인공광합성의 가능성과 한계

인공광합성(Artificial Photosynthesis, AP) 은 식물의 광합성을 모방해 햇빛·물·CO₂만으로 연료나 화학물질을 만드는 기술로, 1970년대부터 연구된 분야입니다. 다만 DAC와는 목적이 약간 다릅니다 — DAC가 "포집해서 묻는 것"에 집중한다면, 인공광합성은 "포집해서 다시 쓸모 있는 분자로 변환하는 것"에 가깝습니다. 즉 CCU(Carbon Capture & Utilization) 에 속합니다.

먼저 작동 원리부터 살펴보겠습니다.

 

 

작동 원리: 식물 광합성의 모방

기본 원리는 식물 잎의 광계 II(Photosystem II)와 동일합니다. "인공광합성"의 전체 반응 순서는 물과 CO₂의 화학 결합을 끊고 만드는 과정에서 태양 에너지를 저장합니다. 빛을 받은 반도체가 정공을 만들어 물을 산소로 산화시키고, 동시에 전자가 양성자와 CO₂를 환원시켜 H₂, CO, HCOOH(포름산), CH₄, 기타 탄소 기반 연료 같은 화학 생성물을 만들어냅니다 RSC Publishing. 즉 태양빛이라는 무료 에너지원으로 CO₂라는 안정한 분자를 깨뜨려 다시 쓸 수 있는 연료로 되돌리는 것이 핵심입니다.

 

세 가지 주요 기술 접근

연구자들은 크게 세 가지 방식으로 이 원리를 구현하고 있습니다.

첫째, 광촉매(Photocatalyst) 방식은 가장 단순합니다. TiO₂ 같은 반도체 분말을 물에 띄워 햇빛을 쬐면 표면에서 직접 반응이 일어납니다.

둘째, 인공잎(Artificial Leaf, 광전기화학셀) 방식은 광흡수체와 두 개의 촉매 전극을 한 장치로 통합한 것으로, 식물 잎에 가장 가까운 형태입니다.

셋째, PV-EC 방식은 태양전지에서 만든 전기로 별도의 전기화학 셀을 돌려 CO₂를 환원시키는 방법으로, 현재 가장 효율이 높지만 장치가 분리되어 있어 비용이 듭니다.

 

현재 효율과 주요 성과

가장 핵심 지표는 태양광-화학물질 변환 효율(Solar-to-X efficiency) 입니다. 자연 광합성과 비교해 보겠습니다.

 

 

차트가 보여주듯, 인공광합성은 수소 생산에서는 자연 광합성을 이미 10배 이상 능가하지만, CO₂를 직접 환원해 연료를 만드는 부분은 아직 효율이 낮은 것이 현실입니다.

 

최근 주요 연구 성과 (2024–2026)

지난 2년간 의미 있는 진전이 여러 차례 있었습니다.

 

페로브스카이트 인공잎(2025년): 금속 할라이드 페로브스카이트 기반 광전극을 사용한 모듈 크기(16 cm²)의 인공잎이 10%를 넘는 태양광-수소 변환 효율을 달성했으며, 약 140시간의 안정성을 보여주었습니다. 이는 페로브스카이트를 광흡수체로, 전기촉매가 증착된 니켈 박막으로 캡슐화한 구조로, 측면-병렬 구성의 광양극과 광음극을 결합 Nature한 결과입니다. 이 연구는 실험실 수준을 넘어선 실용적 크기에서 10% 효율 + 장기 내구성을 동시에 입증한 첫 사례입니다.

 

케임브리지 Reisner 그룹 (2025년): 유기 반도체와 효소를 결합한 바이오하이브리드 장치를 만들어 CO₂와 햇빛을 포름산(formate)으로 변환하는 데 성공했습니다. 이는 내구성이 좋고 무독성이며 화석연료 없이 작동해 친환경 화학 산업을 위한 길을 열고 있습니다 ScienceDaily. 또한 같은 그룹은 구리 나노촉매의 구조를 조절해 CO₂로부터 다양한 탄화수소 분자를 만들 수 있는 인공잎을 발표했고, 글리세롤을 활용해 더 에너지 효율적인 전자 공급원을 개발 MIT Technology Review했습니다.

 

DGIST + 셰필드대 (2025년 12월): 한국 DGIST 인수일 교수와 영국의 William A. 그룹의 공동 연구팀이 햇빛만으로 CO₂를 고부가가치 연료인 메탄으로 변환할 수 있는 고효율 광촉매를 개발했습니다. Ti³⁺/Ti⁴⁺를 함유한 TiO₂와 비화학량론적 Ag₂S 나노와이어를 결합해 빛 에너지 사용 효율을 크게 개선 Phys.org한 것이 핵심입니다.

 

막스플랑크연구소 (2025년 7월): 두 개의 새 연구그룹을 출범시켰는데, 첫 번째는 계산적 단백질 설계와 directed evolution을 통해 광합성을 최적화하는 인공 효소를 개발하고, 두 번째는 더 많은 CO₂를 세포에 저장하는 적응된 시아노박테리아에 집중합니다. 자연의 광합성은 매우 복잡한 반응 경로 때문에 이론적으로 가용한 탄소의 약 1%만 바이오매스로 결합 Max Planck Society한다는 한계를 AI 단백질 설계로 뛰어넘으려는 시도입니다.

