수상자 상세정보
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기후변화의 주범인 이산화탄소(CO2)를 에틸렌, 에탄올, 합성가스과 같은 고부가가치 화합물(e-Chemical)로 전환하는 요소기술 및 체계를 개발하여 기존의 산업 생태계를 유지하면서도 온실가스를 저감하는 해법을 마련
ㅇ 전기화학적으로 온실가스를 고부가 화합물로 전환하는 e-CCU 연구
지구온난화의 주범인 이산화탄소(CO2)는 인간의 활동으로 과도하게 대기 중에 축적되고 있으며, 이는 기후변화와 극단적인 날씨를 초래하였다. 이 문제를 단순히 ‘줄이자’가 아니라 ‘활용하자’는 발상에서 시작된 기술이 바로 탄소 포집 및 활용(CCU: Carbon Capture and Utilization)이다. 특히 전기화학적 CO₂전환 기술은 재생에너지(예: 태양광, 풍력)를 이용해 CO2를 연료나 화학물질로 바꾸는 기술로 주목받고 있다. 이 기술을 통해 공장에서 배출되는 CO2를 포집해, 에틸렌·에탄올 같은 유용한 물질인 e-Chemical로 바꿔 다시 산업에 쓸 수 있다. 이 기술은 온실가스를 줄이는 동시에 석유화학 산업을 대체할 수 있어, 탄소중립과 순환경제 실현에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.
ㅇ 실험실의 연구를 산업 현장으로(Lab-to-Industry)
전기화학적 CO₂ 전환(CCU) 기술은 실험실 수준의 성과를 산업 현장에 적용함으로써 온실가스 감축과 자원화를 동시에 실현할 수 있는 핵심 수단이다. 이를 위해서는 실험실의 원천 연구를 뛰어넘어 기술의 재현성, 안정성, 경제성을 확보할 수 있는 공정화 및 시스템화가 필수적이다. 나아가, CCU 기술의 현장 확산은 실질적 CO₂감축이라는 탄소중립 정책 이행과 관련 산업 생태계 조성을 위한 전략적 기반이다. 상기 연구 결과는 전극 소재 개발, 반응 메커니즘을 규명하기 위한 실시간 분석 플랫폼 개발, 그리로 이를 디바이스화 하는 원천 연구에서부터 실제 현장에 파일럿을 지어 운전하는 실증화 연구까지 진행하고 있다. 해당 연구 성과는 우수 논문은 물론 ㈜LG화학에 기술이전 되었으며, 실질적 탄소중립 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
지구온난화로 인한 이상기후와 생물다양성 감소 등 환경 위기가 날로 심화되고 있습니다. 6월의 과학기술인상 수상자인 KIST 청정에너지연구센터 오형석 박사(센터장/책임연구원)는 CO₂를 단순한 폐기물이 아닌, 화학 산업의 원료로 전환할 수 있는 기술 개발에 앞장서며 근본적인 문제 해결의 길을 제시하였습니다. “정답보다 질문을 사랑하고, 세상을 깊이 이해하려 노력한다”라고 말하는 오형석 박사는 과학자인 동시에, 연구실의 실험이 산업과 환경을 지킬 수 있다는 믿음으로 세상의 변화를 이끄는 실천가입니다. 그의 연구는 실험실 수준을 넘어 파일럿 플랜트를 통한 실증화 단계에 이르렀고, 이는 산업화 가능성을 보여주는 중요한 이정표가 되었습니다. 6월 5일 세계환경의 날,‘기후위기 시대의 해법’으로서 과학기술이 나아갈 방향을 고민하는 오형석 박사를 만났습니다.
뜻깊은 상을 받게 되어 매우 영광스럽고 감사한 마음입니다. 이번 수상은 저 개인의 성과만이 아니라 함께 연구를 수행해온 동료 연구자들과 늘 아낌없는 지지를 보내주신 한국과학기술연구원, 그리고 사랑하는 가족의 응원 덕분이라고 생각합니다. 특히, CCU 분야에서 묵묵히 연구에 매진하시는 모든 연구자들을 대신해 수상한 것으로 더욱 뜻깊게 느껴집니다. 앞으로도 과학기술을 통해 지속가능한 미래를 여는 데 기여할 수 있도록 정진하겠습니다.
