청정 화학을 위한 인공 광합성 돌파구

케임브리지대학교를 비롯한 주요 기관의 연구진이 인공 잎을 공개했습니다. 이 독특한 설계는 광합성을 재현해 주요 산업 전반의 다양한 용도에 활용될 수 있습니다. 인공 잎이 화학 산업을 더 친환경적으로 바꾸고 그 밖의 변화까지 이끌 수 있는 방법을 살펴보겠습니다.

화학 산업

화학 제조업체는 식량 생산에 쓰이는 비료부터 의약품, 플라스틱, 미용용품에 이르기까지 필수 원료를 공급하며 현대 경제에서 핵심적인 역할을 합니다. 최근 보고서에 따르면 2025년 전 세계 화학 산업 규모는 6조 3,240억 달러를 넘어서며, 전년 대비 2.3% 성장했습니다. 다만 이러한 성장과 생산에는 환경적 비용이 따릅니다.

주요 오염원

화학 산업은 전체 화석연료의 약 10%를 소비하고 전 세계 CO₂ 배출량의 5~6%를 차지합니다. 또한 전체 담수 사용량의 20%를 쓰고 있습니다. 보고서에 따르면 화학 제조의 직접적인 결과로 전 세계에서 1억 종이 넘는 화학물질이 인공적으로 만들어졌습니다.

잔류성 유기오염물질(POP), 과불화화합물(PFAS), 내분비계 교란물질(EDC) 같은 유해 화학물질은 환경과 생물에 직접적인 피해를 줍니다. 더욱 심각한 점은 수십 년간 환경에 남아 있거나 다른 화학물질과 결합해 더 유해한 화합물을 만들 수 있다는 것입니다.

합성 촉매

연구자들은 오랫동안 이 복잡한 문제를 해결할 방법을 찾아왔습니다. 이에 따라 산업의 각 요소를 분석하고 탈화석연료화할 수 있는 모든 방안을 검토하기 시작했습니다. 그중 한 전략은 합성 촉매 또는 무기 반도체의 활용에 초점을 맞춥니다.

합성 촉매는 결과에 개입하지 않으면서 복잡한 화학 반응을 가속하도록 특별히 설계된 인공 화학물질입니다. 오늘날에는 석유 분해부터 플라스틱 제조까지 광범위하게 사용됩니다. 따라서 Good 완충제, 전자 매개체, 희생 시약 같이 반응에 영향을 주는 화학 성분을 대체하려는 요구가 커지고 있습니다.

현재 솔루션

반인공 광합성은 업계에서 계속 주목받는 접근법입니다. 이 방식은 광전기화학적 바이오하이브리드를 사용해 화학 반응을 가속합니다. 생명공학적으로 개량한 효소를 이용하면 높은 선택성과 효율로 복잡한 화학 변환을 수행할 수 있습니다.

이 전략은 광 포집 반도체와 생체 촉매를 하나의 소형 장치로 제조하는 등 여러 발전을 이뤄습니다. 연구자는 특정 구성 요소를 최적화해 필요한 기능을 강화할 수 있습니다. 그럼에도 광전기화학(PEC) 응용의 도입을 제한해 온 기술적 장벽이 여전히 많습니다.

이러한 접근 방식이 직면한 문제

현재의 반인공 광합성 장치가 가진 주요 문제는 안정성 부족입니다. 화학 조성이 빠르게 변하기 때문에 안정적으로 유지하려면 pH 차이를 상쇄하는 반응 속도가 빠른 완충제 등 특정 화합물을 계속 공급해야 합니다. 광흡수체에서 생체 촉매로 전하를 옮기는 확산 매개체도 그 예입니다.

산업용 촉매는 비싸고 독성도 있습니다. 이는 취급을 복잡하게 만들고 비용과 주의사항을 늘립니다. 또한 이러한 화학물질은 반응에 개입해 금속 산화에 영향을 줍니다. 이런 상황은 오염, 촉매 저해, 또는 전체 공정의 독성화를 초래할 수 있습니다.

인공 잎 연구

과학 저널 Joule에 게재된 태양광 화학 합성을 위해 유기 반도체와 효소를 연결한 반인공 잎 연구¹는 유해한 촉매 없이 직접 반인공 광합성을 수행할 수 있는 새로운 유기 태양전지(OPV) 설계를 소개합니다.

