나노기술 및 정책 정보

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녹색 나노기술 -「도전과 기회」

| 김경호 한국과학기술정보연구원 (KISTI) |

 

최근 나노기술이 녹색기술 분야로 그 응용이 확대되고 있다. 이와 관련하여 본고에서는 유럽 최대의 환경단체 연합기관인 유럽환경사무국(European Environmental Bureau, EEB)이 2009년 4월에 발표한 논문「Challenges and Opportunities to Green Nanotechnologies」의 주요 내용을 중심으로녹색 나노기술의 가능성을 살펴보았다.

 

1. 머리말

나노기술은 원자·분자 수준에서 물질을 조작하는 과학이며, 나노기술의 도움으로 제조된 물질이 화장품, 의류, 스포츠 장비, 페인트, 포장, 식품 등 일상생활의 많은 분야에서 사용되기 시작하고 있다. 이제 그 응용이 재생에너지생산, 물 여과 등 녹색기술 분야로 확대됨에 따라 나노기술은 보다 푸르고 지속가능한 미래의 한 부분으로 간주되고 있다. 과연 이러한 주장에 근거가 있는 것인가? 오히려 나노기술이 종국적으로 보다 유독한 물질, 과잉생산과 과소비를 촉발하고, 삶의 방식에 대한 통제력의 저하를 야기하지는 않는가?

이러한 맥락에서 향후 나노기술의 지속적이고 책임 있는 개발에 대한 관심이 더욱 중요해지고 있다. 과거 기술혁신은 종종 비싼 대가를 치러야 했다. 예컨대, 경이적인 재료인 석면과 경이적인 화학물질인 DDT는 독성이 매우 높은 것으로 판명되었으며 많은 사람들을 병들게 하거나 죽음에 이르게 했다. 환경 또한 독성 화학물질의 습격과 기술의 또 다른 효과로 인해 몸살을 앓고 있다.

현재 나노기술은 차세대 기술혁명의 원천으로서 여겨지고 있다. 그러나 새로운 기술혁신이 더 진전되기 전에 일반적인 지속성이라는 관점에서 평가되어야 한다. 그러한 평가에는 윤리적, 사회적, 환경적 측면이 포함되어야 한다.

여기에는 신재료나 신기술에 대해 대중의 수용여부, 잠재적 위해성, 전주기 영향 및 기존의 공정/제품과의 비교 등이 규명되어야 한다.

녹색화학과 녹색기술은 이러한 요구에 대처하기 위한 방법을 찾고 있다. 즉, 독성 성분 사용의 회피, 저온 제조 공정의 개발, 에너지 사용량의 저감 및 가능한 재생에너지의 사용을 도모하고, 궁극적으로는 제품과 재료의 설계와 가공에 전주기적 개념을 적용하는 것이다.

이와 유사하게 녹색 나노기술은 환경과 인간건강에 부당한 영향을 주지 않는 재료와 제품을생산하는 데 기여하고자 하는데 목적이 있다. 이렇게 함으로써 녹색 나노기술은 보다 친환경적이고 에너지 효율적인 제조 공정을 가능케 할수 있다.

본고에서는 녹색기술 분야에서 나노기술이 제공하는 유망성과 기회를 검토하고 그 유망성의 실현 가능성을 살펴보기로 한다.

 

2. 지구적 과제와 나노기술

기후변화, 에너지 생산을 위한 유한한 화석연료에의 과도한 의존, 천연자원의 과잉이용과 고갈, 그리고 과잉생산 및 소비에 바탕한 서구경제의 영향 등이 21세기의 가장 큰 환경 문제가 되고 있다. 우리는 광범위한 기아와 전쟁, 그리고 대량 생태계 파괴의 잠재력을 안고 있는 위기들의 수렴점에 와 있다. 이미 이러한 영향들의 조짐이 보이고 있는데, 가난한 자들은 수입의 보다 많은 부분을 에너지와 난방 그리고 쌀이나 옥수수 등의 주식품에 지출하고 있다. 가뭄이나 홍수와 같은 극단적인 기후 변화의 발생빈도가 증가하고 그 심각성이 증대해지며, 극지방의 만년설이 녹는 속도가 가속화되고 있고, 생물다양성이 대규모로 상실되고 있다.