세계 환경의 날에 이처럼 뜻깊은 상을 받게 되어 더욱 감회가 새롭습니다. 최근 지구온난화로 인한 이상기후, 생물다양성 감소 등 복합적인 환경 문제가 심화되고 있는 가운데, 저는 전기화학적 이산화탄소(CO₂) 전환(e-CCU) 기술을 통해 산업 생태계를 유지하면서도 온실가스를 저감할 수 있는 실질적인 해법을 찾고자 노력하고 있습니다. 구체적으로는 CO₂ 전환에 적합한 전극 소재를 개발하고, 다양한 실시간 분석 플랫폼을 활용해 반응 메커니즘을 정밀하게 규명하는 연구에 집중하고 있습니다. 나아가, 충청남도 보령에 위치한 중부발전소 현장에서 실제 배출되는 CO₂를 고부가가치 화합물로 전환하는 실증 연구도 함께 진행 중입니다. 이러한 노력이 지속가능한 미래를 향한 걸음이 되어, 환경 문제 해결에 기여할 수 있기를 진심으로 기대합니다.
지구 온난화의 주요 원인으로 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)이 지목되고 있으며, 특히 CO2는 세계 산업 구조와 온실가스 배출량 측면에서 큰 비중을 차지합니다. CO2는 석유, 석탄 같은 화석 연료를 연소시킬 때 발생하는 최종 부산물로, 에너지를 모두 소비한 후 남는 매우 안정적인 화합물입니다. 이처럼 CO2는 열역학적으로 매우 안정한 상태이기 때문에, 이를 다시 다른 화합물로 전환하려면 상당한 에너지가 필요합니다. 일반적으로 이러한 전환 과정에는 열이나 압력이 에너지원으로 사용되는데, 이 경우 또 다른 온실가스가 추가로 배출되는 모순이 발생합니다. 따라서 근본적인 해결책은 재생에너지와 연계된 전기에너지를 활용하여 CO2를 전환하는 것입니다. 이러한 배경에서, 전기화학적 방법을 통해 CO2를 고부가가치 화합물인 e-Chemical로 전환하는 기술이 주목받고 있습니다. ‘e-Chemical'이라는 용어에서‘e-’는 electron(전자)를 의미하며, 전자를 기반으로 생성된 화합물을 통칭합니다.
그렇다면 왜 굳이 '고부가가치 화합물'을 만들어야 할까요? 이는 단순히 환경적인 이유를 넘어 경제적인 관점에서의 필요성에 기인합니다. CO2를 전환한 화합물이 시장에서 충분한 경제적 가치를 지녀야만, 기업과 산업계가 CO2 저감 기술인 CCU(Carbon Capture and Utilization) 연구에 적극적으로 참여할 수 있습니다. 나아가, 고부가가치 e-Chemical 생산은 향후 석탄 및 석유 기반 산업을 대체할 수 있는 CO2 기반 순환경제 체제 구축 측면에서도 매우 중요한 전략이 됩니다.
온실가스의 주요 원인인 이산화탄소(CO2)를 고부가가치 화합물로 전환하는 것입니다. CO2는 하나의 탄소 원자와 두 개의 산소 원자가 이중 결합된 구조입니다. 이를 쉽게 비유하자면, CO2는 분해와 재조합을 통해 새로운 화합물을 만들 수 있는 '레고 블록'과 같습니다. 저는 이러한 전환에 필요한 외부 에너지원으로 재생에너지 기반의 전기를 활용하여 CO2를 에틸렌, 에탄올, 개미산, 합성가스 등 다양한 기초 화학 원료로 전환하는 기술을 연구하고 있습니다. 이 과정의 핵심 기술인 촉매 소재를 설계·합성하고, CO₂전환 반응의 메커니즘을 정밀하게 분석합니다. 더 나아가, 해당 기술을 전기화학 반응기 및 시스템 수준으로 구현하는 연구도 병행하고 있습니다. 최근에는 기술의 실효성을 입증하기 위한 실증화 단계로 실제 산업 현장에 파일럿 플랜트를 구축하고 운전하는 실증연구도 수행 중입니다.