출처 – Joule

이 공정은 최대 24시간 동안 광합성을 유지할 수 있어 더 친환경적인 미래의 가능성을 보여줍니다. 연구진은 독성 성분을 제거하고, 원치 않는 부산물을 만들지 않으면서 깨끗한 화학 반응을 유지할 수 있는 유기 요소로 대체하는 것을 목표로 시작했다고 설명했습니다.

포르메이트

이 독특한 유기 반도체 기반 반인공 광전기화학 설계는 물과 CO₂로부터 그린 H₂ 또는 포름산염을 합성하며, 태양광-연료 효율 0.6%와 패러데이 수율 87%를 달성합니다. 태양광 기반 H₂ 생성 또는 CO₂의 포름산염 변환 능력을 기준으로 선별한 실험실 배양 효소를 활용합니다.

구체적으로 효소는 직접 전자 전달(DET) 메커니즘을 통해 전극과 에너지를 공유합니다. 이 황산염 환원 박테리아는 자연적으로 물을 수소와 산소 분자로 분리하거나 이산화탄소를 메탄으로 변환합니다.

특이하게도 수소화효소 또는 포름산 탈수소효소와 탄산무수화효소 사이의 상호작용은 태양광 연료로 작동할 수 있으며, 이 반응을 이용해 핵심 화합물을 만들 수 있습니다. 연구진은 이러한 화합물을 분석해 나노 규모의 상호작용까지 고려한 최적의 설계를 도출했습니다.

반인공 잎

결과물은 반응에 개입하는 완충제, 매개체, 희생제 없이 광합성을 모방하는 반인공 잎이었습니다. 광흡수 고분자와 박테리아 효소가 협력해 완충제나 촉매의 필요성을 없애기 때문에 유기 반도체를 통해 더 높은 효율을 달성할 수 있었습니다.

인공 잎 테스트

연구진은 개념을 입증하기 위해 여러 실험을 수행했습니다. 비생물-생물 계면의 전자 신호를 추적하기 위해 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 사용했습니다. 이 방법은 계면 전하 이동 메커니즘에 대한 중요한 통찰을 제공해 공정을 개선하는 데 도움을 줬습니다.

스와이프해서 스크롤 →

인공 잎 테스트 결과

실험 결과, 인공 잎 설계는 효율적으로 높은 전류를 생성했습니다. 특히 반응 과정에서 거의 완벽한 에너지 변환을 이루며 최적의 광전압과 광전류 밀도를 달성했습니다.

또한 장치가 24시간 전체를 작동해 가장 근접한 경쟁 기술보다 두 배 오래 가동했습니다. 이는 반유기 전략이 제공하는 안정성을 보여줍니다. 인공 잎은 필요에 따라 안정적인 H₂ 생성 또는 선택적 CO₂-포름산염 변환을 유지할 수 있음을 입증했습니다.

인공 잎의 장점

이 연구는 업계에 여러 이점을 제공합니다. 우선 지속 가능한 접근법은 효율과 생산성이 동등한 친환경 대안을 제공해 오염을 줄이는 데 도움을 줍니다. 또한 이 시스템은 향후 수년 내에 기존 산업용 화학 공정에 쉽게 통합되도록 설계됐습니다.

안정성

이 접근법의 가장 큰 장점 중 하나는 인공 광합성 공정에 새로운 수준의 안정성을 제공한다는 점입니다. 이번 연구 전에는 인공 광합성을 최대 12시간까지만 유지할 수 있었고 관리 부담도 컸습니다. 이제는 추가 첨가제 없이 24시간 가동할 수 있어 비용과 시간을 절약하고 환경 부담도 줄입니다.

비독성

기존의 모든 인공 잎 설계에는 유해 화학물질, 특히 독성 광흡수체가 필요했습니다. 이번 접근법은 설계 자유도를 높이면서 지속 가능성도 향상시킵니다. 따라서 추가적인 활용 사례가 나올 가능성이 큽니다.

인공 잎 적용 및 상용화 일정

인공 잎 연구의 발견은 다양한 분야에 활용될 수 있습니다. 이 기술은 핵심 공정의 탈화석연료화를 통해 화학 산업을 혁신할 수 있습니다. 또한 기업이 더 내구성 있고 강력한 태양광 장치를 만드는 데 도움을 주고, 제약·고분자·향료 산업의 핵심 화학 성분 제조 공정을 개선할 수 있습니다.