나노기술은 차세대 산업혁명을 촉발할 혁신기술로서 다음과 같이 많은 문제에 해결책을 제공해 줄 것으로 기대되고 있다.

 

??나노기술은 새로운 여과 기술을 통해 수십억 인구에게 맑은 물을 공급하고 오염 수를 정화하는 능력을 제공

??나노기술은 재생에너지(특히 태양광)의 광범위한 이용에 장애가 되고 있는 효율 문제를 해결

??나노기술은 환경복원 및 폐기물 관리를 위한 비용 효과적인 혁신적 방법을 제공

??나노기술을 이용해 제조되는 물질들은 보다자원 효율적이며, 보다 지속적인 형태의 생산과 소비를 유도

 

 

3. 물 문제와 나노기술

3.1. 물 위기에 직면한 세계

현재 지구상에는 약 20억 명이 물 곤란을 겪는 지역에 살고 있다. 환경오염, 기후변화, 증대하는 인구 문제 등이 맑은 물과 적절한 위생의 확보를 더욱 어렵게 하고 있다. 현재 다음과 같이 치명적인 결과로 나타나고 있다.

??세계 인구의 5분의 2가 적절한 위생이 결여 되어 있음

??오염된 물이 전 세계 질병의 80%와 관련이 있음

??세계 병상(病床)의 50%가 쉽게 치료 가능한 수인성 질병 환자들에 의해 점유됨

맑은 물에 대한 접근은 유럽에서도 문제가 되고 있다. 최근 남부 유럽의 대부분 지역과 영국의 일부 지역들에서의 가뭄은 만성적인 물 부족을 심화시키고 있다. 유럽 지하수(음용수의 65% 를 공급)의 많은 부분이 심각하게 오염되어 있으며, 유럽 도시의 65%가 지하수를 고갈시키고 있어 인근 습지대들을 위험에 빠뜨리고 있다.

또 유럽의 빙하들이 녹고 있으며, 90%가 사라지고 있다. 라인 강(Rhine), 론 강(Rhone), 포 강(Po river)의 주요 수자원인 스위스 알프스의 빙하들이 지구상의 다른 어떤 빙하들 보다 2배나 빨리 녹고 있다. 빙하들은 인류의 음용수의 거의 절반을 차지하는 수자원이다. 따라서 사라지는 빙하들은 세계적으로 음용수 공급에 커다란 위협이 되고 있다.

나노기술은 이러한 문제에 대해 최상의 기술적 해결책을 줄 수 있는 하나의 방법으로 떠오르고 있다. 나노기술은 UN의 새천년 개발 목표(Millenium Development Goals: 2000년 9월 유엔의 밀레니엄 정상회의에서 채택된 2015년까지 빈곤의 감소, 보건과 교육의 개선, 환경보호를 위한 8개 목표와 18개 세부목표로 구성된 범세계적 의제로서, 맑은 물 접근이 어려운 인구의 수를 2015년까지 반으로 줄인다는 계획이 포함됨)를 달성하는데도 기여할 수 있다는 희망을 주고 있다.

수질 오염물질의 제거와 관련해 나노기술은 보다 효과적, 효율적, 지속적이며 가능한 방법으로 미해결 과제들을 극복할 수 있다고 말해진다. 물 문제 해결을 위한 나노기술의 적용 제품에는 물 여과 장치(오염물질의 제거 및 담수화 장치에 사용되는 나노 다공성 필터와 막재료)와 모니터링 장치(수자원의 수질과 수량 및 오염물질을 탐지하는 센서)가 있다.

 

 

3.2. 물 처리와 나노기술

물 처리를 위한 종래의 기술에는 필터(세라믹, 활성탄, 입상 미디어, 섬유 및 섬유포), 화학적/방사선 처리, 담수화(역삼투, 증류, 흡착필터 미디어), 비소제거장치 등 다양하다. 이러한 기술들은 장점도 있지만, 비용, 부품 입수 및 빈번한 교환 필요성 등의 문제가 있다. 나노기술 지지자들은 나노기술 방법이 기존의 방법들 보다 저렴하고, 내구적이며, 효율적이라고 주장한다. 현재 사용 또는 개발 중인 신기술들은 막, 필터, 세라믹, 점토, 흡착제, 제올라이트, 촉매 등에 나노 재료를 사용하고 있다.

