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[IT뉴스][세상을 바꿀 질문들] ③CCUS: 대기 중 탄소 포집해 지구온난화 막을 수 있을까

온카뱅크관리자

2026-10-16 16:07:25

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 <img alt="세계 최대 규모 이산화탄소 직접 포집 장치인 아이슬란드의 ‘매머드’, climeworks" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/16/dongascience/20261016160124464zpjf.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="6XwqSKsAdz" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/16/dongascience/20261016160124464zpjf.jpg" width="658">
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 세계 최대 규모 이산화탄소 직접 포집 장치인 아이슬란드의 ‘매머드’, climeworks
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 [편집자 주] 자동차, 스마트폰, 인공지능(AI). 모두 공학의 산물입니다. 과학이 세상을 이해하는 학문이라면, 공학은 세상을 더 나은 곳으로 만든 학문입니다. 공학자들이 품은 질문은 험준한 강 위에 다리를 놓고, 우주로 로켓을 날려보내며, 신약을 만드는 원동력이 돼 왔습니다. 과학동아는 한국공학한림원과 함께 인류의 미래를 바꿀 질문을 공학자와 풀어가는 연재를 시작합니다.
  
 ● 넷제로를 꿈꾸는 기술, CCUS
  
 탄소 하나와 산소 두 개. 화석 연료를 태우거나 시멘트를 제조하는 과정 등, 탄소화합물의 화학 반응이 일어나고 나면 화학적으로 안정된 상태의 탄소 화합물이 남는다. 바로 이산화탄소다.
 2025년 기준, 전 세계 연간 이산화탄소 배출량은 약 380억 톤(t)이다. 막대한 양으로 배출되는 이산화탄소는 다른 온실가스와 함께 지구 복사 에너지를 가둬 지구를 점점 더 뜨겁게 만들고 있다. 기후위기를 극복하기 위해서 여러 노력이 진행되는 가운데, 공학 분야에서는 탄소 배출량과 흡수량을 같게 만들어, 탄소 순배출량을 0으로 만드는 ‘넷제로(net zero)’ 기술이 주목받고 있다.
 넷제로를 구현하기 위한 방법은 단순하다. 탄소 배출량을 줄이고, 탄소 흡수량을 늘리는 것. 배출량을 줄이는 기술은 다양한 방식으로 시도되고 있어 이미 친숙하다. 화석 연료 대신 탄소 배출이 적은 재생에너지로 전기를 만들고, 외부 공기 등의 ‘열’을 난방 에너지로 활용하는 ‘히트 펌프’가 대표적이다.
 이에 비해 탄소 흡수량을 늘리는 기술은 낯설다. 이산화탄소를 포집해 저장하거나 유용한 자원으로 다시 활용하는 기술을 ‘탄소 포집·활용·저장(CCUS·Carbon Capture, Utilization, and Storage)’이라 부른다. CCUS의 과정은 다시 두 단계로 나뉜다. 대기나 배기가스 중 이산화탄소를 모으는 포집 단계와, 포집한 이산화탄소를 저장하고, 유용한 화합물로 전환하는 단계다.
  
 어떤 방법을 통해 천덕꾸러기 온실가스를 유용한 자원으로 만들 수 있을까. 어쩌면 인류의 생존을 위해 앞으로 가장 중요해질지도 모르는 CCUS의 두 단계를 연구하는 두 연구자를 만나 봤다. 강용태 고려대 기계공학부 교수와 오형석 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 센터장이다.
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 <img alt="오형석 KIST 청정에너지연구센터 센터장은 흡수한 이산화탄소를 화학 원료로 활용하기 위해 효율적으로 분해하는 연구를 진행하고 있다. 남윤중 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/16/dongascience/20261016160125718ejxd.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="PvUToYe4i7" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/16/dongascience/20261016160125718ejxd.jpg" width="658">
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 오형석 KIST 청정에너지연구센터 센터장은 흡수한 이산화탄소를 화학 원료로 활용하기 위해 효율적으로 분해하는 연구를 진행하고 있다. 남윤중 제공
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 ●“나노 입자로 이산화탄소를 녹이는 막대기를 만들면 어떨까?” 생활 속 아이디어를 실험실로 가져온 질문
 “에너지와 물질이 어떻게 순환하는지 연구하고 있습니다. 탄소 포집도 그러한 연구의 일환이죠.” 8월 21일 만난 강용태 고려대 기계공학부 교수는 기계공학 기술을 적용한 히트펌프와 CCUS 연구를 하고 있다. 대기나 배기가스의 이산화탄소를 잘 포집하고, 포집한 물질로부터 다시 떼어내는 방안이 그의 전문 분야다.
