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서울공대 이야기

21세기 최대 이슈는 환경이다!

2004.07.27 10:46

lee496 조회 수:3793

 

21세기 최대 이슈는 환경이다!


 

친환경 미래도시의 전경


이종협 서울대학교 응용화학부 교수



지구에 대재앙이 몰려온다.

기상학자인 잭 홀 박사는 남극에서 빙하 코어를 탐사하던 중 곧 기상 이변이 일어날 것을 감지하고 얼마 후 국제회의에서 앞으로 다가올 지구 기상 변화에 관한 연구 발표를 하게 된다. 지구 온난화로 인해 빙하가 녹아 해류의 흐름을 바꿔 결국 지구가 빙하로 뒤덮이게 되는 일이 일어날 것이라고 주장한다.

얼마 후 끔찍한 토네이도가 LA 지역을 휩쓸고, 일본에서는 우박으로 인한 엄청난 피해가 보도되는 등 지구 곳곳에서 홀 박사가 예견했던 이상 기후가 나타나게 된다. 이는 지구의 북반구가 빙하로 덮이기 시작하는 징후로서 결국 미국 정부는 사람들을 남쪽으로 이동시키는 대피령을 발령한다. 

여자친구 로라와 함께 퀴즈 대회 참가를 위해 뉴욕으로 갔던 홀 박사의 아들 샘은 빙하가 뉴욕을 덮치자 도서관에 고립된다. 혹한과 굶주림 속에서, 샘은 도서관에 머물러 있으라는 아버지의 말에 따라 함께 고립된 사람들을 격려하며 버텨나간다. 생명의 위협을 받는 극한 상황 속에서 샘과 로라는 서로에 대한 진정한 사랑을 확인하고, 함께 힘겨운 난관을 헤쳐 나간다.

인류의 운명을 구하기 위해 사람들을 남으로 대피시켰던 홀 박사는 뉴욕에 고립된 아들을 구하기 위해 죽음의 땅이 되어버린 북으로 향한다. 이미 눈과 빙하로 뒤덮여 있는 뉴욕으로 목숨을 걸고 아들을 구하러 가던 잭은 곳곳에 도사린 위험한 상황에 빠지게 된다.

인류는 지구의 대재앙을 극복할 수 있을 것인가?

지금 극장에서 상영 중인 투머로우(내일) 이라는 영화(에머리히 감독) 영화의 줄거리다.  

인류에게 내일이 없다는 것을 알면  오늘 무엇을 할 수 있을까?

21세기의 최대 이슈는 환경이다.

이는 공학 분야에서도 예외가 될 수 없다. 환경을 생각하지 않는 기술은 더 이상 발붙일 곳이 없는 현실이다. 예를 들어, 아무리 훌륭한 제품을 만드는 기술을 개발하더라도 생산 과정이나 이용 과정에서 환경에 악영향을 미친다면 그 기술을 받아들이려는 회사는 없을 것이고, 받아들인다고 하더라도 소비자의 외면 때문에 살아남을 수 없을 것이다. 이렇듯 환경은 모든 공학의 전제 조건이 되었다. 때문에 요즘에 주목하는 첨단 기술의 대부분은 환경기술과 접목되어 있다.

친환경적인 첨단 기술은 현재 세계 각국의 각별한 노력으로 빠른 성장을 보이고 있고, 그 성과들이 하나씩 나타나고 있다. 그렇다면 환경 기술이 발달하여 지금 개발하고 있는 기술들이 일상화된다면 어떨까? 일반적으로 과학 기술의 보편적인 목적인 인간 편리의 극대화만을 상상하는 미래의 모습과는 다소 다르지 않을까?

미래 도시의 청사진을 상상하면서 현재의 모습과 비교하여 환경 기술이 미래의 우리 생활에 갖는 의미에 대하여 생각하여 보자.


환경오염을 감시한다

미래 도시의 여러 곳에는 작은 센서들이 여러 형태로 부착되어 있을 것이다. 차세대 에너지인 수소의 혹시 모를 누출에 대비한 수소 센서가 필요하게 될 것이다. 수소 센서는 산화티탄 나노 튜브를 이용하여 미량의 수소에도 저항 값의 변화가 크게 나타나서 수소를 검출할 수 있게 된다. 또한 산화티탄 특유의 산화력으로 유기물에 의한 센서의 오염을 방지할 수 있다.

