▲ 에너지기술연구원의 실제 실험실 내 구축 사진

로봇기술을 활용해 연구실 내 수많은 장비와 시약들을 조작하고 측정하는 완전 자동화 실험실 시대가 열린다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 청정연료연구실 박지찬 박사 연구진이 로봇을 활용한 촉매 성능 평가 자동화 실험실을 국내 최초로 구축해 무인 실험실 시대를 열었다고 1일 밝혔다.

영국의 대학연구팀이 실험실용 이동식 무인 로봇을 이용한 자율주행 실험사례에 대해 네이처지에 보고된 것처럼 최근 여러 형태의 로봇 적용이 늘어나고 있다.

연구진은 기존 숙달된 연구원이 하루 3회 정도만 수행할 수 있었던 촉매사전 평가실험을 로봇을 활용해 무인으로 시간당 6회까지 안정 수행하는 완전 자동화 촉매 성능 평가 시스템을 개발했다. 월평균 30~50명 수준의 전문 인력을 대체할 수 있어 소재 개발 가속화 및 높은 연구 성과 달성이 기대된다.

촉매는 자동차 배기가스 저감이나 연료전지, 의약산업 등 다양한 산업에 폭넓게 이용된다. 하지만 국내 고체 촉매 소재 원천기술은 매우 부족해 수입에 의존하고 있다. 국내에서 촉매를 국산화하기 위해 노력중이나 제법이 복잡하고 재현성이 낮은 등 통일 시스템이 없어 유연성이 떨어진다.

연구진은 보다 빠르고 편리하며 신뢰성 높은 촉매 성능 평가 과정을 위해 국내 협동 로봇 제조회사인 ㈜레인보우로보틱스의 로봇과 진동 교반기, 마이크로 피펫 등을 UV/Vis 분광기와 연동시켰다. 여기에 자체 개발한 자동화 프로그램을 접목해 촉매 반응 진행 정도를 실시간으로 정확히 분석할 수 있도록 설계했다.

로봇기반 촉매 자동화 평가시스템은 나이트로페놀 촉매 환원 반응을 활용, 동일 금속과 함량을 갖는 촉매에 대해 각각 활성도와 속도상수 등을 빠르고 정밀하게 반복 측정함으로써 촉매 간 상대적 성능 수준을 정확하게 파악할 수 있다. 또 하루 100회 이상 촉매 성능 평가 결과를 확보할 수 있어 촉매기술 개발의 속도를 높일 수 있다.

연구진이 개발하고 특허로 출원한 로봇 기반 촉매 성능 자동화 평가 시스템을 통해 앞으로는 전문 인력의 투입 없이도 보다 빠르고 신뢰성 있게 촉매 사전평가 데이터를 확인할 수 있게 됐다. 이 시스템은 촉매소재 개발과 나노 소재의 물성 평가에도 활용이 가능하며, 장기적으로는 축적된 정보를 기반으로 촉매와 나노 소재 관련 빅데이터 구축에도 기여할 수 있다.

연구책임자인 박지찬 박사는 “향후 나노 촉매 다품종 소량 생산 스마트 실험실을 구현하고 인공지능 알고리즘이 접목된 자율수행 실험실과 이를 토대로 국가적 촉매 공유 플랫폼 센터를 완성해 보고자 한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국에너지기술연구원의 기본사업의 지원을 받아 수행됐으며, 이를 배경으로 수행한 다학제 융합 클러스터 과제 (과제명 로봇 활용 자율 수행 기반 첨단 나노 소재 플랫폼 기술 도출을 위한 융합클러스터)가 2022년 국가과학기술연구회 우수 융합클러스터로 선정되기도 했다.