 강 교수가 대기 중에서 이산화탄소만 걸러내는 방법은 ‘흡수제’다. 이산화탄소 기체가 잘 녹아드는 액상 화합물을 노출시켜 화학적으로 대기 중 이산화탄소를 포집하는 원리다. 물에 설탕을 녹여 설탕물을 만들거나 압력을 가해 이산화탄소를 넣어 탄산수를 만드는 것과 비슷한 방식이다.
 약 15년 전까지 자주 사용되던 흡수제는 메탄올(CH₃OH)이었다. 이산화탄소는 두 산소 원자 중간에 탄소 원자 하나가 낀 일직선 모습의 분자다. 이중 산소 원자가 전자를 끌어당기는 힘이 강해서, 이산화탄소는 약한 극성을 띤다. 한편 메탄올에 있는 산소 원자도 마찬가지로 전자를 끌어당기며 극성을 만든다. 그 결과 이산화탄소와 메탄올 분자 둘 다 약한 극성을 띠게 되고, 이 전기적 인력이 작용해 이산화탄소를 흡수할 수 있게 된다.
 문제는 메탄올을 영하 20~30℃로 냉각해야 이산화탄소 흡수 효율이 높아진다는 점이었다. 차갑게 만들어야 메탄올의 기체 용해도가 높아지기 때문이다. 이러다보니, 메탄올이 흡수하는 이산화탄소보다 메탄올 냉각을 위해 에너지를 소비하며 배출되는 탄소가 더 많을 상황이었다.
 “상온에서도 흡수제의 포집 성능을 유지할 수 없을까?” 강 교수는 화학 반응이 일어날 조건을 바꿀 질문을 던졌다. 강 교수가 이끈 연구팀은 이산화탄소와 흡수제의 반응을 더 활성화하기 위해 메탄올에 고체 나노 입자를 추가하는 방법을 생각해냈다. 
 고체 나노입자를 추가하면 이산화탄소 기체가 메탄올 액체에 더 빠르게 녹아들도록 ‘휘젓는 효과’를 낼 수 있었다. 고체 나노입자는 액체 속에서 마치 춤을 추듯 움직이는데, 이를 ‘브라운 운동’이라 한다. 브라운 운동이 일어나면 메탄올 액체 입자들도 덩달아 움직이고, 메탄올 주변의 이산화탄소가 메탄올 액체 입자 사이로 더 잘 녹아들도록 촉진되는 효과가 일어난다. 고체 나노입자가 설탕을 녹이기 위해 휘젓는 막대기 역할을 한 것이다. 상온에 가까운 20℃에서 메탄올에 고체 나노입자를 넣었을 때, 나노입자를 넣지 않은 흡수제와 비교하면 포집 효율이 3.1% 높아졌다. 
 이렇게 포집한 이산화탄소의 다음 단계는 포집된 이산화탄소를 흡수제에서 떼내는 과정이다. 이를 ‘재생’ 과정이라고 한다. 이산화탄소를 흡수제로부터 떼내야 이산화탄소를 모아 재활용할 수 있고 흡수제나 흡착제도 재활용 할 수 있기 때문에 재생 과정은 중요하다. 그런데 붙은 이산화탄소를 떼낼 때도 에너지가 필요하다는 문제가 있다. 강 교수는 ‘실내 대기’의 이산화탄소를 포집하는 연구를 하면서 이 문제와 마주쳤다.
