궁극적인 탄소중립 기술을 연구하기 위해 탄소(Carbon)를 포집(Capture), 활용(Utilization), 저장(Storage)하는 CCUS 기술의 일환인 인공광합성 분야에 대한 적극적인 협력을 할 예정이다.  이를 위해 하나금융그룹은 다양한 학술활동 및 그룹의 ESG경영 실천을 위해 100억원을 지원하고, 미래 부가가치 창출을 통한 사회적기여 및 사회발전을 위한 마중물로 인공광합성 연구소 공동 설립에 100억원을 지원키로 했다.  탄소 포집·저장 기술인 CCS는 현재 전 세계적으로 대규모 상업용 설비가 운영 중이나 탄소 포집·활용 기술인 CCU는 시장이 형성되지 않은 신산업 분야다. 인공광합성은 식물의 엽록소가 햇빛을 이용해 이산화탄소와 물을 영양분인 포도당으로 바꾸는 광합성 작용을 흉내 낸 기술이다. 인공광합성에서는 광촉매, 태양전지 등을 활용해 광합성과 동일한 과정을 거치나 최종적으로 포도당이 아닌 수소, 메탄올 같은 연로나 일산화탄소 등 산업원료를 최종적으로 생산한다. 예를 들어 태양광 발전을 활용해 인공광합성을 거치면 우선 태양광 발전을 통해 전기를 생산한다.  그 후 생산된 전기로 물을 분해해 수소와 산소를 생성하고 수소와 대기 중 이산화탄소를 결합시켜 고부가가치 화합물을 생산하게 된다.  김정태 하나금융그룹 회장은 "최근 탄소중립이 국제사회 화두가 되고 있는 가운데 탄소를 활용할 수 있는 미래 기술 상용화가 시급한 상황"이라며 "이번 하나금융그룹과 카이스트의 업무협약은 탄소중립을 위한 미래기술 상용화와 기후변화 문제를 해결할 수 있는 게임체인저가 될 것으로 믿는다"고 말했다.  이광형 KAIST 총장은 "ESG 경영에 대한 하나금융그룹의 실천 의지와 미래사회를 바라보는 KAIST의 비전과 기술이 만나 기후 위기와 탄소중립이라는 인류의 난제를 성공적으로 풀어나갈 시너지를 발휘할 것으로 기대한다" 며 "이번 협력을 통해 유망산업 육성 및 저탄소산업 생태계 조성 등 다양한 부가가치 창출하는 모범적 선례를 남길 수 있길 바란다"라고 강조했다. pride@fnnews.com 이병철 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 이산화탄소를 고부가가치 화합물 원료인 일산화탄소로 바꾸는 인공광합성 기술을 향상시켰다. 연구진은 고효율 인공광합성 기술로 제철소와 석유화학 공장 등에서 발생하는 이산화탄소를 일산화탄소로 전환해 온실가스를 저감할 수 있다고 설명했다. 또한 석유화학 공정에서 생산되는 기초 화합물들을 '탄소중립'이 실현된 인공광합성 방법을 통해 생산할 수 있을 것이라고 전망했다. 한국과학기술연구원(KIST)은 청정에너지연구센터 오형석 박사팀이 실리콘 태양전지를 결합한 넓은 면적의 인공광합성 시스템을 만들어냈다고 29일 밝혔다. 오형석 박사는 "상용 실리콘 태양전지로 실제 야외 환경에서 햇빛으로 직접 작동하는 진정한 의미의 인공광합성 시스템을 구축했다"고 말했다. 인공광합성 기술은 자연 광합성을 모방해 식물처럼 햇빛을 받아 이산화탄소를 에틸렌, 메탄올, 에탄올 등과 같은 고부가가치 화합물로 전환하는 기술이다. 오형석 박사팀은 경희대 유재수 교수팀과 인공광합성에 사용하는 나노미터 크기의 가지 모양 텅스텐-은 촉매 전극을 개발했다. 이 전극을 120㎠ 넓이의 태양전지에 연결해 실험한 결과, 기존 은 촉매보다 일산화탄소 생산 효율이 60% 이상 향상됐으며, 100시간 이상 안정적으로 작동했다. 연구진은 실험실이 아닌 실제 실외 환경에서 햇빛만으로 이산화탄소를 일산화탄소로 고효율로 전환하는 데 성공했다. 