한 예로 오염물질 제거 필터 기술인 탄소나노튜브(CNT) 막은 고 표면적, 고 투과성, 높은 기계적·열적 안정성을 갖고 있다. CNT 막은 수중의 침전물, 박테리아, 바이러스, 유기 오염물질 등 수많은 오염물질을 제거할 수 있으며, 5-10년 내 담수화 장치에도 사용될 것으로 전망되고 있다. 이 기술의 강점은 성능은 기존 역삼투막과 대등하며, 유지보수 빈도가 적으며, 가격도 75% 더 싸다는 것이다.

그러나 최근 이러한 필터의 제조에 사용되는 탄소나노튜브가 석면 섬유와 유사한 성질을 갖고 있다는 심각한 문제가 거론되고 있다. 즉 동물실험에서 석면과 유사한 건강 위험을 유발할 수 있음이 시사되고 있다. 그러므로 지속적이고 안전한 응용을 위해서는 기술적 타당성 평가, 진정한 경제성 및 환경·인체 건강의 영향에 대한 대처가 필요하다.

 

 

4. 재생에너지와 나노기술

21세기의 가장 큰 과제 중의 하나가 화석연료 기반의 에너지 자원으로부터 지속가능하고 재생가능한 에너지로 옮아가는 것이다. 특히 기후변화와 피크 오일(peak oil)은 우리가 현재의 생활방식의 일부라도 보존하고 싶다면 그 해결책을 찾도록 강요하고 있다. 나노기술은 더 나은 에너지의 생산, 저장 및 분배를 위한 해결책을 제공할 수 있는 최전선에 있는 것으로 생각되고 있다.

나노기술을 이용해 기존 재료보다 가볍고 강한 물질(예, 탄소나노튜브)을 제조하는 것은 자동차나 비행기의 연비를 획기적으로 증가시키는 결과로 이어진다. 자동차 엔진에 나노 크기 촉매를 사용하면 벌크 형태의 동일한 촉매의 사용량을 70-90% 줄이는 효과가 있다고 한다.

또 배터리의 저장용량, 수명 및 안전성에 있어서도 나노기술의 혜택을 볼 수 있다. 예컨대, 배터리의 수명을 늘이기 위해 리튬-이온 배터리에 탄소 나노섬유가 사용되기 시작하고 있다. 그러나 효율의 증가와 재료 사용의 절감이 확실히 중요한 진전이지만, 기존의 규제와 시험방법으로는 이들 제품의 안전 성능을 보장할 수 없다는 것이 새로운 문제로 대두된다.

태양전지(photovoltaics)는 종종 우리의 에너지 문제를 해결하는 주춧돌로서 간주된다. 요컨대, 태양광은 공짜이며, 실제적으로 유일한 100% 재생에너지원이다.

그러나 불충분한 정부의 투자, 효율 문제, 고비용(고 재료비용, 저 투자효율)이 수년간 태양전지의 주류화를 막고 있다.

오늘날의 태양전지 기술은 실리콘 반도체에 기반하고 있으며, 그 제조방법은 마이크로 전자산업에서 사용되는 것과 유사하다. 현재의 기술은 비용이 점점 싸지고는 있지만 여전히 고가이며 효율이 낮다. 현재의 지배적인 실리콘 기반의 기술은 계속되는 원재료 가격의 상승으로 실질적으로 가격이 떨어질 것으로는 보이지 않는다. 일부에서는 궁극적으로 나노기술의 도움으로 태양전지판(solar panel)의 효율이 60%에 달할 것으로 예측하고 있다. 현재, 웨이퍼 기반의 결정질 실리콘 패널은 25%의 효율을 얻을수 있다. 박막 비정질 실리콘/카드뮴 텔루라이드(silicon/cadmium telluride)는 효율이 약 19%이다. 보다 새로운 전기화학적 염료감응 태양전지의 나노다공성 이산화티탄 패널은 10%의 효율에 지나지 않으며, 풀러렌 공액 고분자 태양전지는 5%이다.