미래의 공장은 모두 실시간 원격 환경 모니터닝 시스템을 갖추고 있어서 공장으로부터 누출될지 모르는 오염 물질을 24시간 감시하고 누출되는 사고가 나더라도 신속하게 대처할 수 있도록 되어 있을 것이다. 이러한 센서는 현재의 종류와 양에서 한정된, 오염 물질의 검출에서 더 나아가 많은 종류의 오염 물질에 대하여 미량 검출까지 가능한 다목적 오염 감시 센서일 것이다. 이로서 환경오염 물질의 제어가 가능하게 되어 인간에게는 물론 자연 환경에도 피해를 최소화하도록 할 수 있게 된다.

센서는 중국으로부터 날아오는 황사로 인한 피해를 줄일 것이다. 황사는 규소나 철, 알루미늄, 카드뮴, 납 성분이 들어 있어 대기 중 중금속 농도를 높여서 위험성이 높다. 황사의 경로에 대하여 정확히 예측하고, 포함된 성분을 알아냄으로서 국민들에게 대비하도록 함과 동시에, 황사의 오염 물질 제거를 위한 중요한 자료를 제공하게 될 것이다.

센서는 소형화를 통하여 개인 휴대가 가능하게 되어 오염 지역에 노출되었을 때, 재빠른 대피를 가능케 한다. 주변의 환경오염 정도가 실시간으로 개인에게 보고되어 무색무취의 각종 오염물질로부터 자신을 보호할 수 있게 될 것이다.

고온, 부식 등의 가혹한 조건하에서 안정하고, 고성능의 센서는 환경 위험 시설의 지키미로서 과거에 일어났던, 환경 오염물질에 의한 대량 사상은 더 이상 볼 수 없게 될 것이다.

센서 기술은 환경오염을 감시하고 관리하는 강력한 무기를 제공해주어 미래인들은 이제 더 이상 갑자기 닥치는 오염 피해를 피할 수 있게 될 것이다.

 

개인용 센서


 

광촉매 코팅



빛으로 오염 물질을 제거한다

누구나 미래 도시를 상상하면 깨끗한 실내외 공간은 물론 벽과 창, 자동차에 보기 싫은 때나 먼지를 볼 수 없는 깔끔한 모습일 것이다. 이것을 실현시켜주는 것이 바로 광촉매이다. 광촉매 분말을 벽면에 바름으로써 유기물을 자연스럽게 분해 할 수 있기 때문이다. 현재 실용화 직전에 있는 광촉매는 촉매 작용의 에너지를 빛으로부터 받아 슈퍼옥사이드음이온이나 수산화라디칼을 생성하여 강력한 산화작용을 한다. 이것을 이용하여 오염 물질을 분해하여 깨끗한 물과 공기를 만들어내는 능력이 탁월하다.

광촉매는 NOx, SOx, 휘발성 유기 화합물(VOCs) 분해는 물론, 실내외의 오염된 공기 정화, 주방, 화장실의 악취 제거, 항균 및 살균, 자외선 차단 등 여러 가지 용도로 사용되어 복잡한 정화장치 없이도 항상 청결하고 깨끗한 공간을 우리에게 줄 것이다.  사회 문제로 떠오른 환경 호르몬의 영향과 새집 중후군도 미래에는 찾아보기 힘들 것이다. 최근의 연구에서 그 가능성을 보였듯이, 내분비교란물질(환경호르몬)과 새집중후군의 범인인 단열재, 합판 등의 접착제로부터 나오는 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔은 이미 광촉매로 정복된 상태일 것이다. 또 다른 문제점인 고층 빌딩에 낀 유리창의 때는 보기에도 좋지 않을 뿐 아니라, 실내 채광을 막는 골칫거리이다. 이것은 대부분 빗물에 포함된 유기물이 유리창에 붙어서 생기는 것인데, 광촉매의 초친수성은 유기물의 부착을 억제할 뿐 아니라 붙어있는 유기물도 분해할 수 있어서 항상 깨끗한 유리창을 볼 수 있게 해준다. 이 외에 오폐수를 처리하거나 질병을 일으키는 바이러스를 제거하는 등 광촉매는 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 익숙한 존재가 될 것이다. 

