[Dr.Jung's R&D Clinic] 4. 실제 연구과정을 한번 따라가 봅니다_정종수 기자

지난 칼럼에서 필자가 최근 수행하고 있는 바이오가스 생산에 관한 연구주제를 예로 들어 소재개발 연구에 대한 이야기를 잠시 했습니다. 유기성폐기물을 이용한 바이오가스 생산에 관련된 연구입니다. 앞으로 연구방법론에 대해 각 요소들에 대해 설명을 할 생각입니다. 연구 주제를 선택하고 그 필요성을 설득하기, 해결방안을 찾아가는 연구 과정 등이 모두 연구수행의 중요 요소들입니다. 연구수행전략 강의를 하기 전부터 필자에게는 ‘연구를 어떻게 하면 잘 할 수 있을까’가 중요한 숙제였고, 계속 고민해서 수정해 오고 있는 주제입니다. 본격적으로 연구방법론 강의를 시작하기 전에, 이번 칼럼에서는 필자가 실제로 바이오가스를 소재로 해온 연구의 방법, 즉 어떻게 연구를 전개해 왔는지 예를 들어 설명해 보겠습니다.

[ '좋은 연구 주제'라는 걸 어떻게 ‘잘’ 설득할까? ]
    대체로 연구제안서의 1번 항목은 ‘연구의 필요성’입니다. ‘연구의 필요성’ 부분은 이 연구가 '좋은 연구 주제'라는 걸 어떻게 평가자를 ‘잘’ 설득하는가 하는 것입니다. 필자는 바이오가스 연구가 꼭 필요하다는 점을 주장하기 위해 ‘바이오가스는 재생에너지다.’라는 점으로부터 시작하겠습니다. 문제해결의 필요성을 제시할 때는 제일 먼저 사람들이 동의하지 않을 수 없는 주제로부터 출발하는 것이 논란을 줄일 좋은 전략으로 보입니다. 바이오가스와 관련해서 사람들이 공감할 수 있는 주제는 역시 ‘지구온난화와 기후변화의 문제가 심각하다’일 것입니다.

 

문제 1. 지구온난화 문제를 해결하기 위해서 화석연료를 대체할 에너지원이 필요하다. → 재생에너지로 해결할 수 있다.
    우선 연구의 필요성에 대한 설명을 문제 1로부터 시작하려고 합니다. 보통 ‘이 연구가 필요하다.’라는 말도 타당성을 먼저 입증해야 하는 ‘주장’입니다. 그럼 '지구온난화 문제를 재생에너지로 해결할 수 있다.'라는 주장은 어떻게 입증해야 하는 걸까요? 그 주장의 타당함을 입증하기 위해서는 무엇이 제시되어야 할까요? 논증에서 주장을 입증하기 위해서는 일반적으로 '이유'와 '근거'를 제시해야 합니다. 특히 '실험 결과'를 제시하면 가장 설득하기 쉽습니다.
    ‘지구온난화를 재생에너지로 해결해야 한다.’는 주장의 경우 다행스럽게도 이미 많은 사람들이 주장해 왔던 내용입니다. 그래서 사람들이 이 주장에 쉽게 공감하리라는 전제 하에, 실험을 해서 근거를 제시하지 않아도 좋을 주장이라고 생각됩니다. 이렇게 '근거' 대신 '많은 사람들이 공감하고 있다.'는 방식으로 설명하는 경우 우리는 '보증(warrant)'이라는 용어를 사용합니다.

    연구도 '논증'입니다. 논증인 연구 방법론을 체계적으로 설명하려면 ‘논증’의 각각의 요소에 대한 설명이 필요할 것입니다. 하지만, 오늘 칼럼에선 가능한 한 실제 연구가 진행되는 흐름에 따라 필요한 내용만을 서술하기로 하고, 상세한 설명은 다음으로 미뤄 두겠습니다.