불행하게도 현행 태양전지판의 제조방법은 매우 유독하여, 잠재적으로 환경에 유해하다. 여러 가지 태양전지의 제조에 사용되는 화학약품은 다양하다. 예컨대, 반도체 재료로부터 불순물을 제거하고 정제하는 단계에서 염산, 황산, 질산, 불화수소와 같은 부식성 화학물질이 사용된다. 납도 와이어링 등 태양전지의 전자회로에 자주 사용된다. 태양전지판의 독성 물질은 폐기처분 또는 수명이 다해 매립하거나 소각할 때, 매립지로부터 용출물로 용출되거나 또는 독성 물질로서 소각로로부터 대기 중으로 방출된다. 나아가 자원고갈도 문제가 될 수 있는데, 태양전지판에 사용된 물질이 현재 완전히 재활용되는 것은 거의 없기 때문이다. 일부 패널의 실리콘 성분(부품)은 표준 유리회수/재활용 공정에 의해 재활용 될 수 있지만, 패널에 사용된 다른 성분들(카드뮴 등)의 재활용은 실험적 상태이거나 아직 연구되어 있지 않다. 더우기 나노입자와 나노필름의 재활용은 전혀 연구되고 있지 않다. 태양에너지 생산에 있어 주요 기술적 과제는 이산화티타늄, 은, 양자점 및 카드뮴 텔루라이드와 같은 나노입자의 도움으로 태양에너지의 효율을 높이는 것이다. 불행하게도 현재 시판중인 나노 태양전지 제품의 그 어느 것도 큰 효율을 달성하고 있지 못한 것으로 보이며, 기대한 대로 에너지 비용을 절반으로 줄이지 못하고 있다. Nanosolar사(미국)는 최대 효율 14%의 박막 셀을 생산하고 있으며(기존 패널은 약 25%), 1달러/watt라는 경제적인 생산단계에 다가가고 있다고 주장한다. 와트당 비용을 비교하는 일은 어려운 일이지만, 유럽의 경우 기존 태양에너지 시스템은 약 0.50달러/watt이다.

분명히 박막 나노 태양전지는 비용이나 효율면에서 아직 더 발전되어야 한다. 나노기술의 사용은 종국적으로 효율에 상당한 향상을 가져오고 비용을 줄일 수 있다. 그러나 태양에너지가 지구적 해결책의 일부분이 되고 청정하고 재생가능한 에너지로 발돋움하기 위해서는 그것이 정말로 안전하고 지속가능해야 한다는 것이 필수적이다. 따라서 태양에너지 제품의 생산, 사용, 폐기 등 전 주기 문제(whole life cycle issue), 그리고 새로운 나노기술과 재료의 사용에 대해 세심한 주의를 기울여야 한다.

 

 

5. 환경복원/폐기물 관리와 나노기술

5.1. 증대하는 환경오염과 폐기물 문제

획기적인 환경복원 및 폐기물 관리에 대한 필요성은 계속적으로 증가하고 있으며, 환경 나노기술이 이 분야에서 선도적 역할을 할 것으로 기대된다. 일각에서는 나노기술을 적용한 환경기술의 세계시장이 2010년에 61억 달러에 이를 것으로 예측하고 있다.

모든 복원 기술이나 폐기물 관리 기술은 폐기물 생성의 저감, 폐기물의 정화(물리적 제거, 식물학적 복원, 생물학적 복원 등) 또는 폐기물의 자원화라는 원칙에 근거하고 있다. 기존의 환경복원기술로는 맑은 음용수 생산, 공기 중 오염물질 제거, 산업 오염지역 정화 등 많은 문제들을 충분히 대처할 수 없었다. 예컨대, 토양 오염은 대체로 상층토(표토)의 제거와 매립에 의해 이루어졌다. 이 방법은 단순히 한 장소의 문제를 다른 장소로 옮기는 것에 불과하다.

 

 

5.2. 구원 투수로서의 나노기술

나노기술을 이용하는 복원 기술이 다양하게 제안되고 있다. 예컨대, 이산화티타늄을 이용하는 태양광 촉매법은 질소 산화물 및 휘발성 유기화합물을 저감하는 능력을 보여주고 있어, 이를 페인트나 시멘트에 혼합하여 사용하고 있다.

나노 이산화티타늄이 농축된 페인트는 현재 건물 벽면을 정화하기 위해 사용되는 유기 살균제를 대체하기 시작했다. 미래에는 나노 이산화티타늄은 광촉매적 성질로 인해 유해한 대기 중입자를 분해할 수 있을 것으로 기대된다. 유기살균제는 매우 유독하지만, 벌크 상의 이산화티타늄은 안전한 것으로 여겨지고 있다.