연구진이 개발한 시스템은 지금까지 개발된 실리콘 태양전지 기반의 인공광합성 시스템 중 가장 높은 수준인 12.1%의 전환효율을 보였다. 또한 가지형의 텅스텐-은 촉매를 전자현미경과 실시간 분석법을 통해 살펴봤다. 이 촉매의 성능과 내구성이 개선된 원인은 촉매의 3차원 구조와 가지 모양의 결정구조 덕분에 높은 효율을 보였다. 하지만, 경제성 및 기술적 한계로 인해 실험실 수준의 연구에만 머물러 있었고, 태양전지 연구와 이산화탄소 전환 연구로 분리해 각각 진행돼 왔다. 진정한 의미의 인공광합성을 실현하기 위한 연구는 작은 면적으로 실험실 조건에서만 진행됐을 뿐이었다. 한편, 이번 연구결과는 에너지 환경 분야 국제 저널인 '어플라이드 카탈리시스 비 인바이론먼털(Applied Catalysis B: Environmental)'에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 시금치 추출물을 이용한 식물 광합성 전지를 개발해 소형 전자계산기를 작동시켰다. 광합성 전지는 전기 에너지로 이용이 가능하게 만든 에너지 수확 장치로 빛과 물만 있으면 광합성을 통해 전기를 생산할 수 있다. 이번 연구는 식물체 안에서 탄수화물 합성을 위한 에너지원으로 쓰이는 광합성 전자를 전기에너지원으로 활용할 수 있는 실마리를 보여준 것이다. 한국연구재단은 연세대 류원형·황성주 교수와 홍현욱 박사후 연구원, 호주 뉴캐슬대 이장미 박사후 연구원이 광합성 전지를 개발했다고 19일 밝혔다. 이 식물 광합성 전지는 음극 기준 1㎠의 면적에서 광합성이 진행될 때 개방회로전압 약 420㎷, 최대 단락 전류 8.84㎂, 최대전력 0.74㎼로 측정됐다. 연구진은 2개 전지를 병렬연결해 전류를 증가시켰고, 이를 4개 직렬연결해 전압을 증가시켜 소형계산기를 작동시켰다. 류원형 교수는 "시금치에서 뽑아낸 틸라코이드는 매년 여름 문제가 되는 녹조현상의 주범인 녹조류에서 추출할 수 있어 환경문제를 해결하고, 녹조류를 자원으로 이용하는데 기여할 수 있을 것"이라고 전망했다. 연구진은 먼저 합성된 층상구조의 나트륨 루테늄 산화물을 벗겨내 단일층의 루테늄 산화물 나노시트를 만든 뒤 금 전극 표면에 코팅했다. 다음으로 분쇄한 시금치 잎을 원심분리로 정제해 틸라코이드를 추출했다. 추출한 틸라코이드를 전극 위에 일정한 양으로 발라 광합성 전지를 완성했다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난 12일 게재됐다. 한편, 류 교수는 "광합성 전지를 실용화하기 위해서는 값비싼 귀금속 '루테늄'을 대체할 물질을 찾고, 광합성 복합체인 틸라코이드의 안정성을 더 향상시켜야 한다"고 말했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 빛을 빠르게 모두 흡수하는 초흡수 현상을 처음으로 구현해냈다. 지금까지 초흡수 현상은 빛이 빠르게 방출되는 초방사 현상에 가려져서 관측 자체가 어려웠다. 한국연구재단은 서울대 안경원 교수팀이 초방사 현상의 시간역행을 통해 초흡수 현상을 구현해냈다고 7일 밝혔다. 빛을 보통보다 더 빠르고 완벽하게 흡수하는 것을 관측한 것이다. 연구진은 이 현상을 이용해 식물의 광합성이나 태양전지에서의 빛에너지 수확 효율을 높이는데 응용할 수 있을 것이라고 전망했다. 또 광자를 이용한 양자정보처리 효율향상이나 천체관측을 위한 미세한 광신호 감지 등을 위한 실마리가 될 수 있다. 양자중첩상태의 원자를 준비하기 위해 나노구멍 격자를 사용했다. 