현재의 광촉매 개발 현황을 살펴보면 크게 가시광선 영역의 태양빛을 이용하려는 기술과 각종 표면에 얇은 막으로 코팅하여 광촉매의 효과를 극대화 하려는 고정화 기술을 개발하는 방향으로 진행 중이다. 현재 광촉매는 태양빛 중에서 적은 양(약 3%)을 차지하는 자외선 영역의 빛만을 이용 가능하다. 태양빛 중에서 약 절반의 양을 차지하는 가시광선 영역을 이용한다면 현재보다 높은 효과를 얻을 수 있고, 넓은 분야에 이용될 것이다. 또한 광촉매의 기본 물성인 산화 작용으로 인해 광촉매 층과 접촉하고 있는 부분이 산화 및 분해되어 촉매 막이 분리되어 시간이 지날수록 광촉매가 소실되는 경향이 있다. 광촉매의 성능을 방해하지 않고 최대한 구현하면서 동시에 광촉매와의 접착력이 우수한 바인딩 기술의 개발이 중요한 과제이다.

환경오염의 정도는 두 가지 척도로 측정할 수 있다. 오염 물질 고유의 위험성과 접촉 빈도이다. 즉, 아무리 위험한 오염 물질이라도 안전한 시설에 보관되어 자신과 멀리 떨어져 있으면 자신의 위험도는 낮고, 아무리 덜 위험한 오염 물질이라도 집과 학교와 같이 매일 접촉하고 있는 곳에 존재한다면 위험도는 높은 것이다. 광촉매는 일상생활에서 빈번하게 접하고 있는 각종 오염 물질에 대한 대비로서 강력한 무기가 될 수 있고, 비교적 저렴한 가격과 탁월한 효능으로 미래의 생활환경 지키미로 각광받고 있다.


에너지는 더 이상 환경오염의 주범이 아니다

얼마 전에 개봉된 할리우드 SF 영화인 마이너리티 리포트‘에서 등장한 자동차를 기억하고 있을 것이다. 그 멋진 자동차는 무엇으로 움직이는 것일까. 자세히 본 사람은 알겠지만 그 자동차 어디에도 배기가스 배출구 같은 것은 없다. 그 자동차는 현재 한창 개발 중인 연료 전지 자동차이다. 연료전지는 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 전환하는 장치로서, 가까운 미래에 가장 효과적인 대체 에너지원으로 상업화될 것이라 전망되고 있다. 여기에서 연료로 가장 가능성이 큰 후보는 수소이다

 

마이너리티 리포트의 연료전지 자동차


수소는 산소와의 반응 후에 부산물로서 깨끗한 물만이 남는 청정에너지의 대표 주자이다. 연료를 공기에 의해 연소시켜 에너지를 발생시키는 기존의 카르노 시스템의 제약을 받지 않아 높은 효율을 지니고 배기가스 중의 NOx, SOX와 CO2 배출량도 석탄 화력 발전소에 비해 극히 미미하다. 또한 소음도 매우 적어 공해 배출이 거의 없는 환경 친화적인 에너지 생산방식으로 꿈의 에너지라고 불려진다.

따라서 미래의 에너지는 모두 수소에너지로 대체되어 있을 것이다. 수소는 반응성이 매우 큰 기체이다. 하지만 미래의 생활에서는 수소를 안전하고 간편하게 사용하게 될 것이다. 현재의 수소는 큰 고압 연료 탱크를 통하여 저장, 취급하고 있지만, 미래의 수소는 그 보다는 수십 배 작은 저장 매체를 통하여 핸드폰 배터리를 교체하듯이 이용할 수 있을 것이다. 이러한 생활이 가능하게 하는 것은 나노 기술이다. 나노 크기(10-9m)의 탄소 나노 튜브를 이용하면 매우 작은 크기에도 불구하고 많은 양의 수소를 안전하게 저장할 수 있다. 현재의 기술로도 10g의 탄소 나노 튜브에 2L의 수소를 저장할 수 있고, 기술 개발을 통하여 더 많은 양의 수소가 저장할 수 있게 되어, 더 이상 수소 탱크와 같은 위험한 저장 매체는 필요 없게 될 것이다.

