에너지연, 촉매 실험 사람 대신 로봇으로 완전 대체한다

- 로봇 통합 제어로 시료 식별·장착·측정부터 소모품 교체까지 전 과정 무인화

- 수작업 대비 실험 속도는 45배 향상, 실험 결과 변동성 32% 낮춰

연구진 단체사진. 왼쪽부터 오경희 박사후연구원, 박지찬 책임연구원, 강신욱 책임연구원, 임강훈 책임연구원. (자료제공: 에너지연)

연구진이 개발한 로봇기반 촉매성능 평가 자동화 플랫폼. (자료제공: 에너지연)

새롭게 개발된 촉매의 성능을 사람 대신 로봇으로 평가하는 기술이 개발됐다. 사람보다 45배 빠르게 작업하면서 정밀도도 높아 촉매 개발 기간 단축에 크게 기여할 것으로 전망된다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 ‘에너지연’)은 청정연료연구실 박지찬 박사 연구진이 복잡하고 반복적인 촉매 성능 평가 실험을 완전히 자동화하는 시스템을 개발했다. 

새로운 촉매를 개발하기 위해서는 촉매의 조성과 반응 조건 등을 수시로 바꾸는 대규모 반복 실험이 필요하다. 그러나 기존의 수작업 기반 실험은 시간이 많이 소요되고, 실험자가 바뀌면 똑같은 표본을 사용해도 결과가 달라지는 일이 빈번했다.

이에 최근 계산과학과 AI 기술을 활용해 촉매의 성능을 이론적으로 예측하고 실험을 자동화하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 아직 시료의 교체와 투입, 야간 및 장시간 연속 실험을 위한 소모품 교체 등 일부 단계는 정밀한 조작과 실시간 대응이 필요해 자동화 영역에서 벗어나 있었다.

연구진은 두 대의 로봇을 활용한 자동화 시스템을 개발해 기존 시스템의 문제를 극복했다. 촉매 성능 평가 실험 과정을 두 단계로 분리해 각각의 로봇이 유기적으로 수행하도록 설계함으로써 사람의 개입 없이도 실험의 모든 과정을 진행할 수 있게 했다.

첫 번째 로봇은 사전 정의된 실험 시나리오(측정 시간, 순서, 시료 ID 등)에 따라 분석에 필요한 시료를 자동으로 식별하고, 용기를 정확한 위치에 장착한 뒤 스펙트럼 측정을 수행한다. 이를 통해 사람이 수행하던 시료 선택, 장착, 정렬, 측정 시작, 기록 과정이 자동으로 이뤄져 실험자 교대에 따른 측정 지연과 작업 편차를 모두 줄였다.

두 번째 로봇은 대량 연속 실험이 중단되지 않도록 시료 취급(배치, 회수, 폐기)과 소모품 교체를 표준화된 절차로 수행한다. 사람이 상주하며 반복해 온 유지 작업을 대신함으로써 장시간 실험에서도 안정적인 운전과 데이터 연속성을 확보했다.

연구진은 두 로봇이 동시에 작동하며 각 단계를 끊임없이 유지할 수 있도록 최적의 통합 제어 로직을 적용했다. 개발된 시스템을 활용한 결과, 사람 기준으로 약 32일이 소요되는 촉매 성능 평가 실험을 약 17시간 만에 수행해 45배 빠른 처리 속도를 나타냈다.

또, 실험 결과의 변동성이 수작업 대비 약 32% 감소해 데이터 신뢰도가 매우 높아졌음을 확인했다. 이를 통해 대량 연속 실험 환경에서도 안정적인 운전과 정밀한 데이터 확보가 가능함을 입증했다.

이외에도 연구진은 ‘촉매 성능 평가 자동화 시스템’에 대한 국내 등록 특허를 확보해 기술의 신뢰도를 높이고 사업화 기반을 마련했다.

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

이번 성과는 에너지연 기본사업과 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐으며, 화학 분야의 세계적 권위지인 ‘케미컬 사이언스(Chemical Science)’에 12월 30일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]