KRICT 한국화학연구원

- 화학연·KAIST·에코프로에이치엔 직접 공기 포집 기술 공동 개발, 에코프로에이치엔 2026년 상용화 목표
- 작물 재배 시 대기 농도보다 더 필요한 적정 농도의 이산화탄소 조절 통해 스마트팜 재배 환경 혁신 기대

□ 국내 산·학·연이 협력하여 개발한 공기 중 이산화탄소 직접 포집 기술이 스마트팜 현장에 적용될 것으로 기대된다.

  ㅇ 한국화학연구원(원장 이영국)은 KAIST(총장 이광형), 에코프로 에이치엔(대표 김종섭)과 ‘직접 공기 포집(DAC, Direct Air Capture)’ 기술을 공동 개발했다. 에코프로에이치엔은 2026년 소형 DAC 설비 상용화를 목표로 하고 있다.

  ㅇ 작물은 이산화탄소(CO₂) 농도가 높을수록 광합성이 활발해지며, 특히 800~1000ppm 구간에서 최적 성장을 보인다. 그러나 대기 중 CO₂ 농도는 약 400ppm 수준에 머물러 있다. 국내 산·학·연 연구진은 긴밀한 협력을 통해 스마트팜 현장에서 설치 제약 없이 대기 중 CO₂를 직접 농축해 작물에 공급하는 기술을 개발했다. 이번 성과는 스마트팜 혁신과 탄소 네거티브 실현을 앞당길 것으로 기대된다.

<[그림 2] 에코프로에이치엔이 KAIST, 화학연과 협력하여 개발한 스마트팜용 DAC 시스템의 적용 개념도. 대기 중 희박한 농도의 CO2(400 ppm)를 선택적으로 포집하여, 온실 내에 고농도로 공급함으로써 작물 생장 최적화를 가능하게 하는 시스템이다>

□ 일반적인 ‘이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS)’ 기술은 산업 현장에서 나오는 고농도 탄소를 대상으로 하는 기술로서, 발전소·공장 등 설치 장소가 제한된다. 반면 직접 공기 포집 기술은 대기 중의 저농도 이산화탄소를 포집하므로 어디서든 사용할 수 있다는 장점이 있다.

  ㅇ 직접 공기 포집 기술은 액체 흡수 방식과 건식 흡착 방식으로 나뉜다. 액체 흡수 방식은 알칼리 용액에 공기를 통과시켜 이산화탄소를 담은 후, 흡수된 용액을 가열하면 이산화탄소만 얻게 되는 방식이다. 대규모로 연속 가동할 수 있지만, 부식성 알칼리 용액으로 인한 설비 내구성, 폐수 발생과 같은 단점이 있다.

  ㅇ 고체 흡착 방식은 흡착제 필터에 공기를 통과시키면, 흡착제에 이산화탄소 분자는 달라붙고 공기 분자는 빠져나가는 방식이다. 필터에 이산화탄소가 가득 차면 열이나 압력을 가해 분리·저장한다. 액체 용액 방식에 비해 소형화가 가능하고 에너지 소모가 적다. 

□  공동 연구팀은 액체 흡수 방식의 한계를 극복하기 위해 건식 흡착 기반의 소형 DAC 설비를 설계·제작했다.

  ㅇ 해당 설비는 KAIST 최민기 교수팀이 개발한 건식 이산화탄소 흡착제와 화학연 박용기 박사팀이 보유한 장치 설계·제작 기술이 합쳐졌으며, 에코프로에이치엔에서 소형 설비로 제품화하고 있다. 

  ㅇ KAIST 최민기 교수 연구팀은 2016년부터 이산화탄소 제거 흡착제 연구를 본격적으로 추진해 왔다. 이번에 개발된 흡착제는 직접공기포집(DAC) 기술 뿐만 아니라 화력발전소 배기가스의 이산화탄소 포집에도 적용할 수 있다. 특히 기존 기술과 비교해 흡착 성능, 경제성, 장기 안정성을 동시에 확보한 것이 큰 특징이다.

<[그림 3] KAIST에서 개발한 건식 방식의 이산화탄소 흡수제. 소형 DAC에 적용되어 폐수 발생, 설비 부식이라는 기존 습식 방식의 이산화탄소 흡수 기술의 단점을 극복하는데 기여했다>

  ㅇ 화학연 박용기 박사팀은 발전소·제철소가 배출하는 탄소를 포집하는 연구를 통해 얻은 노하우를 이번 DAC 설비를 만드는데 활용했다. 흡착 및 탈착 과정에서 필요한 온도·압력 조건을 조정함으로써 반복적인 이산화탄소 고농도 포집이 원활하도록 설계·제작했다. 

  ㅇ 이 설비는 특정 지점·시설에 국한되지 않고 다양한 장소에 설치할 수 있으며, 특히 스마트팜과 같은 농업 현장에서 효율적으로 이산화탄소 농도를 조절할 수 있다는 장점이 있다.

  ㅇ 그동안 인위적으로 이산화탄소를 만들어 공급하던 방식과 달리, 소형 DAC 설비는 공기 중 이산화탄소를 직접 포집하여 고농도로 농축한 뒤 농작물에 공급한다. 농작물 재배 과정에서 친환경적인 솔루션을 제공하고 비용을 효율적으로 쓸 수 있는 것이다. 

  ㅇ 현재 경상북도 상주 스마트팜혁신밸리에 설치된 1세대 DAC 장치는 토마토 재배 환경에서 실제 성능 검증을 마쳤다. 실험 결과 이산화탄소 농도를 600~700ppm까지 높이는 데 성공했으며, 성능 개선을 통해 800~1000ppm을 목표로 하고 있다. 이후 미세조류를 포함한 다른 분야 농작물에도 소형 DAC 설비를 적용할 방침이다.

<[그림 1] 소형 DAC 설비 실증이 이뤄지고 있는 경상북도 상주 스마트팜혁신밸리 내에 위치한 에코프로에이치엔의 온실 모습>

□ 이번 결과는 스마트팜 재배 환경 혁신에 기여할 것으로 기대된다.

  ㅇ 이영국 화학연 원장은 “이번 기술은 공공 연구기관과 대학, 기업이  협력하여 실제 농업 현장에서 적용될 수 있는 기술로 발전했다는 점에서 의미있는 기술”이라며,  “스마트팜의 생산성 향상과 함께 탄소 저감이라는 국가적 과제 해결에도 기여할 것”이라고 기대했다.