"32일 걸리던 실험 17시간으로" … 에너지기술연구원, 로봇 촉매 자동화 기술 개발

한국에너지기술연구원이 사람 대신 로봇이 촉매 성능을 평가하는 자동화 시스템을 개발했다. 기존 수작업 대비 처리 속도는 45배 빨라지고, 실험 결과의 정밀도도 크게 향상돼 촉매 개발 기간 단축에 기여할 전망이다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 청정연료연구실 박지찬 박사 연구진이 복잡하고 반복적인 촉매 성능 평가 실험 전 과정을 자동화하는 시스템을 개발했다고 밝혔다.

신규 촉매 개발에는 조성과 반응 조건을 수시로 바꾸는 대규모 반복 실험이 필수적이다. 그러나 기존 수작업 기반 실험은 시간이 오래 걸리고, 실험자가 바뀔 경우 동일 표본에서도 결과 편차가 발생하는 문제가 있었다. 최근 계산과학과 인공지능(AI)을 활용해 성능을 예측하고 실험을 자동화하려는 시도가 이어지고 있지만, 시료 교체와 소모품 교체 등 일부 단계는 정밀 조작이 필요해 완전 자동화에 한계가 있었다.

연구진은 두 대의 로봇을 활용해 이러한 문제를 해결했다. 촉매 성능 평가 과정을 두 단계로 분리하고, 각각의 로봇이 유기적으로 작동하도록 설계해 사람의 개입 없이 전 과정을 수행할 수 있도록 했다.

첫 번째 로봇은 사전에 설정된 실험 시나리오에 따라 시료를 자동 식별하고 용기를 정확한 위치에 장착한 뒤 자외선·가시광선(UV/Vis) 스펙트럼 분석을 수행한다. 이를 통해 시료 선택, 장착, 정렬, 측정, 기록까지 전 과정을 자동화해 실험자 교대에 따른 지연과 편차를 줄였다.

두 번째 로봇은 대량 연속 실험이 중단되지 않도록 시료 배치와 회수, 폐기, 소모품 교체를 표준화된 절차로 수행한다. 장시간 실험에서도 안정적인 운전과 데이터 연속성을 확보할 수 있도록 설계됐다.

연구진은 두 로봇이 동시에 작동하며 각 단계를 끊임없이 유지할 수 있도록 통합 제어 로직을 적용했다. 그 결과 기존에 약 32일이 소요되던 촉매 성능 평가 실험을 약 17시간 만에 완료해 45배 빠른 처리 속도를 기록했다. 실험 결과의 변동성도 수작업 대비 약 32% 감소해 데이터 신뢰도가 크게 향상된 것으로 나타났다.

연구진은 해당 기술에 대한 국내 등록 특허를 확보했으며, 향후 사업화 기반도 마련했다.

박지찬 책임연구원은 "이번 연구는 촉매 성능 평가의 완전 자동화를 넘어 대량 실험 환경에서도 신뢰도 높은 데이터를 확보할 수 있음을 입증한 것"이라며 "다양한 촉매 반응과 소재 연구로 적용 범위를 확대하고, 이론과 실험의 연계를 강화해 AI 기반 촉매 개발로 발전시키겠다"고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부 지원과 에너지연 기본사업으로 수행됐으며, 화학 분야 국제 학술지인 Chemical Science(IF 7.5)에 온라인 게재됐다.