    향후 우리나라의 신재생에너지 정책에 있어서 바이오가스는 매우 중요한 역할을 하게 될 것입니다. 태양광 등 재생에너지가 미래 에너지원으로 주목을 받고 있는 건 다들 아시지요? 하지만, 현재 우리나라 전체 에너지소비량의 1% 정도에 그칩니다.(참고 기사 '한국 재생에너지 이용 세계 꼴찌..' 2017.06.26. 헤럴드경제) 현재 추세로는 이 비율이 단시간 내에 크게 증가하기 어렵다고 생각됩니다. 또, 신재생에너지 전력 생산가격이 높기 때문에 신재생에너지 발전이 늘어나면 전기요금 상승이 불가피하고 이것이 산업에 미칠 영향이 큽니다. 현재 우리나라 전체 전력생산 구조는 원자력과 화력발전이 거의 반반씩입니다. 이러한 상황에서는 ‘화석연료나 원자력에너지를 대체할 만한 경쟁력 있는 재생에너지가 없다’는 것이 개인적 생각입니다. 물론 재생에너지 분야에서 획기적인 신기술이나 새로운 개념이 나온다면 필자도 생각을 바꿀 수 있을 겁니다.즉, 이 연구에서는 지구온난화 문제에 대응하고 해결할 우리나라에 적용할 적절한 재생에너지가 없으므로 바이오가스 연구가 필요하다는 방식으로 ‘연구의 중요성’을 주장할 수 있을 것입니다.

 

문제 2. 우리나라에 적합한 경제성 있는 신재생에너지 대안이 없다 → 발전용 천연가스 수입량이 크게 증가하는 것이 예상된다.
    최근 정부 발표에 따르면 미세먼지 문제 해결을 위해 석탄 화력발전소를 줄인다고 합니다. 개인적인 생각으로는 바람직한 정책방향입니다. 원자력발전소 신규건설도 중단한다고 합니다. 역시 방향은 맞는다고 봅니다. 그런데 재생에너지 발전량이 차지하는 비율이 현재같이 미흡한 상태에서 이렇게 급속히 에너지 생산방식을 전환하면 어떤 상황이 벌어질까요? 물론 세계적으로는 이미 태양광이나 풍력에너지로 상당 수준 전환 되고 있다고 하지만, 각 나라의 형편에 감당할만하기 때문에 그렇게 하고 있는 것입니다. 우리나라의 경우 안타깝지만 일조량, 풍량, 설치면적 등 재생에너지 생산조건이 아주 좋지 않습니다. 그래서 재생전력의 생산 비용을 단기간에 줄이기도 쉽지 않습니다. 현실적으로 재생에너지의 대대적인 도입은 어려운데 원자력, 화력발전을 모두 줄여야 한다면 어떻게 될까요? 결국, 원전의 대안으로 LNG를 이용한 가스터빈 발전을 생각해볼 수 있는데 현재의 비중 20%에서 2030년까지 37%로 늘린다고 합시다. 그럼 천연가스 수입량을 대폭 늘려야 합니다. 발전단가도 3배나 비쌉니다. 현재도 우리나라는 세계 천연가스 시장에서 주요 수입국입니다. 2016년 가스 수입량이 3,800만톤, 일인당 소비량이 연간 0.75톤이라고 합니다. 비록 배럴당 100달러이던 유가가 2015년에 50달러로 떨어진 뒤 1년 반 동안 낮은 수준에 머물러 있고 아직은 천연가스도 비싸지 않은 저유가 시대입니다만 이런 기조가 언제까지 이어질지, 또 언제 고유가로 전환될지 예상하기 어렵습니다. 대비책은 무엇일까요?

 

문제 3. 가스터빈 발전도 화석연료다. → 바이오가스로 대체하자.
    가스터빈의 연료인 LNG도 물론 화석연료입니다. 발전 연료를 가스로 전환하면 미세먼지 문제를 좀 완화하는 효과는 있을 겁니다. 하지만 지구온난화 문제는 여전히 남습니다. 따라서 지구 온난화의 주범인 탄소 배출량까지 생각한다면 탄소중립적인 바이오가스가 향후 천연가스의 사용량 증가를 완화할 대안일 수 있습니다. 바이오가스 제조의 기본 원리는 간단합니다. 가정과 산업체에서 많은 나오는 유기성폐기물을 미생물로 분해하여 메탄을 함유한 바이오가스로 만드는 것입니다. 우리나라는 음식물 폐기물이 연간 460만톤이나 발생하고 식품 공장에서 발생하는 유기성폐기물도 많습니다. 소화과정을 거쳐 음식 폐기물의 20% 정도인 고형분 92만톤을 전부 바이오가스로 전환할 수 있다면 약 3억 입방미터의 메탄이 생산됩니다. 에너지가 약 3,000 GWh로 이는 약 200만 명이 쓸 수 있는 양입니다.

