“공기 중 CO2 직접 농축” 스마트팜 활용…작물 수확량 늘린다

이번 연구를 수행한 KAIST, 한국화학연구원 공동 연구진. 오찬영(왼쪽 위부터 시계방향) KAIST 생명화학공학과 오찬영 석사과정·노성현 박사과정·박영환 박사과정·최민기 교수, 박용기 한국화학연구원 박사·김기웅 책임연구원.[한국화학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 작물은 이산화탄소(CO₂) 농도가 높을수록 광합성이 활발해지며, 특히 800~1000ppm 구간에서 최적 성장을 보인다. 하지만 대기 중 CO₂ 농도는 약 400ppm 수준에 머물러 있다. 국내 산·학·연 연구진이 스마트팜에서 대기 중 CO₂를 직접 농축해 작물에 공급하는 기술을 개발했다.

한국화학연구원, KAIST, 에코프로에이치엔은 ‘직접 공기 포집(DAC, Direct Air Capture)’ 기술을 공동 개발했다. 에코프로에이치엔은 2026년 소형 DAC 설비 상용화를 목표로 하고 있다.

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.

공동 연구팀은 건식 흡착 기반의 소형 DAC 설비를 설계·제작했다.

해당 설비는 KAIST 최민기 교수팀이 개발한 건식 이산화탄소 흡착제와 화학연 박용기 박사팀이 보유한 장치 설계·제작 기술이 결합, 에코프로에이치엔에서 소형 설비로 개발됐다.

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.

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.

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.

소형 DAC 설비 실증이 이뤄지고 있는 경상북도 상주 스마트팜혁신밸리 내에 위치한 에코프로에이치엔의 온실.[한국화학연구원 제공]

스마트팜 및 비닐하우스 내 작물들은 광합성 능력이 향상되는 적정 이산화탄소 농도가 높다. 실제 환경의 이산화탄소 농도는 약 400ppm 수준에 불과한데, 최적 성장 농도는 약 800~1000ppm이다.

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.

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.

최민기 교수는 “10여 년간 축적한 CO₂ 흡착제 연구가 스마트팜 등 현장에서 효과를 내게 되어 뜻깊다”고 말했다.

이영국 한국화학연구원장은 “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 밝혔다.