전기화학이라는 학문 분야에 깊은 흥미를 느껴 전기화학을 대표하는 연구 중 하나인 수소 연료전지 시스템을 주제로 학위를 받았습니다. 이후 CO₂ 관련 전기화학 연구를 수행하는 독일 베를린공과대학교의 페터 슈트라서(Peter Strasser) 교수님 연구실에서 박사후연구원으로 연구를 이어갔습니다. 당시 독일 가속기연구소와의 협업을 통해 다양한 실시간 분석 플랫폼도 접할 수 있었습니다. 독일에서의 경험은 지금까지도 제 연구에 깊은 영향을 미치고 있습니다. 당시에는 단순하게 지나쳤던 경험들조차 시간이 지나며 값진 밑거름이 되었음을 실감합니다. 결국 전문 연구자로서의 성장은 특별한 비결보다도 연구에 대한 진지한 자세와 적극성, 그리고 우연히 찾아온 기회를 성실히 대하는 태도에서 비롯된다고 생각합니다.
전기에너지를 활용하여 CO2를 고부가가치 화합물로 전환하기 위해서는 두 가지 핵심 기술이 필요합니다. 첫째는 CO2가 효율적으로 재조합되도록 돕는 고성능 촉매 소재 개발, 둘째는 이러한 이 촉매를 실제 장치에 적용할 수 있는 디바이스화 기술입니다.
촉매 소재 개발은 나노 스케일 수준의 정밀한 설계와 반응 메커니즘 규명이 요구되는 분야로 원천기술에 가깝습니다. 저희 연구팀은 최근 전극의 국소 pH를 정밀하게 제어하는 기술을 개발하여, CO2가 촉매 표면에 보다 원활히 도달하도록 하였고, 이를 통해 1 A/cm2 수준의 고전류밀도 성능을 달성하였습니다. 또한, 개발한 전극 소재를 대면적 스택형 반응기에 적용하여, 실험실 규모를 넘어서는 파일럿 수준의 시스템 연구로 확장하였습니다. 현재는 충청남도 보령에 위치한 중부발전 내 실증부지에 해당 시스템을 구축하고, 실제 발전소에서 배출되는 CO2를 활용한 실증 연구를 활발히 수행 중입니다.
앞서 말씀드린 바와 같이, 충청남도 보령 중부발전 내에 실증 플랜트를 구축하고 있습니다. 이 시설은 이산화탄소(CO2)를 전기화학적으로 전환하여 하루 200kg의 일산화탄소(CO)를 생산할 수 있는 규모로, 국내는 물론 세계적으로도 최대 수준의 실증화 플랜트입니다. 이 기술을 기반으로, 현재 과학기술정보통신부가 추진 중인 ‘CCU메가프로젝트’가 예비타당성 평가를 준비하고 있으며, 과제가 본격적으로 추진될 경우, 연간 500톤 규모의 CO2를 처리할 수 있는 전기화학적 전환 실증 시스템이 구현될 예정입니다.
KIST에서 수행한 전기화학적 CCU 연구 또한 실질적인 산업화까지 염두하여 명확한 목적성과 방향성을 갖고 진행한 결과 원천기술 개발에 그치지 않고, 다양한 실증화 연구로 이어졌습니다. 한편, 기술이 실증화 단계까지 발전하기까지 ㈜LG화학 같은 대기업이 CCU 연구에 높은 관심을 가지고 적극적으로 참여한 점이 큰 역할을 했습니다. 일반적으로 기업은 단기간 내 상용화가 어려운 연구 분야에 과감히 투자하는 것은 쉽지 않습니다. 그런 의미에서 ㈜LG화학의 미래를 내다보는 통찰력과 도전 정신은 이번 연구에 강력한 추진력을 제공했습니다. 산업화를 목표로 한 일련의 과정은 연구자로서의 적극적인 자세, 그리고 연구 과정에서 맞이한 몇 차례의 우연한 기회들이 잘 맞물리며 만들어진 결과라고 생각합니다.
KIST e-Chemical 팀은 전기화학적 CO₂ 전환 반응을 정밀하게 분석하기 위해 다양한 실시간 분석(Operando analysis) 플랫폼을 보유하고, 여러 고해상도 분석 기법을 융합적으로 활용하고 있습니다. 대표적으로 가속기 기반 X-선 흡수 분광법(XAS), 연X선 흡수 분광법, 라만 및 표면향상 라만 분광법(SERS), 가속기 기반 CT 분석법, 유도결합 플라즈마 질량분석법(ICP-MS) 등 다양한 고해상도 분석 기술을 연계하여 사용함으로써 전기화학 반응 중 촉매의 상태 변화와 생성물 분포를 정밀하게 추적할 수 있습니다. 이처럼 하나의 연구 그룹 내에 고도화된 실시간 분석 인프라가 집적화되어 있는 경우는 세계적으로도 매우 드문 사례로, 저희 팀의 큰 강점이자 경쟁력이라 할 수 있습니다.
