촉매 연구의 가장 큰 어려움은 스케일 업에 따른 공정개발이다. 

실험실 규모에서 최적화 된 촉매는 규모가 커지면 반응기 종류, 반응조건, 성형 방법 등을 바꿔야하고, 이로 인해 결과도 달라지기 때문이다. 

특히 가스상의 물질을 고온고압의 조건에서 촉매반응을 통해 액상의 탄화수소로 전환할 때는 변화가 더욱 크며, 실험이 미숙하거나 연구원 변경, 수기 입력 오류 등 데이터 관리에서 발생하는 문제로 인해 결과물의 품질이 저하될 수 있다.

인공지능 자동화로 촉매 실험방법 혁신

한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 탄소전환연구실 윤민혜 박사 연구팀이 촉매 개발 실험 관련 촉매합성, 분석, 반응의 전주기 과정을 자동화하는 스마트 실험실을 구축, 촉매 연구의 새 지평을 열었다.

연구팀은 기존 촉매 연구의 문제를 해결하기 위해 무인화, 자동화, 데이터 자동수집과 데이터베이스화에 집중, 촉매 구조분석, 샘플링, 생성물분석 그리고 일련의 데이터의 수집과 보관까지 모두 자동으로 구현하는 스마트 실험실 기반을 완성했다.

먼저 연구팀은 실험실의 무인, 자동화를 위해 ‘XRD 분석 자동화 및 자율분석시스템’을 구축했다. 

이는 사용연한이 오래된 XRD 장비에 적용 가능하고, 24시간 무인 운전과 자동분석 기능을 포함해 연구인력의 단순반복 업무를 줄이면서 생산성을 올렸다.

또 연구팀은 합성연료를 만드는 실험 중 가장 난이도 높은 샘플링 작업을 자동화한 고온고압반응기 자동샘플링 시스템도 개발했다. 

이 시스템은 고온고압으로 인한 화상과 질식 등 위험요인을 제거해 안전한 실험환경을 제공하고, 무인 환경에서도 연속적인 샘플링이 가능해 휴일과 야간근무를 대체할 수 있다.

이밖에 연구팀은 자동화로 축적된 분석과 평가데이터를 샘플 QR관리 프로그램으로 유기적으로 관리해 전반적인 촉매 연구의 신뢰성과 효율성도 높였다. 

윤 박사는 “이번 연구성과는 어렵고 위험한 실험 환경을 개선함과 동시에 데이터 자동수집과 DB화 등을 실험 전 분야로에 적용할 수 있다”며 “향후 실험실의 디지털 트윈을 구현해 연구현장 혁신을 이끌고, 기후위기 대응 기술개발에도 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이재형 기자 jh@kukinews.com