 산업 시설에서 나온 이산화탄소를 포집하기 위해 연구를 시작한 강 교수는 ‘실내 대기’로 시야를 넓혔다. 실내 대기의 이산화탄소 농도가 외부보다 2~3배 높다는 연구를 접한 후였다. “실내 대기 중 이산화탄소 농도가 과도하게 높아지면 머리가 멍해지고 집중력이 떨어지는 현상이 일어나죠. 그래서 실내 이산화탄소 농도도 줄이는 연구도 시작했습니다.” 이산화탄소 포집 기술을, 더 건강한 실내 대기 환경을 만드는 데 사용하겠다는 발상이었다. 
 실내 이산화탄소 포집 도구로는 ‘고체 흡착제’를 택했다. 흡착제에 있는 폴리에틸렌이민(PEI)이라는 고분자 소재가 이산화탄소와 화학 반응하면서 이산화탄소가 흡착되는 원리다. 액체 흡수제는 재생에 80~100℃의 열이 필요한데, 흡착제는 50~60℃의 낮은 열로도 재생이 가능했다. 강 교수는 “고온의 열을 새로 만들지 않고 산업 폐열이나 태양에너지의 저온 열만으로 재생할 수 있는 게 장점”이라고 설명했다. 
 그러나 이산화탄소를 흡착제로부터 100% 떼내는 데는 50~60℃ 열이 충분하지 않다는 문제가 남아있었다. 50~60℃에서는 고온과 비교해 분자의 운동이 느려지면서 흡착제 밖으로 빠져나오는 속도도 느려진다. 빠져나오지 못한 이산화탄소는 다시 PEI와 반응하면서 흡착될 가능성이 높아진다. 이러한 이유로 하나의 탄소 포집-재생 주기에서 재생이 진행될수록 재생이 점점 느려지면서 전체 재생에 에너지와 시간이 많이 소모돼 비효율적이었다. 
 여기서 강 교수는 두 번째 질문을 던졌다. “매번 이산화탄소를 다 떼어내야만 할까?” 이산화탄소를 포집한 뒤 떼는 게 핵심인데, 덜 떼냄으로써 에너지 소비량을 덜어준다. 발상의 전환이었다. 저온 열로 이산화탄소를 일부만 재생하고 일부는 남겨둔 채로 다시 이산화탄소 흡착을 시작하는 방식이다. 저온 환경에서 재생이 진행될수록 재흡착이 잘 된다는 단점을 오히려 장점으로 활용했다. 
 이 방식으로 강 교수는 재생에 쓰이는 에너지를 50.7%만큼 줄이는 데 성공했다. 포집과 재생을 하는 전체 주기의 시간은 79.8% 감소했다. 두 연구 모두 이산화탄소를 포집하는 도구 자체를 새로운 분자로 바꾸지 않고, 촉매를 추가하는 등 포집과 재생의 과정을 바꿔 효율을 높인 사례다. 
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 <img alt="이산화탄소 흡수제와 흡착제 연구를 진행하고 있는 강용태 고려대 기계공학부 교수 연구팀. 강용태 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/16/dongascience/20261016160127066euat.png" data-org-width="680" dmcf-mid="Qmyk4wb0Ju" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/16/dongascience/20261016160127066euat.png" width="658">
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 이산화탄소 흡수제와 흡착제 연구를 진행하고 있는 강용태 고려대 기계공학부 교수 연구팀. 강용태 제공
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 ● “반응을 방해하던 물질을 오히려 남겨놓으면 어떨까?” 퍼즐의 발상을 뒤집은 질문
 포집을 통해 모인 이산화탄소는 다음 단계로 유용한 화합물로 새롭게 태어난다. 8월 20일, 서울 홍릉 KIST에서 만난 오형석 청정에너지연구센터 센터장은 전기로 이산화탄소를 분해해 유용한 화합물로 만드는 연구를 한다. 전기화학으로 이산화탄소를 유용하게 만드는 기술이기에 명칭은 ‘전기화학적 탄소 포집·활용(e-CCU)’이다. 