나노구멍 격자는 10나노미터 두께의 실리콘 나이트라이드 박막에 가로 280나노미터, 세로 190나노미터의 나노구멍 5000여개를 체스보드 패턴에 따라 791 나노미터 간격으로 뚫은 것이다. 이 나노구멍의 간격은 원자가 내는 빛의 파장을 고려한 것이다. 나노구멍 격자에 초속 800m의 바륨 원자 빔을 집어 넣고 여기에 수직 방향으로 진행하는 상태 제어용 레이저를 준비해 체스보드 구멍을 통과하는 원자들과 공진기 간의 상대적 위상이 모두 동일해지도록 만들어 원자들을 초방사 상태로 준비했다. 동시에 흡수할 빛의 위상을 측정해 초방사 상태의 원자들의 위상을 제어하는 레이저에 피드백을 가함으로써 시간역행과정이 일어나도록 원자의 양자중첩상태를 제어했다. 이 같은 실험장치를 통해 초흡수가 일어날 때 시간에 따른 빛의 세기 변화와 이러한 빛의 세기가 원자의 수에 따라 어떻게 변하는지를 측정하고 일반적인 흡수와 비교했다. 그 결과 실제 10개 정도의 원자로 초흡수 현상을 구현해 일반 흡수보다 10배 정도 빠르게 빛을 100% 흡수하는 것을 관측했다. 빛의 세기가 약할수록 일반흡수보다 흡수속도가 더욱 빨라졌다. 이는 일정 시간 동안 흡수된 빛의 양이 원자 수의 제곱에 비례한다는 것을 밝혀냈 것이다. 양자역학적으로 연관된 특정 상태의 원자들이 강한 빛을 내는 초방사 현상은 이미 실험적으로 구현됐다. 하지만 동일한 상태에서 나타날 수 있는 초흡수 현상은 관측되지 못했다. 초방사에 의해 초흡수가 가려지기에 관측하기 어려웠던 것이다. 연구진은 초방사현상과 초흡수현상이 동일한 상태의 원자들에서 나타날 수 있으며 서로 시간 역과정이라는 점을 주목했다. 초방사를 일으킬 수 있는 초방사 상태의 원자들을 제어해 마치 시간을 되돌리듯 빛을 빠르게 흡수하는 초흡수 현상을 실험적으로 유도한 것이다. 시간역행을 위해서는 원자상태의 위상을 제어하는 기술이 적용됐다. 체스판 모양의 나노구멍 격자를 통과한 일부 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 상태, 즉 양자역학적 중첩상태로 만들었다. 이후, 원자상태의 위상을 주변 빛의 위상과 반대가 되도록 조절해 초방사를 되돌린 초흡수 현상이 일어나도록 한 것이다. 이를 위해 연구진은 원자상태를 제어할 수 있는 공진기 내부가 아닌 자유공간에서의 초흡수 현상 구현 연구를 지속할 계획이다. 이번 연구 결과는 광학분야 국제학술지 '네이처 포토닉스' 온라인판에 지난 2일 게재됐다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

정부가 생물체의 구조와 기능을 모방해 산업에 적용하는 '생태모방' 산업 육성에 적극 나선다. 생태모방기술이란 진화를 통해 적응한 생물체의 구조와 기능, 시스템 등을 기술에 적용하는 것을 뜻한다. 대표적인 예로 운동화 등에 사용되는 '찍찍이(벨크로)'는 1955년 스위스에서 도꼬마리라는 식물의 가시를 모방해 만들어졌다. 현재도 상어 피부의 구조를 모방한 무저항 수영복, 식물의 광합성 기능을 모방한 태양열전지판 등 다양하게 응용되고 있다. 우리나라가 2035년까지 생태모방기술에서만 약 76조원, 65만개의 일자리를 창출할 것이라는 전망도 나온다. 우리나라 생태모방기술 걸음마 단계 11일 관련업계 등에 따르면 환경부는 2017년 부처별 혁신성장 선도사업으로 생태모방기술 개발사업을 선정하고, 2019년부터 2023년까지 총 312억원을 지원해 생태모방 기반 환경오염관리기술 개발을 추진 중이다. 공기정화 식물의 구조를 모방해 실내공기오염 저감장치 등을 개발하는 것 등이 대표적이다. 