"인공 광합성, 탄소 배출 '0'…화석연료 기반 산업 바꿀 것"

페이동 양 미국 버클리캘리포니아대(UCB) 화학과 교수. 한국과학기자협회 제공

"화석연료를 기반으로 하는 기존 화학산업 대부분은 탄소 배출량이 많아 기후변화 문제와 연결됩니다. 인공 광합성은 화석 연료를 이산화탄소로 대체하는 기술로 기존 화학산업을 재구성할 것이라고 생각합니다."

페이동 양 미국 버클리캘리포니아대(UCB) 화학과 교수는 부산 벡스코에서 16일부터 18일까지 열리는 '한국화학공학회 2024년도 가을 총회 및 국제 학술대회'에 참석해 이같이 말했다. 그는 "이산화탄소로 기존 화학산업 생산물인 가솔린이나 고분자 물질 등을 만들 수 있다"며 "화학식을 반대로 돌리는 것"이라고 설명했다.

양 교수는 새로운 반도체 소자나 촉매를 활용해 '인공 광합성' 시스템을 개발하는 연구자다. 식물 광합성과 비슷하게 빛 에너지와 이산화탄소(CO2)로 유용한 화합물을 만들어 탄소중립을 실현할 수 있는 기술이다. 광합성은 식물이나 조류가 태양광을 활용해 포도당 등 양분을 만드는 과정인데 이를 모사한 것이다.

양 교수는 "인공 광합성은 탄소(C) 사이의 결합을 만든다는 점에서 식물 광합성과 근본적으로는 같다"며 "광합성의 중간체로 아세테이트나 에탄올, 메탄올을 생산할 수 있다"고 말했다. 기존 산업과 똑같은 물질을 합성하지만 탄소 배출량은 제로(0)거나 오히려 마이너스다. 

인공 광합성 효율은 식물 광합성 효율도 추월했다. 양 교수는 "인공 광합성 효율은 10년 전만 해도 식물 광합성과 비슷한 수준이었다"며 "광합성 효율이 높은 편인 사탕수수가 4% 정도인데 현재 인공 광합성 시스템의 광합성 효율은 5% 이상"이라고 설명했다.

양 교수가 개발한 인공 광합성 시스템은 식물과 달리 태양광뿐 아니라 적색광(red light)으로도 광합성할 수 있다. 적색광을 활용한 광합성은 해가 떠 있는 낮 시간뿐 아니라 밤에도 광합성이 가능하기 때문에 태양광만 활용했을 때보다 효율이 10배 이상 높다.

인공 광합성 시스템은 현재 6인치 실리콘 웨이퍼에다가 얇은 태양광 패널처럼 제작된다. 화학 반응이 일어나기 위해 촉매와 액상 반응물들이 올라가 있는 형태다. 양 교수는 "가장 최근 연구에서는 식물 잎 모양으로도 구현해 봤다"고 말했다. 이어 "더 큰 규모에서는 소자들을 층으로 쌓은 '수직 농장' 개념을 생각하고 있다"며 "공간을 많이 차지하지 않는 게 장점"이라고 설명했다.

양 교수는 "미국 항공우주국(NASA) 지원을 받아 인공 광합성으로 포도당까지 만드는 연구도 진행하고 있다"며 "향후 30년 정도를 바라보면서 투자를 기대하는 중"이라고 전했다.

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]