전기화학적 CO₂전환을 통한 고부가가치 화합물(e-Chemical) 생산기술은 2030년 국가 온실가스 감축 목표 달성을 위한 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 이 기술은 단순히 CO2를 제거하는 수준을 넘어, 재생에너지를 기반으로 한 전기에너지를 활용해 CO2를 화학 원료로 전환함으로써 온실가스를 자원으로 순환시키는 새로운 산업 모델을 제시합니다. 특히 발전소나 제철소 등 대규모 배출원 인근에 시스템을 구축하면, 배출된 CO2를 실시간으로 전환해 산업 현장에서 직접 활용할 수 있습니다. 이를 통해 화석연료 기반의 기존 화학 공정을 대체하고, 탄소중립형 화학 산업으로의 전환을 앞당길 수 있습니다. 생산된 e-Chemical은 연료, 플라스틱 원료, 접착제, 용매 등 다양한 산업 분야에 활용될 수 있는 고부가가치 제품으로, 기술의 경제성과 상업화 가능성을 높여 줍니다. 나아가, 국내 기술로 전극 소재, 전해시스템 설계, 실시간 분석 기술 등이 축적됨에 따라 향후 글로벌 CCU 시장에서의 수출 경쟁력 확보도 기대됩니다. 궁극적으로, 전기화학적 CO2전환 기술은 CO2를 폐기물이 아닌 새로운 산업 자원으로 인식의 전환을 가져와 지속가능한 탄소 순환 경제의 기반을 구축하는 데 기여할 것으로 전망됩니다.
어려움은 연구 과정에서 늘 함께하는 동반자와 같습니다. 그중에서 특히 기억에 남는 도전은 현재 진행 중인 전기화학적 CO₂전환 기술 중 고압 조건에서 수행되는 ‘초임계 인공광합성’ 과정에서의 경험입니다. 실험 조건을 수없이 변경해도 원하는 전류밀도나 선택도를 얻지 못하고, 정확한 실패 원인을 규명하기 어려웠습니다. 특히, 고압 환경을 견딜 수 있는 적절한 소재와 디바이스를 구성하는 과정도 난관이었습니다. 하지만 문제를 끝까지 파고드는 집요함, 그리고 협업과 소통의 힘으로 극복할 수 있었습니다. 고압 반응기의 경우 전문 가공 업체와의 지속적인 협업과 피드백을 통해 점진적으로 문제를 해결하였습니다. 또한 실험 결과가 예상과 다르게 나왔을 때에도 이를 단순한 오류로 넘기지 않고 다양한 분석을 실시하고, 실험 참여자들과의 활발히 소통하며 새로운 가설을 도출하고, 실시간 분석을 병행함으로써 돌파구를 찾았습니다. 이 과정에서 실패를 대하는 태도야 말로 연구의 진정한 성장 동력이라는 교훈도 얻었습니다.
국가 R&D 지원 사업의 뒷받침이 있었기에 연구 아이디어가 실제 성과로 이어질 수 있었습니다. 연구를 수행하면서 도움을 받은 대표적인 사업으로는 과학기술정보통신부가 지원하는 ‘탄소자원화 플랫폼 화합물 연구단’,‘Carbon to X 연구단’, 그리고 국가 과학기술 연구회(NST)의 창의형 융합연구사업인 ‘초임계 인공광합성 연구’ 등이 있습니다. 이러한 정부 지원이 없었다면, 가능성만으로는 결코 지금과 같은 의미 있는 연구 성과를 얻기 어려웠을 것입니다. 앞으로도 도전적이고 창의적인 R&D, 특히 민간 기업이 선제적으로 투자하기 어려운 고위험·고잠재력 분야에 대해 정부의 지속적이고 전략적인 지원이 이어지길 기대합니다.
경쟁력 있는 연구를 지속하기 위해 가장 중요하게 생각하는 것은 ‘기초에 대한 깊은 이해’와 ‘문제에 대한 집요한 탐구심’입니다. 빠르게 변하는 과학기술 환경 속에서 진정한 경쟁력은 단순한 속도나 양이 아니라, 질적으로 깊이 있는 사고력과 차별화된 관점에서 나온다고 믿습니다.