생물모방기술의 선봉에는 국립생태원이 있다. 국립생태원은 생태모방에 적합한 생물, 생태특성을 발굴하는 연구를 추진하고 있다. 김기동 국립생태원 생태정보연구실장은 "생태원의 역할은 자연계의 생물, 식물 정보를 모아서 산업화에 제공하는 역할"이라며 "하나의 기술이 나오는 데는 자연 모방 연구 10년, 기술화에 11년 등 평균 21년이 걸리는 장기 프로젝트"라고 말했다. 실제 한국기계연구원, 한국과학기술연구원, 포항공대, 서울대 등 공학분야에서 생태를 모방한 재료, 에너지시스템, 기계, 로봇개발 연구 등이 진행되고 있다. 경상북도, 전라남도 등 지자체도 미래성장동력으로 생태모방기술 산업 계획을 속속 수립하고 있다. 이동영 국회입법조사처 입법조사관보는 '생태모방기술의 동향과 과제' 보고서를 통해 "미국, 일본, 독일, 프랑스 등에서는 생태모방기술의 산업적 가치를 깨닫고 관·학·연이 협력해 기술 연구개발, 제품화에 힘쓰고 있다"며 "우리나라도 정부, 연구기관, 지방자치단체가 연구개발에 참여하고 있지만 체계적 지원체계를 갖추지 못하고 있다"고 했다. 기관 간 협력, 정부 지원 절실 지난해 미국 경제성 분석 전문기관 'FBEI'는 보고서를 통해 우리나라에서 2035년까지 생태모방산업에서 약 76조원의 경제가치, 65만개 일자리를 창출할 수 있을 것으로 예측했다. 해외 선진국들의 경우 정부, 기업, 연구기관 등이 장벽을 없애고 융합연구를 진행 중이다. 독일은 이미 2011년 생태모방 산·학·연 네트워크인 '바이오콘(BIOKON)'을 설립하고 국제표준화기구 생태모방기술 분과(ISO) 사무국을 2012년부터 운영하고 있다. 미국도 생태모방DB 및 검색시스템 개발 포맷 '에스크네이처(AskNature)'를 운영하고 있다. 프랑스도 생태모방 국가표준 네트워크를 중심으로 매년 생태모방 엑스포를 개최하고 있다. 국립생태원은 현재 국내외 생태정보DB 구축을 위한 정보화전략계획(ISP)을 수립 중으로 2023년까지 구축을 완료할 계획이다. 김 실장은 "현재 환경부, 국립생태원, 경상북도, 전라남도, 경산시, 한국기계연구원이 생태모방기술 개발 촉진을 위한 6자간 MOU를 체결했다"며 "국외 네트워크 확보를 위해 미국 FBEI와 협업을 진행하고 국제표준화기구 생태모방분과 의결에 참석하는 등 국내외 기관과 협력을 강화하고 있다"고 말했다. 국회 차원에서도 생태모방기술에 대한 관심이 싹트고 있다. 20대 국회에서 '청색기술개발촉진법안'이 발의됐으나 논의 없이 자동폐기됐다. 21대 국회에서는 박완주 더불어민주당 의원이 '청색기술개발촉진법'을 대표 발의했다. 청색기술은 생태모방기술의 일환으로 자연현상, 생태계 또는 생명체의 기본구조 또는 원리를 응용해 자체정화능력, 적응능력 등을 산업에 적용하는 미래기술이다. hwlee@fnnews.com 이환주 기자

[파이낸셜뉴스] 연구자들이 수많은 물질을 실험실에서 직접 합성해 수개월에서 수십년에 걸쳐 신약을 개발했다. 일반 PC로 30만년 걸릴 실험을 이제는 슈퍼컴퓨터를 이용해 단 3개월만에 신약물질을 발견하는 등 연구개발 기간이 엄청나게 단축되고 있다. 한국과학기술정보연구원(KISTI)은 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온이 지난해 12월 3일부터 1년동안 141개 기관이 가입해 2031명이 사용했으며 총 작업건수는 150만건을 돌파했다고 3일 밝혔다. 140개 기관중에는 대학이 65곳, 산업체가 51곳, 연구소 20곳, 정부 4곳에 달하며 25억787만3605시간의 서비스를 제공했다. ■신약개발·인공광합성 소재 등 다양 염민선 KISTI 슈퍼컴퓨팅응용센터장은 "다양한 분야의 연구가 신청해 오고 있지만 최근에는 기계·화학공학·재료·화학·물리 등 소재와 관련된 분야의 연구가 늘고 있다"고 말했다. 