그러나 이산화티타늄은 건물 표면에서 박리되어, 빗물 배수관, 개울, 수로로 흘러들어가 물고기나 다른 수중 생물에 유해한 영향을 줄 수 있다.

또 최근엔‘세대간 효과’(inter-generationaleffect)를 보이는 것으로 연구되고 있다. 즉, 이산화티타늄 나노입자들이 임신한 실험쥐에서 그 새끼들에게 전이된다는 연구 결과가 있다. 이 새끼들은 뇌 손상, 신경계 손상을 입으며, 수컷 새끼들에서는 정자 생산이 감소됨을 보여주었다.

토양 복원은 오랜 동안 방치된 산업 및 군사 지역이 대상이 되는데, 특히 산업 선진국들에서 급박한 문제가 되고 있다. 나노 크기의 영가 철(zero-valent iron)과 산화철이 적절한 처방책으로 알려지고 있다. 이것들은 현행 해결책보다 비용면에서 효과적이다. 미국, 유럽에서는 여러 장소에서 시험되고 있으며 매우 유망한 결과들을 보이고 있다. 하지만, 이 나노입자가 토양 생태계에 방출되었을 때 그 효과와 토양세균, 지하수 수질에 미치는 영향에 대해 아직해결되지 못한 점이 많다.

 

 

5.3. 현상의 해결책

환경복원을 위한 많은 나노기술이 실험실 조건에서 시범되고 있고 일부는 상용화 단계에 들어섰지만, 현장에서의 안전과 효율이 입증된 것은 거의 없는 실정이다. 제시되고 있는 많은 해결책들이 개념 입증 단계(proof-of-concept stage)이거나 단지 파일럿 시험단계에 지나지 않는다.

각각의 제안된 해결책은 다음과 같은 질문에 적절한 답을 줄 수 있어야 한다.

??사용된 기술이 효과적이며 또 원래의 오염물질보다 덜 유해하다는 것을 어떻게 보장할 수 있는가?

??오염물질의 여과에 사용된 나노입자 자체가 결국 식품 사슬에 들어오는 것은 아닌가, 식물에게 병증을 야기하지 않는가, 토양의 질을 떨어뜨려 토양 생태계를 파괴할 가능성은 없는가?

??나노입자를 사용함으로써 진정한 환경 부담은 무엇인가?

아무리 새로운 해결책이 제시되어도 기존 해결책과 비교될 필요가 있으며, 경제적, 사회적, 환경적 측면에서 효율과 비용의 향상을 광범위하게 입증해야 한다. 요컨대 생산 단계에서 오염물질과 폐기물을 저감하는 것이 가장 안전하고 지속적인 선택이라고 할 수 있다.

 

6. 지속적인 생산과 소비를 위한 나노기술녹색 나노기술의 핵심 셀링 포인트(selling point)의 하나는 에너지와 자원(원재료, 물 등)을 보다 적게 사용하고, 독성이 덜 한 재료를 사용함으로써 지속적으로 제품의 생산을 가능하게 한다는 점이다. 그러나 그러한 비교가 어려운 것이, 기존 나노기술로 제조된 재료의 지속성을 비교한 전주기 평가가 거의 없기 때문이다. 오히려 발표되고 있는 데이터를 볼 때, 나노기술에 의해 얻어지는 환경적 이득보다도 나노재료 생산의 부정적 영향이 더 크다는 것을 시사하고 있다.

 

6.1. 나노기술이 만드는 대체 화학물질

나노기술 제품은 종종 유해한 화학물질(중금속, 맹독성 화학물질 등)의 잠재적 대체물질로 제안되고 있다. 의심할 바 없이 이것은 특히 코팅이나 접착제 분야에서 하나의 가능성을 열어 주고 있 다 . 예 컨 대 , 종래의 방오 도료(antifouling paint)는 그 효과를 위해 독성 화학물질에 의존하는 바가 크다. 나노재료를 사용하면 화학적 효과를 구조적 효과로 대체할 수 있다. 즉 구조적으로 미생물이 페인트에 부착할가능성을 줄임으로써, 이산화티타늄, 이산화실리콘, 산화마그네슘, 산화아연의 나노입자들은 매우 유독한 것으로 알려진 브롬과 같은 화학적 난연제를 대체할 수 있다. 불행히도 몇몇 경우에 있어 이 대체물질이 실제로 완벽하게 안전한 것인지는 불분명하다. 이러한 효과에 대한 시험이 자주 행해지지 않는 경우가 많기 때문이다. 나노기술은 위해 물질의 사용을 줄일 수 있는 매우 큰 잠재력을 가지고있기는 하지만, 궁극적으로 대부분의 이득이 단지 점진적으로 나타나고 있을 뿐이다.