인공 잎 일정

이 기술이 대중화되기까지는 5~10년이 걸릴 수 있습니다. 산업계는 탄소중립 목표를 달성할 방법을 적극적으로 찾고 있으므로, 이 기술은 정부·산업계·학계의 강력한 지원을 받을 가능성이 큽니다.

인공 잎 연구자

이 인공 잎 연구는 케임브리지대학교의 Erwin Reisner 교수와 Celine Yeung 박사가 이끌었으며, Yongpeng Liu, David M. Vahey, Rita R. Manuel, Inês A.C. Pereira가 참여했습니다. 싱가포르 과학기술연구청, 영국 왕립공학원, UK Research and Innovation, 유럽연구이사회, 스위스 국립과학재단이 연구를 지원했습니다.

인공 잎 미래

인공 광합성 연구의 미래는 밝아 보입니다. 연구진은 수년에 걸쳐 기술을 발전시켰고 이전에도 여러 인공 잎을 만들었지만, 최신 제품만큼 안정적인 것은 없었습니다. 앞으로도 각 세대를 최적화하며 친환경 인공 잎의 새 시대를 열 연구가 이어질 것입니다.

화학 제조에 투자하기

화학 제조 분야는 수조 달러 규모의 빠르게 성장하는 산업입니다. 수십 년 동안 운영된 여러 화학 제조업체가 세계가 계속 발전하는 데 필요한 핵심 기초 소재를 공급합니다. 다음은 품질과 안정성으로 평판을 쌓은 기업 중 하나입니다.

Ecolab Inc.

Ecolab Inc. (ECL )는 1923년 미네소타주 세인트폴에서 Economics Laboratory, Inc.라는 이름으로 설립됐습니다. 창업자 Merritt J. “M.J.” Osborn은 성장하는 환대 산업에 고품질 카펫 세정 솔루션을 공급하고자 했습니다. 이 구상은 Absorbit이라는 카펫 세정제, 즉 회사의 첫 제품으로 이어졌습니다.

1957년 Ecolab은 상장했으며 이어 사업 확장과 인수합병을 추진했습니다. 2011년에는 Nalco Holding Company를 인수해 수처리 제품 분야로 전환할 발판을 마련했습니다. 오늘날 회사는 산업용 수처리, 세정, 위생 제품을 제공합니다.

역사가 오랜 화학 제조업체를 찾는 투자자에게 Ecolab은 100년이 넘는 풍부한 역사를 제공합니다. 또한 포천 500 기업 중 247위에 오를 만큼 성장했습니다. 이에 따라 ECL은 반세기 전 처음 상장한 이래 투자자의 상당한 관심을 받아왔습니다.

최신 ECL (ECL) 주식 뉴스 및 실적

인공 광합성 돌파구 | 결론

인공 잎 연구의 과학적 성과는 앞으로 여러 산업에 큰 영향을 미칠 것입니다. 이 기술은 생산량을 희생하지 않고도 전 세계 오염을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 또한 향후 독성 대안물을 대체할 수 있는 더 복잡한 유기 화합물의 가능성을 엽니다. 이러한 이유로 연구진의 노력과 혜안은 큰 찬사를 받을 만합니다.

다른 지속 가능성 기술은 여기에서 확인하세요.

투자자 요점

• 인공 광합성 상용화: 케임브리지의 반유기 인공 잎은 향후 10년 내에 6조 달러 규모 화학 제조업의 탈탄소화를 앞당길 수 있습니다.
• 산업 잠재력: 24시간 안정성과 무독성 설계는 이 기술을 지속 가능한 화학 및 수소 생산 시스템에 통합할 유력한 후보로 만듭니다.
• 투자 관점: 수처리와 친환경 공정 화학에서 중요한 위치를 차지한 Ecolab Inc.(NYSE: ECL) 같은 기업은 인공 잎 기술의 산업적 도입으로 수혜를 받을 수 있습니다.

참고문헌:

^{1. Yeung, C. W. S., Liu, Y., Vahey, D. M., Manuel, R. R., Pereira, I. A. C., & Reisner, E. (2025). 반인공 잎이 유기 반도체와 효소를 연결하여 태양광 화학 합성을 수행. Joule. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.10.004}