 이산화탄소 전해셀에 물과 이산화탄소를 넣고 전기를 흘려준다. 그러면 양극에서는 물(H2O)이 전자를 내놓으면서 수소 이온(H+)과 산소(O2)로 분해된다. 음극에서는 이산화탄소가 전자를 받으면서 양극에서 나온 수소 이온과 반응해, 물과 일산화탄소(CO)로 분해된다. 이때 이 반응을 더 활성화시키기 위해 은 나노입자를 함께 넣어준다. 은 나노입자는 전극의 전자를 받아 이산화탄소로 쉽게 전환되도록 돕는 ‘촉매’다. 
 이렇게 만들어진 일산화탄소는 플라스틱 및 연료를 합성하는 데 활용되는 기초 화학원료로 유용하게 쓰일 수 있다. 오 센터장은 “저온저압으로 분해가 가능한 점이 e-CCU의 대체불가능한 장점”이라고 말했다. “주로 활용되는 방식인 열화학 분해는 이산화탄소 분해를 위해 높은 온도의 열과 압력을 가합니다. 이 과정에서 에너지가 많이 소모됩니다. e-CCU는 상대적으로 낮은 온도에서도 분해가 가능해 에너지 효율적이죠.”
 공학자들이 가진 고민의 핵심은 ‘쓸만하게 만드는 것’이다. 개발한 기술이 실제로 세상에 나가 쓰이려면 어떤 부분을 개선해야 할까. e-CCU에서는 이산화탄소의 분해 효율을 높이는 일이 중요했다. e-CCU의 원리는 간단하지만, 분해 효율을 높이려면 다양한 변수를 고려해 현실에 적용 가능한 아이디어를 내야 한다. 그래서 옆에서 보는 공학자들의 연구 과정은 퍼즐 풀이와도 비슷해보인다. 오 센터장의 연구팀도 e-CCU 전해셀을 개발하면서 이산화탄소 분해 효율을 낮추는 두 가지 문제를 발견했다.
 첫 번째는 e-CCU 전해셀에 첨가한 물이 양극과 음극 사이를 나눠주는 막을 통과해 음극까지 침투하는 ‘플러딩(flooding) 현상’이었다. 이러면 음극에서 이산화탄소 대신 물이 분해되는 일이 발생하고, 자연스레 이산화탄소의 분해 효율이 떨어지게 된다. “물이 문제가 된다면 ‘발수성’을 남겨두면 되지 않을까?” 오 센터장은 e-CCU의 이산화탄소 분해를 돕는 촉매, 은 나노 입자의 ‘작용기’가 지닌 발수성에 집중했다. 계면활성제의 작용기는 은 나노입자 표면을 감싸 나노 입자 크기의 성장을 억제하는 분자고, 발수성은 화학적으로 물을 튕겨내는 성질을 뜻한다. 
 일반적으로는 은 나노입자를 사용할 때 촉매의 활용도를 높이기 위해 발수성을 지닌 작용기를 모두 제거한다. 이 작용기가 남아 있으면 이산화탄소와 은 나노입자 간의 반응을 방해하기 때문이다. 연구팀은 이러한 작용기의 단점을 역으로 활용하기로 했다. 작용기를 모두 떼지 않고 일부 남겨 둔 결과, 은 나노 입자가 물 분자를 밀어내며 플러딩 현상을 줄일 수 있게 됐다. 전체 전류 중 일산화탄소 생성을 위해 사용된 전류의 비율(부분 전류 밀도)이 이전보다 약 35% 높아졌다. 
 플러딩 현상 해결로 늘어나던 분해 효율은 또 어느 순간 제동이 걸렸다. 두 번째 문제의 원인은 촉매 표면의 국소 산도(pH)였다. 셀 안에서 물이 분해되고 나면 수산화 이온(OH-)이 남는다. 남은 수산화 이온이 많아지면서 셀 내부는 염기성을 띠게 되는데, 이산화탄소는 염기성 환경에서 탄산염이나 탄산수소염으로 바뀌는 화학 반응이 일어났다. 정작 분해할 이산화탄소가 사라져 버린 셈이다.