저의 연구 경쟁력의 바탕은 크게 세 가지입니다. 첫째, 끊임없는 질문과 분석을 통해 현상의 본질을 이해하려는 태도입니다. 실험이 잘 되었을 때보다 잘 되지 않았을 때, 오히려 더 많은 통찰이 담겨 있다고 생각합니다. 반복 실험과 실시간 분석을 통해 작은 단서 하나까지 놓치지 않기 위해 집요하게 추적하려고 노력합니다. 둘째는 협업과 융합을 통한 시너지 창출입니다. 전기화학은 복합적이고 다학제적인 연구 분야로 개인의 연구 역량으로는 한계가 있습니다. 때문에 다양한 배경을 가진 연구자들과의 융합적 협력은 물론 실험실 밖 대학과 기업의 전문가들과의 지속적인 소통과 협업이 중요합니다. 마지막으로, 남들이 하지 않는 주제를 선제적으로 시도하는 도전 정신도 중요합니다. 연구의 원동력은 결국 호기심과 책임감입니다. ‘왜 그렇지?’라는 작은 의문에서 시작해, 그 질문이 사회적 가치로 연결될 수 있다는 믿음이 저를 움직이게 합니다. 나아가 연구가 논문으로 끝나지 않고, 현실에서 구현되어 사회에 기여해야 한다는 책임감이야 말로 연구를 지속할 수 있는 가장 강력한 에너지라고 생각합니다.
가장 행복했던 순간은 오랜 시간 고민하며 설계하고 반복 실험했던 아이디어가 실험 결과로 증명되었을 때였습니다. 처음에는 수없이 실패하고 예상과 다른 결과에 좌절도 했지만, 어느 순간 실험 데이터가 하나둘씩 가설과 맞아떨어질 때 느끼는 그 짜릿함은 말로 다 표현하기 어려울 정도입니다. 가장 보람을 느꼈던 때는, 제가 개발한 기술이 실증화 연구에 적용되어 실질적인 CO₂저감 효과를 낼 수 있다는 가능성을 확인한 순간입니다. 실험실 안에 머무르던 연구가 현실 세계 문제 해결에 기여할 수 있다는 사실은, 단순한 논문 발표 이상의 가치를 느끼게 합니다. 연구는 작게는 한 사람의 생각에서 시작되지만, 결국 사회와 환경에 긍정적인 영향을 줄 수 있다는 점에서 큰 보람을 느낍니다.
저희 팀의 목표이기도 한 실용화 가능한 e-CCU 기술 개발입니다. 이 기술을 통해 CO2의 실질적인 저감은 물론, 기존 석유화학 산업을 대체할 수 있는 탄소 기반 원료를 CO2로부터 생산하는 것을 지향합니다. 이를 통해 CO2를 단순한 폐기물이 아닌, 새로운 화학 산업의 원료로 인식 전환을 시키는 것이 핵심입니다. 또한, 국내 화학 산업이 세계 시장을 선도할 수 있도록, 경쟁력 있는 CCU 기술을 확보하고, 글로벌 라이선스 수출이 가능한 기술 기반을 마련하는 것도 중요한 목표입니다.
유치원 시절부터 과학자를 꿈꾸었으며, 그 이후로 전공 분야의 변화는 있었지만, 제 꿈은 한결같이‘과학자’였습니다. 돌아보면 어릴 적부터 과학자를 꿈꿨기 때문인지, 늘 ‘왜?’라는 질문을 멈추지 않았습니다. 자연스럽게 세상을 바라보는 시선과 마음가짐도 그런 방향으로 형성되었던 것 같습니다. 결국 세상이 어떻게 돌아가는지, 눈에 보이지 않는 현상은 어떻게 설명할 수 있을지에 대한 끊임없는 호기심이 저를 과학의 길로 이끌었습니다. 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 꼭 전하고 싶은 말이 있습니다. “호기심을 두려워하지 마세요. 실패를 두려워하지 마세요.” 과학의 길은 수많은 시행착오를 거치며 스스로 답을 찾아가는 여정입니다. 하지만 그 하나하나의 경험이 결국 ‘과학자의 사고력’을 키우는 밑거름이 됩니다. 무엇보다 중요한 것은, 지금의 공부가 당장 눈에 보이는 성과를 주지 않더라도, 자신이 좋아하는 것에 대한 꾸준한 관심과 태도가 결국 길이 된다는 사실을 믿는 것입니다. 과학자의 삶은 정답보다 질문을 사랑하고, 세상을 깊이 이해하려는 이들에게 활짝 열려 있는 길입니다.