 

[연구해야 할 ‘실제 문제’는 무엇인가?]
    이제, ‘바이오가스 생산’이 중요한 연구 주제라는 것이 설득이 되었다고 해 봅시다. 그러면 다음 단계는 구체적인 연구 주제를 제시해야 합니다. ‘바이오가스 연구가 중요하다. 그러면 어떤 연구를 왜 하려고 하는지’에 대한 것입니다.

문제 4. 바이오가스는 발열량이 낮고 불순물 문제도 있다. → 바이오가스를 정제해야 한다.
     바이오가스에는 메탄 50%에 연소에 방해가 되는 이산화탄소가 50% 섞여 있습니다. 그러다보니 메탄이 95% 이상인 천연가스 발열량의 절반 정도입니다. 또 바이오가스에는 황화수소와 ‘실록산’이라는 물질이 함께 섞여 나옵니다. 하수 냄새의 원인물질인 황화수소는 악취 문제도 있지만 발전용 가스 엔진에서 대기오염물질 배출 문제를 막기 위해 정제해야 합니다. 실록산은 바이오가스 특유의 문제인데, 하수에 들어있는 실리콘화합물이 원인입니다. 모발에 윤기를 주는 효과가 있다고 해서 샴푸에 들어가는 디메치콘이라는 성분도 실록산의 원인물질 중 하나입니다. 이 실록산이 엔진 내에서 연소되면 여러분들도 잘 아는 실리카 즉 SiO2 입자가 됩니다. 이 입자들이 엔진이나 가스터빈 속의 표면에 달라붙어서 비싼 발전설비가 망가지지 않도록 미리 제거하지 않으면 안 됩니다. 실록산을 포함해서 바이오가스 중의 오염물질을 정제하는 여러 가지 기술 중에서, 널리 쓰이고 있는 기술이 활성탄 흡착탑입니다. 다른 산업 용도로 오랫동안 사용해왔기 때문에 기술적으로 안정화가 되어 있는 활성탄 흡착탑은 실록산 제거 효과도 나쁘지 않습니다. 하지만 상당히 많은 양의 흡착제를 써야하고, 시간이 지나면 흡착성능이 떨어지기 때문에, 바이오가스 정제에 사용하는 흡착탑은 약 6개월마다 활성탄 전체를 교체하는 것이 일반적입니다. 지난번 국내 바이오가스 생산시설에 방문했을 때 관계자가 농담 삼아 ‘바이오가스 팔아서 활성탄 사는데 다 쓴다.’는 이야기를 하시더군요.

 

문제 5. 실록산 제거 흡착제의 경제성이 나쁘다 → 재생가능한 흡착제가 대안이다.
    재생이 가능한 흡착제를 넣은 흡착탑을 2개 사용하여 하나로 흡착처리를 하는 동안 다른 하나를 재생하면 연속운전이 가능합니다. 또 재생가능한 흡착제는 활성탄 흡착탑에 비해 1/10 정도의 적은 양으로도 충분하고, 반복사용 할 수 있어서 3년 정도는 교체가 필요 없습니다. 활성탄도 재생해서 다시 쓰면 가격도 싸고 좋겠지요? 활성탄 재생업체가 있는데, 포화된 활성탄을 재생해서 실록산 제거에 사용해 보면 성능이 절반도 안 나온다고 합니다. 그래서 필자는 재생가능한 흡착제를 이용한 실록산 제거기술 개발을 연구목표로 정하고, 기존의 연구논문과 특허를 가능한대로 검색했습니다.

 

문제 6. 흡착재생용 실리카 겔 흡착제는 재생온도가 너무 높다
    한 논문에서 실리카 겔을 이용하면 실록산을 흡착한 후 250도에서 재생하여 성능이 우수하다는 결과를 찾았습니다. 이에 대한 특허를 가진 캐나다 업체가 사업을 하고 있었고요. 그런데 재생가능 하지만, 실리카 겔의 재생온도가 250도입니다. 엔진에서 나오는 폐열을 이용하기 어려운 온도입니다. 실제 시스템에 연료를 사용해서 재생용 공기를 가열하면 비용이 들고 이것은 심각한 제약이 될 것입니다.