 

탄소나노튜브에 의한 수소 저장


그렇다면 어떻게 유용한 수소를 자유롭게 생산할 수 있을까? 물은 전기 분해하면 수소와 산소로 나누어져서 수소를 얻을 수 있다. 물을 분해하기 위한 전기에너지는 고효율, 고집적의 태양전지로부터 얻을 수 있다. 또, 광촉매나 광합성 미생물 등에 의해 물을 직접 분해해 수소를 생산가능하게 될 것이다. 이렇게 생산된 수소는 탄소 나노 튜브에 저장된 후 연료 전지를 통하여 편리하게 이용할 수 있게 될 것이다.

분뇨나 기타 산업 폐기물 또한 미래의 귀중한 자원이 된다. 유기물로부터 생물 공학적 방법을 응용하여 연료용 알코올이나 메탄가스 혹은 수소와 같은 재생성 무공해 에너지(바이오 에너지)를 얻는 것이다. 현재의 쓰레기가 미래의 자원이 되는 순간이다. 

메탄올도 미래에는 주요한 에너지가 된다. 알코올램프와 같이 메탄올을 연소시켜 열에너지를 얻는 것이 아니라 메탄올의 화학에너지를 직접 에너지로 사용하기 때문에 더욱 큰 효율을 얻을 수 있다. 노트북에 메탄올 한 숟가락이면 지금보다 10배의 사용 시간을 나타낸다. 물론 이 또한 환경오염 물질의 배출은 미미하다.

이렇듯 미래에는 자연 상에 존재하는 에너지를 인간이 사용할 수 있는 에너지, 즉 전기에너지나 수소에너지로 바꾸는 에너지 공급체계를 갖게 될 것이다. 지금까지 말한 모든 에너지의 공통적은 모두 친환경적이라는 사실이다. 모두 에너지의 생산, 저장, 이용 전 과정에 걸쳐 환경오염 물질의 배출은 거의 없다. 그리고 모두 재생 가능 에너지라는 측면에서 고갈의 염려도 없다. 미래에는 깨끗한 에너지를 환경에 대한 피해 없이 인간의 편의를 위해서 사용할 수 있게 될 것이다.


환경 기술이 미래의 경쟁력이다

미래 도시를 상상하면서 꿈같은 이야기라고 생각할 수도 있다. 하지만 이 글에서 언급한 대부분의 기술들은 현재 개발 중이거나 실용화 단계에 있는 것이다. 즉 멀지 않은 미래, 적게는 10년 안에 이루어질 일들인 것이다. 여기서 우리는 한 가지를 알 수 있다. 예전에는 제품을 만들 때 환경을 위한 시설이나 친환경적 재료가 가격을 높이는 원인이 되어 가격 경쟁력을 낮추는 원인으로 인식되어 왔다. 하지만 이제는 환경오염 방지 시설을 갖추지 않은 공장은 설치될 수 없고, 재활용이나 폐기 처리가 어려운 제품은 세계 환경 조약, 정부, 소비자들 모두에게 제재를 받고 있다. 따라서 환경 기술은 더 이상 캠페인에 결부되는 허울 좋은 간판이 아닌 모든 기술에 기반이 되는 기초 공학이 되고 있고, 또 되어야 한다.

이미 국내의 자동차 관련 업체들도 청정에너지로 달리는 자동차 개발에 온 힘을 집중하고 있고, 에너지 관련 업체들은 화석에너지 이후의 사업을 준비하고 있다. 또한 환경 관련 벤처 기업들이 주목받고 있고, 정부의 환경 관련 지원도 나날이 증가할 것이다. 이와 같은 노력은 선진국에 비하면 이미 늦은 것이다. 하지만 늦었다고 손 놓고 있을 수 없을 만큼 환경 기술은 21세기의 중요 테마로 떠오르고 있다.

21세기의 기술로 지목하고 있는 NT, IT, BT 등이 환경 기술과 융합 되어 다 각도로 연구되고 있고, 그 성과도 하나 둘씩 나타나고 있다. 이 글에서 제시한 기술들도 새로운 첨단 기술과 만나 획기적인 발전을 하기 시작하였으며, 환경 기술이라는 테두리 안에서 효용성을 인정받고 발전해 나가고 있는 것이다.

미래 도시를 만드는 과정을 손 놓고 지켜  보며 감탄만 할 것인지, 직접 이루어 나갈 것인지는 우리의 노력에 따라 달라질 것이다. 

 

메탄올 노트북

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