사진. 한국과학기술연구원

한국과학기술연구원(이하 KIST) 청정에너지연구센터 오형석 박사 연구팀이 초전도물성소재연구센터 김남동 박사 연구팀, 극한물성소재연구센터 조혜성 박사 연구팀과 공동으로 외부 전력 공급이나 약품 운반 없이 햇빛을 이용해 녹조를 제거하는 자율 방제 수상 로봇을 개발했다.

녹조는 악취를 유발하고 수중 산소를 감소시켜 어류 폐사를 일으킬 수 있으며, 일부 조류는 독성물질을 생성해 상수원 수질에도 영향을 미친다. 기존에는 작업자가 선박을 이용해 과산화수소를 직접 살포하는 방식이 주로 활용됐지만 넓은 수역을 반복적으로 이동해야 해 인력과 비용 부담이 컸다.

또한 과산화수소의 장기 보관을 위해 사용되는 안정제가 녹조 제거 효율을 떨어뜨릴 수 있다는 문제도 있었다. 연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 현장에서 필요한 양만큼 과산화수소를 생산하는 시스템을 개발했다.

핵심 기술은 탄소 소재에 코발트 원자를 하나씩 분산시킨 단일원자 촉매다. 연구팀은 이 촉매를 활용해 공기 중 산소와 물만으로 과산화수소를 현장에서 합성할 수 있는 기술을 구현했다.

기존에는 녹조 제거에 필요한 과산화수소를 별도로 생산하고 운송해야 했지만, 개발된 기술은 방제 현장에서 직접 약품을 생산할 수 있다. 이를 통해 약품 운송에 필요한 비용을 줄이고 보관 과정에서 발생할 수 있는 누출 위험도 낮출 수 있다.

특히 촉매 시스템을 통해 생성된 과산화수소는 상용 과산화수소와 비교해 녹조 제거 속도가 최대 1,760배 향상되는 것으로 확인됐다. 현장에서 필요한 제거제를 즉시 생산하면서도 높은 처리 성능을 확보한 것이 특징이다.

연구팀은 개발한 촉매 시스템을 태양광 패널과 부유 장치에 결합해 자율 방제 수상 로봇으로 구현했다. 로봇은 낮 동안 태양광을 이용해 전력을 충전하고 이를 활용해 주간과 야간에 자율 운항할 수 있도록 설계됐다.

KIST 내 실제 연못에서 시험 운행을 진행해 녹조 제거 성능과 자율 운항 가능성을 검증했다. 외부 전력망에 연결하거나 별도의 약품을 탑재하지 않아도 수질 정화 작업을 수행할 수 있어 기존 방제 방식의 현장 제약을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

이번 기술은 전력 인프라가 부족한 댐과 저수지 등에서 활용 가능성이 높다. 별도의 약품 운송 없이 현장에서 과산화수소를 생산할 수 있어 운영 효율을 높이고 수질 정화 과정의 물류 부담도 줄일 수 있다.

향후에는 장치 규모를 확대해 강과 대형 상수원 등 다양한 수질 관리 환경으로 적용 범위를 넓힐 계획이다. 특히 태양광과 촉매, 수상 로봇을 결합한 시스템을 기반으로 녹조 발생 지역을 자율적으로 이동하며 정화하는 스마트 물 관리 기술로 발전할 가능성이 있다.

KIST 오형석 책임연구원은 “이번 성과는 수질 정화 촉매, 첨단 복합소재, 로봇 제어 기술을 보유한 KIST 연구팀이 협력해 만들어낸 융합 연구의 결과”라며 “햇빛만으로 현장에서 녹조 제거제를 생산하는 이번 기술이 미래형 스마트 물 관리 기술의 새로운 대안이 되기를 기대한다”리고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIST 주요사업 및 탄소 업사이클링 사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 ‘Applied Catalysis B: Environment and Energy’ 최신호에 게재됐다.