[‘연구 문제’를 풀기 위해서는 무엇을 해야 할까?]
연구문제 1. 엔진 폐열로 재생이 가능한 흡착제를 개발해야 한다.
    엔진 폐열 온도인 150도 이하에서 재생가능한 흡착제 물질을 개발하는 것이 이제 필자의 첫 번째 ‘연구문제’가 되었습니다. 그래서 실록산 흡착-탈착 시스템에 적용이 가능한 다양한 흡착제 물질에 대해 검토를 하였는데.. 찾았습니다! 옆의 연구실에서 합성해서 사용하고 있던 폴리머 기반의 재생가능한 수분 흡착제입니다. 이 폴리머흡착제는 제습냉방이라는 기술에 적용이 되는 소재로 공기 중 수분을 제거하는 성능이 탁월한 소재입니다. 그 연구팀에 문의를 하니 ‘실록산 흡착도 될거다.’라는 답변을 들었습니다. 용기백배! 실험장치를 만들어 흡착-탈착 실험을 했습니다. 실험결과는 좋았을까요? 물론입니다! 이 물질을 RPA라고 불렀는데, 실험실 규모 실험에서 단위중량당 흡착성능이 실리카 겔의 70% 수준으로 괜찮고 상당히 낮은 80도에서도 거의 100% 재생이 되었습니다. 이 결과를 바탕으로 100배 크기의 벤치스케일 실험에서도 재생도 잘 되고 고무적이었습니다. 그래서 특허도 내고 논문도 게재가 되었습니다. 그런데..

그런데?

 

    파일럿 실험을 추진하기 위한 검토 과정에서 새로운 걱정거리가 생겼습니다. 실록산 흡착은 상온에서 하지만, 실제 현장에서는 여름철에 기온이 올라갈 수 있어서, 설계조건은 50도 정도까지는 생각해야 합니다. 50도는 RPA 흡착제의 재생이 시작되는 온도니까, RPA로 흡착성능을 보장하기 어려울 수도 있다는 문제가 예상됩니다. 이제 RPA 흡착제를 기반으로 하는 흡착-재생 기술 개발을 계속 추진하려면 50도에서도 흡착성능을 보장할 별도의 기술을 추가 개발해야 합니다. 아니면? 흡착 가능온도가 높은 새로운 흡착제를 개발해야만 합니다.
 

연구문제 2. 흡착제의 흡착가능온도는 어떻게 높일 수 있을까? → 연구질문 1. 흡착제의 흡착가능온도는 어떤 자연현상에 의해 결정되는가?
    ‘흡착가능온도’는 어떻게 결정되는 것일까요? ‘흡착가능온도’ 개념과 이에 직접적으로 작용하는 자연현상을 이해할 수 있어야 합니다. 그러려면 현상을 이해하기 위한 연구 질문을 명확하게 설정해야 합니다. 일반적으로 흡착제는 비표면적이 넓은 다공성 흡착제의 표면에 흡착대상이 되는 물질이 물리적인 반데르발스 힘에 의해 붙는 것입니다. 흡착현상에 작용하는 이 힘은 결합력이 크지 않기 때문에 약간 온도를 높이는 정도로도 흡착된 물질이 떨어져 나오는 탈착이 일어납니다. 하지만 실제로는 기공 크기에 맞는 분자가 흡착제 기공 안에 흡착되는 것입니다. 활성탄은 기공 분포가 다양한 덕분에 여러 종류의 물질을 흡착되는 것이 원리입니다. 따라서 흡착제와 흡착대상 물질 사이에 어떤 힘에 의해 흡착과 탈착이 일어나는 지에 대한 연구질문이 처음으로 나오는 것입니다.  설명한 대로 활성탄 내부 기공에 흡착된 물질들은 탈착 시 잘 빠져나오지 않습니다. 그래서 재생을 해도 활성탄의 실록산 흡착성능이 많이 회복되지 않습니다. 이런 상황이라면 활성탄은 흡착-재생방식의 실록산 처리용 흡착제로는 사용에 제약이 많습니다.

