서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 재료공학부 남기태 교수, 권민상 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 이웅 박사(고려대 겸임 교수) 공동 연구팀이 배터리와 플라스틱 생산에 사용되는 고리형 카보네이트의 새로운 생산법을 개발했다고 밝혔다.
2050년까지 탄소 중립 달성을 위해서는 탄소 포집 및 활용(CCU) 분야에서의 획기적인 혁신이 필수적이다. 대한민국은 2030년까지 국가 결정 기여(NDC) 계획의 일환으로 2018년 수준(7억2760만 톤)에서 40%(2억9100만 톤)까지 탄소 배출량을 줄이겠다고 선언했다. 이를 위해 CCU는 2030년까지 400만 톤의 탄소 네거티브 배출에 기여할 예정이다.
목표 달성을 위해서는 이산화탄소를 이용해 시장이 필요로 하는 유용한 물질 합성과 동시에, 기존 석유화학 기반 방법론과 유사한 경제성을 확보해야 한다. 또한 CO2 활용 기술은 이산화탄소 포집, 친환경 에너지, 그린 수소 등 다른 저탄소 기술과 함께 적용돼야 감축 효과가 나타나 실용화에 장벽이 존재한다.
서울대 남기태 교수는 과거 이를 극복하기 위해 자연계에서 생체연료를 합성하는 원리를 이산화탄소 전환 시스템에 적용해 새로운 ‘e-fuel’ 생산 기술을 개발하며, 세계적인 국제 학술지 네이처 에너지(Nature Energy)에 게재한 바 있다.
이번 연구에서 서울대학교-KIST 공동 연구팀은 육상 식물보다 높은 이산화탄소 활용률을 보이는 미세조류에 주목했다. 이산화탄소가 물속에 포집된 형태인 중탄산염을 이용하도록 진화한 미세조류는 육상 식물에 비해 빠르게 이산화탄소를 활용해 광합성을 진행한다. 이에 착안해 공동 연구팀은 기체 이산화탄소 대신 중탄산염을 이용하는 세계 최초 에틸렌 카보네이트 합성 방법론을 개발했다.
중탄산염은 산업적으로 솔베이 공정을 통해 이산화탄소로부터 생산되고 있으며, 흔히 사용하는 베이킹소다의 주성분이다. 또한 기술 성숙도가 높은 CCU 기술인 탄소 광물화 기술을 통해 생성 가능한 물질이기도 하다.
공동 연구팀은 이러한 기존 산업과의 연계성을 보다 강화해 기술의 상용화를 앞당기고자 목표했다. 이에 산업에서 활용되는 전기화학 공정인 염소-수산화나트륨 공정과 유사한 형태의 전기화학 반응을 설계하고 이를 이용해 고리형 카보네이트의 원료와 그린 수소를 함께 생산하는 시스템을 개발했다.
또한 공동 연구팀은 생성된 에틸렌 카보네이트로부터 폴리우레탄 플라스틱을 효율적으로 합성하는 방법론을 제시하며, 새로운 기술이 경제적이고 환경적으로 타당함을 확인했다.
남기태 교수는 “이번 성과는 산업적으로 폭넓게 사용되는 유용한 물질을 고체 형태로 전환된 이산화탄소를 활용해 합성하는 세계 최초의 방법을 제시했다는 점에서 혁신적이며, 다양한 새로운 활용처 또한 개발 중에 있다”며 “기존 산업과의 연계성이 강한 기술을 개발함으로써 추후 상용화까지 빠르게 나아갈 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
권민상 교수는 “본 연구에서 개발한 공정을 기반으로, 추후 다양한 종류의 카보네이트 물질을 합성할 수 있으며, 이를 통해, 부가가치가 높은 친환경 폴리우레탄 플라스틱을 개발할 수 있다는 점에서 아주 중요한 연구로 생각한다”고 밝혔고, 이웅 KIST 박사는 “이번 연구가 고체화합물 생산을 통해 이산화탄소를 장기간 격리할 수 있는 기술이 경제성을 가질 수 있음을 입증했으며, 이 기술이 국가 온실가스 감축 계획 달성에 중요한 전기를 마련했다”고 평가했다.
한편 연구의 제1저자인 서울대학교 장준호 박사, KIST 김창수 박사는 현재 각각 서울대학교 및 KIST에서 박사후연구원, 선임 연구원으로 재직 중이며, 이 연구는 한국연구재단 미래소자디스커버리 사업, DACU 원천기술 개발사업, 능동학습법을 활용한 CO2 동시 포집-전환 사업, 환경부 전기화학 촉매 물질 개발사업, 그리고 산업통상자원부 수송기기 경량화를 위한 접착제 개발사업의 지원으로 수행됐다.
연구내용은 세계적인 국제학술지인 네이처 신세시스(Nature synthesis)에 5월 23일 온라인 개재됐다.