 오 센터장은 pH를 낮출 열쇠로 ‘이산화규소’ 화합물을 떠올렸다. 이산화탄소가 녹아 산성을 띠는 비가 규산염 암석을 녹여 탄산 이온과 함께 이산화규소가 만들어지는 자연 현상에 착안했다. 염기성이 높은 환경에서는 반대로 이산화규소가 수산화 이온과 반응하는 현상을 활용해 은 나노입자에 이산화규소를 섞었다. 그러자 이산화규소가 수산화 이온과 반응해 이산화탄소는 방해받지 않고 분해될 수 있게 됐다. 일산화탄소 생성을 위한 부분 전류 밀도는 이전과 비교해 약 47% 높아졌다.
 “두 가지 한계점을 돌파한 과정에는 공통점이 있어요. 화학 반응을 돕는 촉매 자체를 새로운 소재로 바꾸지 않았다는 겁니다. 촉매 주변의 환경을 제어해 효율을 높였죠. 앞으로 실험실을 넘어 대규모 장시간 운전이 필요한 산업 현장에 활용될 연구들입니다.” 
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 ● CCUS가 만들 더 나은 미래를 그리며
 CCUS, 아직은 한국에서 실용화 전 단계다. 미국과 노르웨이 등 국가에서 탄소를 포집하고 활용하고 있지만, 한국은 아직 실증 단계에 서 있다. 오 센터장은 “탄소 포집 및 전환 기술의 성능 자체는 준비가 돼 있지만, 경제성과 실질적 온실가스 저감을 위한 에너지 인프라와 정책적 뒷받침이 필요하다”며 “재생에너지 인프라가 충분히 갖춰져야 하는 상황”이라고 설명했다. 그러나 그렇기에, CCUS는 미래에 더 중요해질 기술이기도 하다. 
 오 센터장은 “앞으로는 대규모 실증이 중요한 시점”이라고 말한다. “단순히 성능을 얼마나 높일 수 있는지 연구하는 수준을 뛰어넘어 실제 현장에서 e-CCU가 제대로 작동할지 확인해 보는 작업이 추가로 필요합니다. 이를 위해 저는 발전소와 협업해 e-CCU의 실증화에 힘써 왔고, 앞으로도 추가 실증을 할 계획입니다.”
 강 교수는 연구 중인 실내 대기를 넘어 실내 탄소 포집 기술의 ‘순환 시스템’을 상상한다. 이산화탄소의 포집과 재생, 전환, 활용이 하나의 순환 시스템으로 연결되길 꿈꾸는 것이다. “현재 CCUS는 흡착제로 모은 이산화탄소를 떼내기 위해 다시 에너지를 써야 한다는 모순이 있습니다. 흡착제 재생을 위해 태양열이나 폐열을 자원으로 쓰고, 이렇게 떼어낸 이산화탄소를 다시 화학 연료나 식물 재배에 활용될 수 있게 만드는 것이 저의 목표입니다.”
 강 교수는 인터뷰를 마치며 이렇게 말했다. “공학 연구에 있어서 새로운 소재나 장비 자체에 관심을 가지는 것도 중요하지만, ‘이 기술을 어디에 쓸까’보다 ‘우리가 반드시 해결해야 할 문제는 무엇이고, 여기에 필요한 기술이 무엇일지’ 생각하는 것이 중요합니다. 필요한 기술을 찾았다면 실패를 너무 두려워하지 않기를 바랍니다. 예상과 다른 결과가 나왔을 때 왜 그런지 끝까지 이해하는 과정에서 더 중요한 발견이 나오기도 합니다. 앞으로의 공학자는 기술을 만드는 데서 그치지 않고, 그 기술이 사회와 환경에 미칠 영향까지 생각할 수 있어야 합니다.”
 ※본 콘텐츠는 해동과학문화재단 후원을 통해 과학동아와 한국공학한림원이 함께 연재하는 콘텐츠입니다. 한국공학한림원은 대학, 기업 및 연구소 등에서 기술 발전에 현저한 공을 세운 공학기술인을 발굴하여 우대하고, 공학기술과 관련된 학술연구와 지원사업을 통해 국가의 창조적인 공학 기술 개발과 지속적인 발전에 기여하는 공학 싱크탱크입니다.  
 [장효빈 기자 robyne98@donga.com]
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