연구질문 2. RPA의 실록산 흡착-탈착은 어떻게 일어나는가?
    실리카 겔이나 RPA에는 실록산이 어떻게 흡착이 되는 것인지에 대한 연구 결과가 있습니다. 실리카 겔도, RPA도, 흡착제에 실록산이 흡착되는 메커니즘은 표면의 OH기가 실록산 분자 구조의 O와 결합하는 수소결합이라는 것입니다. FTIR 분석법으로 실록산을 흡착한 RPA를 분석해 보니 OH 피크가 커지는 것이 뚜렷하게 나타났습니다.
(가설 1. RPA 표면의 OH기가 실록산의 O와 결합하는 수소결합이다!)
    물리흡착은 발음하기도 어려운 네덜란드 물리학자의 이름이 붙은 약한 반데르발스 힘(0.1~10 kJ/mol)에 의해 흡착이 되고 쉽게 탈착이 됩니다. 수소결합의 에너지는 15~40kJ/mol 정도로 강합니다. 실록산이 수소결합에 의해 잘 흡착되지만, 적절한 온도로 가열하면 실록산과 흡착제 간의 수소결합이 끊어지고 흡착제가 재생되어 다시 사용할 수 있게 되는 것입니다. 흡착제에 실록산이 흡착되는 메커니즘이 수소결합이라는 가정 하에 필자는 다음과 같은 가설을 세웠습니다.
(가설 2. 흡착물질의 수소결합이 강화되면 흡착가능온도가 높아진다!)
입증 1. SiO2 입자의 표면개질을 통해 OH 농도를 높이면 실록산 흡착량이 증가하고 재생온도가 상승하는 것을 확인.
    이 연구에서는 NaOH 용액을 이용하여 SiO2 입자의 표면 OH 농도를 높였습니다. 실록산 흡착량을 실험한 결과 개질한 흡착제의 중량당 실록산흡착량이 실리카 겔에 비해서도 약 10배 크다는 것을 확인하였습니다. 또 표면개질용 NaOH 용액의 농도를 높이면 흡착량이 더욱 증가하는 것을 관찰하였습니다. 실록산을 포화상태까지 흡착한 실록산 흡착제의 재생실험을 통해 재생온도 상승도 확인하였습니다. 자, 그럼 이 현상을 이용하여 연구문제 1의 해결책을 만들어 낼 시간입니다.
해결책 1. 150도 이하에서 재생이 가능한 흡착제를 개발한다.
    실험실 규모의 실험에서 긍정적인 결과가 나와서, 장치의 규모를 키운 벤치스케일 장치에서 이 성능이 나오는지 확인하는 실험을 하고 있습니다. 최근에는 관련 기업을 만나게 되어 파일럿 규모의 장치로 환경부 실증과제를 추진하기로 합의가 되었습니다.

[연구 과정을 요약해 보면?]
이 연구를 위해 사용한 필자의 연구과정을 다시 요약해 봅니다.

1. 사람들이 '실제 문제'라고 동의할만한 문제로부터 출발한다.
2. 기존 해결책이 가진 문제를 지적하고 새로운 ‘해결방법’을 제시한다.
3. 해결방법을 성공시키기 위해 풀어야 하는 ‘연구문제‘를 도출한다.
4. 문제를 푸는 열쇠가 되는 ‘자연현상을 이해하기 위한 질문’을 쓴다.
5. 질문에 대한 답변이 될 가설을 제안하고 그 이유를 준비한다.
6. 가설과 이유를 입증할 실험을 통해 근거를 제시한다.
7. 실험 결과를 바탕으로 가설을 수정하여 5번-6번을 반복한다.
8. 입증된 가설을 바탕으로 해결책을 만들어서 적용해 본다.
9. 실제 문제를 해결할 수 있는지, 새로운 문제는 없는지 확인한다.

 

    여전히 복잡하지요? 실제 연구는 본래 이 보다도 훨씬 더 복잡한 과정을 거치는 것이 사실입니다. 필자의 강의 시간에 수업을 듣는 학생들에게 내는 가장 중요한 과제는 본인의 연구 문제를 이렇게 정리해 오라는 것입니다. 정리하는 과정에서 진짜 연구 문제가 나오는 것을 기대하면서요. 독자들도 본인의 연구 문제를 한번 이렇게 정리해 보시는 건 어떨까요?  필자가 하고 있는 연구에 대한 설명을 길~게 한 것은, 연구방법론의 각 단계에 대해 다음 칼럼부터 상세하게 설명을 하는 계획이 있기 때문입니다. 그러느라 이번 칼럼 글이 지루해져 버린 건 걱정입니다.

읽기 편한 글을 재미있게 쓰고 싶다 ㅎㅎ

 

홍릉 KIST에서 Dr.정 올림

 

 

 

 

 

 

 

 

(연구소 차원의 기술설명회를 개최하여 기업과의 연결고리를 만들어 주신 녹색도시기술연구소 소장, 운영기획팀장께 감사인사를 드립니다.)

 

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