Update2024.05.18 (토)
인류공존 위한 나노기반 적정기술·환경기술
■ 기술 소개
적정기술이라는 용어는 1960년대 경제학자 슈마허가 만들어낸 ‘중간기술(intermediate technology)’이라는 용어에서 비롯되었다. 슈마허는 선진국과 제3세계의 빈부 양극화 문제를 해결하기 위해서는 중간 수준의 기술이 필요하다고 주장했다. 중간기술은 현지에서 조달 가능한 재료와 적은 자본, 간단한 기술을 활용해 제3세계 사람들에게 필요한 기술들을 제공해 주고, 이들이 생산 활동에 참여해 스스로 생계를 유지하게 해 주는 데 의미를 둔다.(산업통상자원부 블로그)
적정기술의 대표적인 예는 생명빨대(Lifestraw)다. 이 장치는 아프리카와 같이 식수공급이 원활하지 못한 지역에서 전기장치나 화학적인 방법을 쓰지 않고 단지 물리적인 여과만을 통해 매일 2리터의 오염된 물을 약 1년간 정수할 수 있다. 하지만 여전히 경제적으로 빈곤한 저개발국가 사람들이 구입해서 쓰기에는 가격이 높은 편이다. 장치가격의 대부분은 필터가 차지하고 있어 싼 값으로 정수능력이 더 우수한 나노필터를 개발하는 일이 폭넓게 추진되고 있다.
물 문제는 비단 저개발국가에만 국한되지 않는다. 막대한 석유자원을 바탕으로 경제적으로 풍요로운 중동국가의 경우 만성적인 물 부족 상태에 시달리고 있다. 지에 존재하는 전체 수자원은 약 13.57억km3 정도이지만, 그 중 97.5%가 바닷물이다. 바닷물을 민물로 바꿀 수 있는 해수담수화 기술이 인류의 생존과 직결되어 있는 기술인 이유가 바로 여기에 있다. 해수담수화 기술의 핵심은 여과막(membrane)인데, 염분을 걸러내기 위해서는 역삼투 현상을 이용하는 역삼투 여과막(Reverse Osmosis Membrane) 개발이 필수적이다.
이 때 여과막은 해수에 대한 장기적인 내구성·내화학성·내오염성이 높아야 한다. 또 여과를 위한 에너지 소모가 적어서 경제성을 확보할 수 있도록 제작되어야 한다. 나노기술은 바로 이러한 여과막 제작에 핵심적으로 적용될 수 있을 것으로 전망된다. 나노 여과막 기술은 해수담수화뿐 아니라 식수용 정수, 산업 및 농업하수 재이용, 유기용매 및 폐유 재생처리, 휘발성 유기물질(VOC) 제거 등에 폭넓게 활용된다. 따라서 물 부족에 대한 국가적·지역적 문제를 해소할 수 있을 것으로 기대된다.
수송기 및 산업 활동으로 인해 배출되는 여러 가스들은 산성비, 오존층 파괴, 지구온난화 등의 현상을 가져와 지구환경에 큰 위협이 되고 있다. 특히 질소산화물은 산성비의 원인물질일 뿐 아니라, 대기 광화학반응에 의해 인체에 유해한 광화학 스모그 물질을 생성하는 대기 유해물질이다. 이 때문에 세계 각국은 대기 환경 보호를 위해 산업시설과 자동차, 선박 등의 질소산화물 배출규제를 한층 강화해 나가고 있다.
질소산화물 배출을 억제하는 방법은 여러 가지가 있으나, 가장 확실한 방법은 배출되는 부위에서 촉매를 이용하여 질소산화물을 제거하는 배연탈질기술이다. 해당 기술은 이미 30년 이상의 역사를 가지고 있다. 그런데 기존 촉매에 비해 100배 이상 촉매활성도가 높은 나노촉매가 개발되면서 새로운 전기를 맞고 있다. 우선 촉매가 나노 크기로 미세하기 때문에 표면적이 넓어져서 촉매활성이 높아졌다.
이뿐 아니라, 기존 촉매에 비해 낮은 온도에서도 촉매로 기능할 수 있으며 선택성이 높다는 장점을 갖는다. 이러한 나노촉매는 전 인류의 당면과제인 글로벌 대기오염 문제를 해결하는 데 일조할 수 있을 것으로 기대된다.
■ 세부기술 - 나노촉매
◇ 기술의 정의
표면적이 넓은 산화물 지지체에 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 금속입자가 분산되어 있는 구조로, 표면에서 기체 반응을 원활하게 하는 재료
◇ 기술실현의 장애요인
활성도가 높은 촉매를 효과적으로 제조하기 위해서는 나노입자의 표면 산화막이 중요한 요인으로 촉매가 반응하는 환경에서 나노입자의 산화상태를 정확히 측정해야 하지만, 지금까지 대부분 진공상태에서만 분석되어 이를 면밀히 확인하기 어렵다.
◇ 기술의 예상 실용화 시기
나노촉매는 표면 성질에 대한 이해도 향상으로 지난 20년 동안 꾸준히 성장한 분야였으며 최근 해당 기술에 대한 다양한 연구 개발 성과들은 상용화시기를 앞당기고 있다. 이에 실용화까지 5∼6년이 소요될 것으로 예상되고 있다.
◇ 기술개발동향
○한국
한국과학기술원은 상업 엑스선 광전자 분광법으로 나노입자의 산화상태를 촉매환경에서 측정을 성공했다. 측정결과를 바탕으로 산화상태가 촉매의 활성도에 미치는 영향을 확인해 크기가 큰 루테늄 나노입자의 얇은 산화막이 촉매의 활성도를 높일 수 있고, 산화상태를 바꾸면 활성도도 제어할 수 있다는 사실을 입증한 바 있다.
한국과학기술연구원 분자인식연구센터에서는 귀금속 나노 튜브 촉매를 개발했다.
○ 미국
스탠포드대학에서 우수한 수소 발생 반응의 활성 전기촉매로서 적용될 수 있는 나노박막을 개발했다.
미국 브룩하벤 국립연구소에서 고성능 나노촉매를 개발해 물에서 생산된 순수한 수소보다 40%나 더 저렴한 연료를 개발한 바 있다.
