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태양에너지는 풍력ㆍ수력과 함께 인류가 오래전부터 이용해온 에너지의 하나다. 깨끗한데다 양도 풍부해 태양은 전세계 모든 사람이 1년간 사용해도 남을 만큼의 에너지를 매시간 지구 표면에 쏟아붓고 있다.
한국화학연구원 백진욱 박사팀은 바로 이 태양광을 모태로 화학제품 생산의 패러다임을 바꿔놓을 야심찬 프로젝트를 추진하고 있다. 아미노산, 플라스틱 원료 등 다양한 정밀화학제품과 의약품 중간체를 하나의 장치에서 마음대로 선택해 주문생산할 수 있는 광-바이오시스템이 바로 그것이다.
언뜻 이해가 쉽지 않은 이 시스템은 크게 광촉매를 활용해 태양광에너지를 전환시켜주는 '광에너지 전환부'와 전자전달시스템, 그리고 산화 환원 효소의 도움을 받아 정밀화학제품을 생성하는 '바이오촉매(효소) 반응부'가 일체형으로 구성돼 있다. 백 박사는 "시스템 내에 원료물질과 그에 합당한 효소만 넣어주면 태양광 이외의 아무런 추가에너지 투입 없이 정밀화학제품이 생산되는 개념"이라며 "별도의 조치 없이 원료물질과 효소만 교체하면 곧바로 다른 물질을 얻을 수 있다"고 설명했다.
이러한 광-바이오시스템은 인공광합성의 한 분야로 국제적으로도 중요성이 대두되고 있다. 미 에너지부(DOE) 산하 로런스버클리국립연구소(LBNL)가 연간 수천만달러 규모의 '헬리오스(Helios) 프로젝트'를 출범, 인공광합성 콘셉트로 태양광-메탄올 생산시스템을 개발하고 있는 것이 방증이다.
게다가 놀랍게도 백 박사팀에 이는 더 이상 개념이 아니다. 백 박사는 "이미 α-케토글루타르산에서 아미노산의 일종인 L-글루타민, 이산화탄소에서 액체연료전지 연료인 포름산의 제조에 성공해 원천기술 특허를 출원했다"고 밝혔다.
백 박사는 이어 "아직 효율이나 상용성을 말할 단계는 아니지만 라이트 형제가 최초의 비행에 성공한 것처럼 개념에 불과했던 광-바이오시스템을 실현한 최초의 성과라는 데 큰 가치가 있다"고 강조했다. 세상을 바꿔놓을지 모를 원천기술을 국내 연구팀이 확보한 것이다.
광-바이오시스템 구현의 핵심은 효율적인 가시광 촉매의 개발과 효소 반응에 필수적인 보조인자의 재생이다. 백 박사는 "이산화티타늄(TiO2) 등 기존 광촉매는 자외선 영역만 이용, 광반응시 태양광에너지의 활용도가 4% 미만"이라며 "태양광의 46%를 차지하는 고효율 가시광 촉매의 개발이 광반응 실용화의 필수 요소"라고 말했다.
이에 연구팀은 나노기술ㆍ광화학기술 등 독창적 패러다임을 적용해 지금껏 40여종의 신규 가시광 촉매를 개발했다. 종류로는 세계 최대다. 특히 고가의 산화 환원 효소용 보조인자를 반응기 내에서 즉시 재생시키는 데 성공해 산업적 응용의 큰 장애물이었던 비용 부분이 해결 가능함을 입증했다.
백 박사는 "이 같은 성과는 미래원천기술 확보를 위해 독보적․창의적 연구 아이디어를 지원하는 화학연의 'KRICT 2020 프로젝트'를 통해 안정적 연구환경이 조성됐기 때문"이라며 "올해 중반기 이후 전개될 2단계 사업에서는 시스템을 고도화해 해외의 권위 있는 관련 분야 연구팀과 공동연구를 추진, 선도적 입지를 한층 공고히 할 계획"이라고 밝혔다.
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