 

한국의 연구 현황

한국은 이 분야의 주요 연구국 중 하나입니다. 2009년 미래창조과학부가 주도한 한국인공광합성연구센터(KCAP) 가 출범한 이후 여러 성과가 나왔습니다.

KIST는 코랄(산호) 형태의 은 나노촉매 전극을 개발해 전류밀도와 전기화학적 CO₂ 변환 시스템 성능을 크게 개선했고, 50cm 크기의 대면적 전극 시스템을 구축 Phys.org해 실험실 수준을 넘는 규모로 확장했습니다. 또한 KIST 청정에너지연구센터 오형석·이웅희 박사 연구팀은 산소 발생 전극에서 귀금속 촉매 사용을 줄이는 기술을 개발해 인공광합성의 실용화를 가로막던 주요 걸림돌을 해소 EurekAlert!하기도 했습니다.

UNIST는 광촉매 분야에서 이재성 교수 연구팀이 모놀리식 형태로 태양전지와 광촉매를 결합해 5% 변환 효율을 달성했으며, 이는 기존 인공잎(3%)보다 향상된 수치이고 실용화 임계점인 10%로 가는 중요한 전환점 UNIST News Center이 되었습니다. 이외에도 POSTECH, 고려대, UNIST가 협력해 ZnTe 광전극과 페로브스카이트 솔라셀을 결합한 무바이어스 인공광합성 시스템을 발표하는 등 한국 연구진이 주요 국제학술지에 활발히 성과를 발표하고 있습니다.

 

현실적 한계와 CO₂ 감축 기여도 평가

기술적으로 흥미롭지만, 인공광합성이 단기간 내에 대기 CO₂를 줄이는 데 직접 기여하기는 어렵습니다. 이유는 다음과 같습니다.

 

첫째, 효율의 물리적 한계가 큽니다. CO₂ 환원 반응은 C-O 결합의 해리 에너지가 약 750 kJ/mol에 달해 매우 높은 에너지 페널티를 수반 RSC Publishing합니다. 즉 안정한 CO₂ 분자를 깨는 데 본질적으로 많은 에너지가 들어 효율을 무한정 올리기 어렵습니다.

 

둘째, 상용화 단계가 아직 멀리 있습니다. 기초 연구 관점에서 머신러닝 모델과 데이터 기반 접근법을 operando 분광 기법과 통합하면 합리적 설계 원리를 제공해 재료 발견과 최적화를 가속화할 수 있습니다 RSC Publishing. 그러나 현재의 태양광 구동 CO₂RR 플랫폼은 상업적 규모 배치에 필요한 임계점에 한참 미치지 못하는 것이 현실 RSC Publishing입니다.

 

셋째, 시장 규모가 매우 작습니다. 전 세계 인공광합성 시장은 2024년 8,339만 달러에서 2034년 약 3억 1,796만 달러로 연 14.32% 성장이 전망 360되지만, 이는 DAC 시장이나 기후 문제의 규모와 비교하면 매우 작습니다.

 

넷째, "포집"보다는 "활용"에 가깝습니다. 인공광합성은 입력 가스의 CO₂ 농도가 높을수록 효율이 좋아지므로, 결국 DAC나 점원(power plant) 포집 시스템으로 농축한 CO₂를 입력으로 받는 후공정 기술로 자리잡을 가능성이 큽니다. 따라서 대기 CO₂를 직접 줄이는 효과는 크지 않고, 대신 화석연료 기반 화학산업을 대체해 신규 배출을 막는 역할이 더 클 것으로 보입니다.

 

결론적인 시사점

인공광합성은 CO₂를 단순히 묻어버리는 DAC와 달리, 이를 합성 항공유, 메탄올, 에틸렌 같은 고부가가치 화학물질로 재활용한다는 점에서 경제적으로 매력적입니다. 항공 연료처럼 전기화로 대체하기 어려운 분야에서 e-연료(e-fuel) 의 핵심 공급원이 될 잠재력이 있습니다.

다만 직접적인 대기 CO₂ 농도 감소 측면에서의 기여는 21세기 중반까지도 제한적일 가능성이 큽니다. 변환된 연료가 다시 연소되면 CO₂가 재방출되므로, 엄밀히 말해 대기 농도를 낮추는 것이 아니라 탄소 순환을 닫힌 고리로 만드는 기술입니다. 그래서 화석연료 사용 자체를 줄이는 효과는 있지만, 이미 대기에 누적된 CO₂를 제거하는 음의 배출(negative emission) 수단으로는 DAC + 영구저장이 더 적합합니다.

 

가장 현실적인 시나리오는 두 기술의 결합입니다 — DAC로 농축한 CO₂를 인공광합성으로 합성연료로 만들고, 그 연료를 사용한 뒤 다시 DAC로 회수하는 순환 구조이지요. 한국이 강한 페로브스카이트·전기촉매 분야와 결합하면, 향후 10~20년 내에 산업적 의미를 가지는 시연 단계까지는 갈 가능성이 있어 보입니다.