▲ 소형 DAC 설비 실증이 이뤄지고 있는 경상북도 상주 스마트팜혁신밸리 내에 위치한 에코프로에이치엔의 온실

국내 산·학·연 공동연구진이 공기 중 이산화탄소(CO2)를 직접 포집하는 기술을 개발해 스마트팜 재배 환경 혁신과 탄소중립에 기여할 전망이다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 KAIST(총장 이광형), 에코프로 에이치엔(대표 김종섭)과 ‘직접 공기 포집(DAC, Direct Air Capture)’ 기술을 공동 개발했다고 1일 밝혔다.

작물은 이산화탄소(CO₂) 농도가 높을수록 광합성이 활발해지며 특히 800~1000ppm 구간에서 최적 성장을 보인다. 그러나 대기 중 CO₂ 농도는 약 400ppm 수준에 머물러 있다.

이에 국내 산·학·연 연구진은 긴밀한 협력을 통해 스마트팜 현장에서 설치 제약 없이 대기 중 CO₂를 직접 농축해 작물에 공급하는 기술을 개발했다.

일반적인 CO2 포집·활용·저장(CCUS) 기술은 산업 현장에서 나오는 고농도 탄소를 대상으로 하는 기술로, 발전소·공장 등 설치 장소가 제한된다. 반면 직접 공기 포집 기술은 대기 중의 저농도 이산화탄소를 포집하므로 어디서든 사용할 수 있다는 장점이 있다.

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.

고체 흡착 방식은 흡착제 필터에 공기를 통과시키면, 흡착제에 CO2 분자는 달라붙고 공기 분자는 빠져나가는 방식이다. 필터에 CO2가 가득 차면 열이나 압력을 가해 분리·저장한다. 액체 용액 방식에 비해 소형화가 가능하고 에너지 소모가 적다.

공동연구팀은 액체 흡수 방식의 한계를 극복하기 위해 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 합쳐졌으며, 에코프로에이치엔에서 소형 설비로 제품화하고 있다.

KAIST 최민기 교수 연구팀은 ’16년부터 CO2 제거 흡착제 연구를 본격적으로 추진해 왔다. 이번에 개발된 흡착제는 직접공기포집(DAC) 기술 뿐만 아니라 화력발전소 배기가스의 CO2 포집에도 적용할 수 있다. 특히 기존 기술과 비교해 흡착 성능, 경제성, 장기 안정성을 동시에 확보한 것이 특징이다.

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.

해당 설비는 특정 지점·시설에 국한되지 않고 다양한 장소에 설치할 수 있으며, 특히 스마트팜과 같은 농업 현장에서 효율적으로 CO2 농도를 조절할 수 있다는 장점이 있다.

그동안 인위적으로 CO2를 만들어 공급하던 방식과 달리, 소형 DAC 설비는 공기 중 이산화탄소를 직접 포집해 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.

연구팀은 미세조류를 포함한 다른 분야 농작물에도 소형 DAC 설비를 적용할 방침이다. 또한 에코프로에이치엔은 ’26년 소형 DAC 설비 상용화를 목표로 한다.

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