- 촉매 실험 자동화한 스마트 실험실 구축으로 안전하고 안정적인 실험환경 마련

- 인공지능을 기반으로 한 실험 데이터 분석·활용, 실험실의 디지털 트윈 실현

- 단종된 고가 분석기에도 적용 가능, 자동화 로봇으로 재탄생

□ 촉매 실험 하면 떠오르는 야간·주말·장기실험, 단순 반복 작업, 위험성은 이제 옛말이 됐다. 국내 연구진이 촉매 실험을 똑똑하고 안전하게 만들어주는 전환점을 마련했기 때문이다.

■ 한국에너지기술연구원 탄소전환연구실 윤민혜 박사 연구진이 촉매 개발 실험과 관련한 전주기 공정(촉매 합성-분석-반응)을 자동화하는 스마트 실험실을 구축해 촉매 연구의 새로운 지평을 열었다.

[사진자료] 연구진이 구축한 스마트 실험실 개요

□ 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. 따라서 다양한 공정 조건에서의 검증이 필요하며 이는 인력, 장비, 비용의 증가를 야기한다. 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.

■ 연구진은 기존 촉매 연구의 문제를 해결하기 위해 무인화, 자동화, 데이터 자동수집과 데이터베이스화에 집중했고, 촉매 구조 분석부터 샘플링, 생성물 분석 그리고 일련의 데이터의 수집과 보관까지 모두 자동으로 구현하는 스마트 실험실의 기반을 구축하는데 성공했다.

□ 먼저 연구진은 실험실의 무인, 자동화를 위해 XRD* 분석 자동화 및 자율분석 시스템을 구축했다. XRD 분석 장비는 촉매 구조를 분석하는 장비로, 사용연한이 오래된 XRD 장비에도 적용 가능해 신규 장비 도입 없이도 활용할 수 있어 상용화에 유리하다. 또, 24시간 무인 운전과 자동 분석 기능을 포함하고 있어 연구인력의 단순반복 업무를 줄이면서도 생산성을 올렸다는 점이 특징이다.

* XRD(X-ray Diffraction, X-선 회절) 분석: 촉매와 같은 소재의 구조를 분석할 수 있는 연구장비로, 국내 연구기관에 상당수 도입되어 있으나, 자동운전이 가능한 최신모델의 경우, 신규 장비구입이 불가피함

□ 여기에 더해 연구진은 고온고압반응기 자동샘플링 시스템도 개발했다. 개발된 시스템은 합성연료를 만드는 실험 중 가장 난이도 높은 샘플링 작업을 자동화한 것으로, 고온고압으로 인한 화상과 질식 등 위험 요인을 제거해 안정적이고 안전한 실험환경을 조성할 수 있다. 또, 무인 환경에서도 연속적인 샘플링이 가능해 휴일과 야간근무를 대체할 수 있어 효율적인 운영을 가능케 했다. 

□ 이외에도 연구진은 자동화로 축적된 분석과 평가 데이터를 샘플 QR관리 프로그램(데이터베이스 웹플랫폼)을 통해 유기적으로 관리함으로써 전반적인 촉매 연구의 신뢰성과 효율성도 높였다. 이렇게 쌓인 데이터는 자동수집과 가공을 거쳐 데이터베이스화 되고, 실시간으로 시각화할 수 있는 데이터 자동수집-변환시스템을 통해 원하는 방식으로 보관할 수 있다. 연구진은 향후 보관된 데이터를 인공지능에 학습시켜 활용성을 더욱 높일 계획이다.

■ 연구책임자인 윤민혜 박사는 “기존의 자율주행 실험실은 로봇을 통해 단순 반복업무의 자동화에 중점을 두었다면, 본 연구를 통해 구축된 스마트 실험실은 어렵고 위험한 실험 환경을 개선함과 동시에 데이터 자동수집 및 DB화 등 실험 전분야의 데이터를 효과적으로 관리할 수 있는 시스템으로, 인공지능을 활용할 수 있는 연구기반을 마련한 성과”라며, “더 나아가 실험실의 디지털 트윈을 구현하여 연구현장의 혁신을 이끌고, 기후위기 대응 기술개발에도 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

□ 이번 연구는 연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐으며, 일부 공용사용이 가능한 플랫폼은 연구기관에 배포해 국가 R&D 플랫폼을 고도화하고, 개발된 자동화 시스템은 확대 보급해 연구현장의 어려움을 개선하는데 사용될 것으로 기대된다.

[사진자료] 촉매 개발 스마트 실험실 연구진(아래 왼쪽부터 시계방향, 윤민혜 책임연구원, 임강훈 선임연구원, 천동현 책임연구원, 임근배 선임기술원, 김광영 선임연구원, 이고운 선임기술원)