누리온에서 인공지능을 활용한 연구를 살펴보면 기능성 촉매, 수소 생성 백금나노선 촉매, 인공광합성 소재, 저분자 화합물 신뢰도 향상 연구, 난류 열전달 모델 개발, 중성자 산란 실험 예측, 신약개발 등 다양하다. 세포와 바이러스의 상호작용을 연구할 경우, 일반 PC로는 30만년이 걸릴 계산을 누리온을 활용했을 경우에는 단 3개월 밖에 걸리지 않는다. 내용도 거친입자 모델을 사용한 원형의 세포막과 바이러스의 상호작용이 어떻게 이뤄지는지를 연구할 수 있다. 과거 슈퍼컴퓨터 4호기였던 타키온을 사용했을 때에는 이런 연구가 불가능하다. 계산 시간만 38년이 넘게 걸리기 때문이다. 세계 최대급의 우주론적 수치모의 실험은 일반 PC를 이용해 계산했을때 걸리는 시간은 30만년 이상 걸리며 타키온으로 계산했을 경우 현재 사용중인 수치모형이 2000개 이상의 메시지 전달 방식에서 성능이 급격히 떨어지며 38년이 걸린다. 하지만 누리온으로 계산했을 경우에는 3개월이면 가능하다. 우주의 크기 척도가 지금의 5분의 1까지 진화하도록 계산이 가능해 원시 우주의 은하, 은하단의 형성 과정에 대해 심도 깊은 연구가 가능한 것이다. ■R&D 계산과학이 실험 리드 매년 계산과학을 통해 나오는 연구논문들이 꾸준히 증가하고 있다. 초기 이론과 실험을 통한 연구에서 실험에서 볼 수 없는 것을 서포트하기 위해 계산과학을 보조도구로 쓰다가 계산과학이 실험보다 앞서서 이제는 실험을 리드하는 시대로 가고 있다. 그 이후 데이터 시대로 접어들면서 계산된 데이터를 활용해 좀 더 효율적으로 연구할 수 있는 환경이 이뤄졌다. 누리온의 도입으로 지금까지 엄두가 나지 않았던 주제의 연구들을 해 낼 수 있다는 희망에 여러 연구자들의 누리온 활용 지원 신청이 쏟아졌었다. 지난해 12월 누리온 서비스를 앞두고 신청 접수를 한 결과 141건의 과제 선정에서 총 229건을 신청했다. 서울대학교 한승우 교수 연구진은 '누리온'을 활용해 P형 반도체 소재 후보 물질을 발굴했다. 1만7700개의 물질을 대상으로 여러 단계의 시뮬레이션 분석을 통해 최종적으로 두 개의 후보물질을 P형 반도체용 최적의 소재로 선택했다. 이 연구결과는 지난 7월 재료화학 분야 국제학술지인 '케미스트리 오브 머티어리얼즈'에 개재됐다. UNIST 이상영·곽상규 교수 연구진은 새로운 리튬금속전지 연구결과를 발표했는데 이 또한 누리온을 이용한 열역학적, 동역학적 계산을 바탕으로 이뤄졌다. 연구진은 탄소나노튜브에 리튬이 갇히는 원리를 규명해, 물속에서도 안전하게 리튬을 저장하는 방법을 개발, 리튬금속전지의 안정성을 높였다. 한편, 누리온은 올 하반기 슈퍼컴퓨팅 콘퍼런스(SC2019)에서 발표한 세계 최고 슈퍼컴퓨터 TOP500에서 세계 14위를 기록했다. 누리온은 연산 속도가 25.7페타플롭스(PF)에 이르고 계산노드는 8437개다. 1페타플롭스(PF)는 1초에 1000조번 연산이 가능한 수준이며 70억명이 420년 걸려 마칠 계산을 1시간 만에 끝낼 수 있다. 2010년에 도입했던 슈퍼컴퓨터 4호기 '타키온'은 324테라플롭스(TF)의 연산처리 성능을 갖췄었다. 1테라플롭스(TF)는 1초에 1조번 연산이 가능한 수준이다. 타키온은 누리온의 도입으로 해체돼 다른 대학과 연구기관으로 옮겨졌다. monarch@fnnews.com 김만기 기자