식물에서 탄소를 캐낼 수 있을까

미 연구소, 식물에서 반도체 소재인 탄화규소 추출 전략 제시

탄화규소는 자연에 존재하지 않는 광물로 1890년대에 미국의 어느 과학자가 다이아몬드 합성실험 도중 우연히 발견한 물질이다. 이때까지만 하더라도 탄화규소의 진가를 알지 못했다.

탄화규소(SiC). 강한 공유결합과 내열성, 내식성이 강해 주목받는 소재다. ⓒ위키미디어

높은 열과 화학 합성을 통해서만 만들 수 있는 탄화규소는 강한 공유결합으로 다이아몬드와 비슷한 결정이다. 내열성과 내식성, 열전도성 등의 튼튼한 구조 덕분에 잠재적 수명이 100년으로 최근 전기차 배터리 내부 전력반도체, 우주왕복선의 내열성을 위한 핵심 소재로 주목을 받는다. 특히, 반도체 소자의 주요 소재로 사용되면서 전 세계 탄화규소 시장은 지난해 7억 달러를 넘어서며 가파른 증가세를 나타내고 있다.

최근 생화학자들은 탄화규소를 얻기 위해 식물에 눈을 돌렸다. 미국 솔크(Salk) 생물학 연구소 연구진은 “식물을 가공해 산업에 쓰이는 탄화규소(SiC)로 만들고, 대기 중 온실가스를 줄이는 일석이조의 시스템을 제안한다”라고 밝혔다. 논문은 영국 왕립화학학회 어드밴시스(Royal Society of Chemistry Advances)지에 실렸다.

재배, 분말화, 가열 등…탄화규소 생성 공정 전략

탄소 중립 실현을 위해 온난화의 주요 원인인 대기 중 이산화탄소를 포집하려는 과학자의 시도가 많아지고 있다. 이 연구도 솔크연구소가 시도하는 ‘하니싱 플랜트 이니셔티브(HPI, Harnessing Plants Initiative)’ 전략의 일환이다.

HPI는 기후변화를 해결하기 위해 지구의 탄소 저장 구조를 이용하는 방식의 프로그램이다. 더 많은 탄소를 저장할 수 있는 식물 개발 프로그램과 탄소 흡수원 역할을 하는 습지의 유전 정보 복원 및 보존 등의 두 가지 프로그램으로 구성됐다. 이 연구는 전자에 해당한다.

지구상의 생물권, 암권, 수권, 기권 사이에서 행해지는 탄소의 생화학적인 순환 ⓒ위키미디어

식물은 대기 중 이산화탄소를 흡수하는 자연에서 가장 풍부하고 저렴한 탄소원이지만, 분해 과정을 통해 대기로 탄소를 다시 방출하기 때문에 얻을 수 있는 이득은 크지 않다. 또한, 자연에서 얻기 어려운 탄화규소는 2,200~ 2,400도의 뜨거운 온도에서 석영(이산화규소)과 산처리제, 석유 정제 부산물인 펫코크(Petcoke)와 반응해 만들어진다.

하지만 펫코크에 존재하는 탄소의 약 65%는 생산 중에 이산화탄소나, 메탄으로 방출된다. 연구진은 펫코크 대신 식물을 대체하면 탄소 배출을 줄이고, 이산화탄소를 재활용하는 것이 이번 연구의 방향이라고 설명했다.

실험은 짧은 성장기를 가진 초본과 식물인 담배(학명 Nicotiana tabacum)가 사용됐다. 총 세 단계로 나눠 각 단계에서 탄소를 정량화하면서 탄화규소를 만들었다. 우선 담배 씨앗을 심고 58일 동안 재배 후에 잎과 줄기를 수확했다. 그리고 냉동 후 가루로 만들어 규소가 함유한 화합물을 처리. 마지막으로 분말화된 식물 가루를 1,600도로 가열 건조해 탄화규소를 만들었다.

담뱃잎 당 14% 이상 SiC 생성

식물에서 SiC를 생성하는 공정. ⓒRSC Advances

연구진은 단계별로 탄소 함유량을 측정하니, 수확한 담배 성체는 종자와 비교해 탄소가 약 5만 배 증가했다. 고온으로 가열하고 분해하는 과정에서 잃어버린 탄소를 제외하고, 담뱃잎에 흡수한 탄소 중 14.3% 정도가 탄화규소로 전환됐다. 약간의 불순물을 포함했지만, 시중에서 사용되는 탄화규소와 비슷한 함량을 나타냈다고 연구진은 밝혔다.

연구진은 옥수수 껍질로도 실험했다. 결과는 담뱃잎으로 실험한 결과와 거의 비슷해 1년생 초본식물로도 탄화규소를 얻을 수 있었다. 솔크 연구소 수잔 토마스 연구원은 “식물이 대기 탄소를 포획하는 식물의 효율성을 입증했다”라고 말했다.

또, 1.8g의 탄화규소를 생산하는데 약 177kWh의 전력량이 필요한 것으로 나타났다. 전력량의 70%는 석화를 위한 용광로에 사용되어 현재 탄화규소 제조 공정에 드는 에너지 비용과 비슷했다.

주사전자현미경으로 촬영한 옥수수껍질에서 석화한 탄화규소 ⓒUC San Diego

연구진은 완전한 탄소 중립을 이룰 수 없지만, 기술에 따라서 에너지 비용을 낮출 수 있을 것으로 기대했다. 교신저자이면서 솔크 연구소 조셉 노엘 박사는 “탄화규소를 생성하는 데 필요한 태양열 시스템, 높은 이산화규소 농도를 가진 식물, 탄소 저장능력이 좋은 수베린이 풍부한 식물을 확보하면 탄소 포집을 매우 증가시킬 수 있어 다양한 식물로 연구할 것”이라고 말했다.

하지만, 식물 파괴를 통해 탄소를 얻는다는 점과 탄화규소 생성을 위해 또 다른 이산화탄소가 배출되는 문제, 공정을 위한 기반시설 비용 단가를 낮추는 문제 등의 검증 단계가 필요해 보인다.

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