 

6.2. 나노재료의 생산과 환경영향

나노재료는 종종 놀라운 효율을 나타낸다고 말해진다. 이는 기존 물질보다 가볍고 강고하기 때문이다. 예컨대, 탄소나노튜브는 사용 시에너지가 보다 적게 드는 경량의 산업 부품을 만들 수 있을 것으로 예견된다. 탄소로 이루어진 실린더 형상인 탄소나노튜브는 여태껏 발명된 재료 중 가장 경도와 강도가 크며, 독특한 전기적 성질을 가지고 있다. 탄소나노튜브는 이미 폭 넓게 상업적으로 활용되고 있으며, 예를 들면 특수 비행기나 자동차 부품, 고기능 플라스틱, 연료필터, 전자제품 및 탄소-리튬 배터리 등에 사용되고 있다. 이의 사용으로 연료가 적게 들고, 따라서 극적으로 이동 비용을 줄일 수 있는 초경량 비행기와 자동차의 출현이가능하다.

그러나 나노입자의 제조는 예기치 못한 큰 환경적 영향을 불러 올 수 있다. 즉 제조공정이 매우 특별한 생산 환경을 필요로 할 수 있는데, 여기에는 많은 양의 에너지와 물의 사용, 심각한 폐기물 발생, 온실 가스의 생산과 사용, 벤젠과 같은 유독 화학물질 및 용매의 사용 등이 있다. 탄소 나노섬유의 생산은 최초로 전주기 평가가 연구되고 있는 한 예이다. 연구로부터 탄소나노튜브는 지구 온난화와 오존층 고갈에 기여할 수 있다는 것과 환경 또는 인체에 알루미늄, 강철 및 폴리프로필렌 등의 기존 재료보다 중량당 100배 이상의 독성을 미칠 수 있다는 것이 발견되었다.

녹색 나노기술에 대한 과감한 주장은 나노기술을 이용해 얻어지는 효율 이득이 크든 작든 지속적인 소비로 이어지기 때문이다. 그러나 이전의 모든 경험에서 볼 때 효율 이득은 불가피하게 환경보전보다는 생산과 소비의 확대(반등

효과, rebound effect)로 귀결됨을 알 수 있다. 즉 효율 증대의 효과는 저렴한 재료와 저렴한 제품의 생산을 가능케 하며, 저렴한 제품은 소비의 확대를 부추기는 경향이 있다. 이는 기술혁신이란 그 자체가 환경적으로 긍정적이고 사회적으로 타당한 결과를 내기에는 결코 충분치 않다는 의미이다.

 

7. 맺는 말

나노기술은 우리가 당면하고 있는 지구적 환경문제의 해결책을 제시하고, 또 보다 지속적인제품의 생산을 가능하게 한다는 점에서 그 유망성이 자주 이야기되고 있다. 그럼에도 불구하고, 현재까지 이렇다 할 해결책이 제시되고 있지 못한 실정이다. 태양전지, 물 처리 및 환경복원/폐기물관리의 분야에서 많은 잠재적 유익한 해결책들도 파일럿 단계이거나 현장 시험 중으로, 아직은 기술적으로 해결해야 할 과제가 많다. 현재로선 이들에 대한 지구적 규모의 상용화는 앞으로 5-10년 후의 일이 될 것으로 전망되고 있다. 중요한 것은 많은 나노기술을 적용한 제품과 기술이 환경, 건강, 안전 문제에 대한 적절한 관심 없이 개발되고 있다는 사실이다. 나노 독성학 분야가 서서히 발전해나감에 따라 오히려 인체 및 환경 독성에 대한 우려가 더욱 커지고 있다. 따라서 나노 제품의 대규모 상용화 이전에 적절한 예방 대책이 절실히 요구되고 있다. ■