그간 고고학과 지질학 등의 분야에서 정확한 연대측정을 위해 활용되어온 방사성 탄소연대측정은 탄소중립 시대 속 바이오매스 분석이라는 역할로 새로이 주목받고 있다. 화석기원 유기물과 바이오기원 유기물의 함량을 측정하며 탄소배출에 관한 각종 규제에 대응할 기준을 제시할 것으로 기대된다. ㈜카본에널리시스랩은 방사성 탄소연대측정을 위한 전처리 과정에 소요되던 시간과 비용을 획기적으로 줄이며 외국계에 의존하던 시료 전처리 시장의 점유율을 높여가고 있다.

 

시간과 비용은 낮추고 정확도 높이며 방사성 탄소연대측정 위한 전처리 서비스 제공

탄소연대측정을 위한 전처리 서비스 제공 전문기업 ㈜카본에널리시스랩은 2013년, 보다 신속하면서도 신뢰성 높은 방사성 탄소연대측정 서비스를 제공하는 것을 목표로 설립되었다. 화석의 연대 추정에도 활용되는 방사성 탄소연대측정은 고고학과 지질학, 퇴적학, 연대학, 해양학, 환경변화 연구 등 여러 분야에 수만년 대의 기초 연대자료를 제공하는 중요한 수단으로 알려졌으며, 정확도 및 정밀도의 우수성을 인정받아 세계적으로 문화재의 연대측정 시 가장 널리 쓰이는 방법이다. 우리나라에서 방사성 탄소연대측정법이 처음 사용된 것은 철기시대 집터인 가평 마장리 유적지이다. 미시간대학은 가평 마장리 유적에서 채집한 목탄을 분석해 기원전 1700년경 유물이라 특정했다.

방사성 탄소연대측정은 목탄, 목재, 패각류 등 호흡을 통해 탄소를 흡수하고 축적하는 유기물을 대상으로 하며, 유기물 시료 속에 함유된 방사성탄소의 농도 측정 결과를 토대로 방사성탄소의 반감기를 이용해 연대를 계산하는 방식으로 진행된다. 14C(탄소-14)가 질소로 붕괴하는 반감기는 5700년으로 알려졌으며, 국내에서는 목탄을 주 대상으로 한다. 이외에도 화석기원 유기물과 바이오기원 유기물의 함량을 측정하는 등 바이오매스 분석에도 활용하고 있다. 성기석 대표는 모든 방사성 동위원소는 고유의 반감기를 가지고 있다며, 반감기마다 함량이 반으로 줄어드는 성질이 있기에 특정 동위원소의 초기량을 알면 현재 잔량을 측정해 경과된 시간을 알 수 있다고 설명했다. 그는 방사성 탄소연대측정 분야에서 15년간 풍부한 경험을 쌓아왔다.

14C를 이용하여 연대를 측정할 수 있다는 사실을 최초로 발견한 Libby가 1960년 노벨화학상을 수상하며 방사성 탄소연대측정의 본격적 연구가 시작되었다. 이후 방사성 탄소연대측정법은 액체섬광계수법, 기체비례계수법, 가속기 질량분석법(이하 AMS, Accelerator mass spectrometry) 등 여러 측정법이 적용되면서 비약적인 발전을 이루어왔다. AMS는 현재 동위원소 분석에서 일반적 질량분석장치에 비해 1010배 높은 감도를 갖고 있는 장치로, 다른 측정법보다 월등히 적은 시료만을 필요로 한다. 측정시간 또한 상당히 짧기에 현재는 대부분의 연대측정에 AMS가 활용되고 있다. 방사성탄소 연대 측정시료의 전처리를 전문적으로 수행하는 카본에널리시스랩은 한국지질자원연구원(KIGAM)에 설치된 AMS를 이용하여 탄소의 동위원소 비율로 측정해 연대를 계산하고 있다. 성 대표는 한국지질자원연구원에서 AMS를 도입하던 시기에 석사과정을 밟으며 초창기 실험실 셋업부터 가속기 설치에 이르는 AMS의 전반적인 운영을 경험했다고 설명했다. 이후 지질학적 데이터 확보를 위한 시험분석 기술 구축에 앞장서온 그다.

 

방사성 연대측정에 소요되는 시간과 비용 획기적으로 줄이며 주목받아

시료의 전처리 과정은 시료의 연대를 정확하게 측정하기 위한 중요한 과정으로 손꼽힌다. 특히 오래된 시료일수록 그 중요성이 커진다. 시료의 전처리 방법은 시료마다 각기 다르며, 물리적·화학적 처리법에 따라 시료 외 외부탄소를 제거한다. 물리적 전처리란 이물질 제거 및 시료 분쇄 등의 과정을, 화학적 전처리는 약품을 활용해 시료 내 오염물을 제거하는 과정을 의미한다.

“발굴조사 기관이나 지질조사 전문가들이 의뢰해오는 시료들은 대부분 목탄이나 씨앗, 토양 속 유기물입니다. 저희는 일차적으로 유기물에 붙은 오염물질을 물리적으로 제거한 후 연소시켜 이산화탄소 형태로 포집하고, 이를 AMS에서 측정 가능한 형태인 흑연 그라파이트 형태로 변환하는 작업을 수행하고 있습니다.”

한국지질자원연구원에서 AMS를 도입하던 초기 성기석 대표는 방사성 연대측정에 대한 수요가 커짐에도 전처리 과정 등으로 많은 시간이 소요되어 길게는 1년까지도 작업이 지체되는 모습을 바라봤다. 이에 전처리 사업체를 꾸린다면 충분한 경쟁력이 있을 것이라 판단한 그는 2013년 ㈜카본에널리시스랩을 설립했다. 이후 4년여 간 1인 기업으로 운영해온 성 대표는 홍보부터 시험분석, 결과보고에 이르는 전 과정을 처리해왔다. 이를 혼자서 해내기에는 어려운 점도 많았지만, 그는 기업을 이끄는 데 재미를 느끼며 점차 사업을 안정시켜왔다. 1인 기업으로서의 대응 범위를 넘어선 2017년부터는 법인을 설립해 2~3인 규모의 사업을 영위하고 있으며, 2020년 기준 연간 1,000~1,500건의 시료 분석을 수행하고 있다.

“AMS 측정은 시료 하나당 15분에서 30분 정도면 끝나는 작업입니다. 다만 유기물 물질을 가속기 측정에 맞게끔 흑연화하는 과정에서 오랜 시간이 소요되죠. 사람이 일일이 해야 하는 작업이라는 점 또한 방사성 연대측정의 속도를 늦추는 요인입니다. 저희는 방사성 탄소연대 측정시료의 전처리 작업을 도맡고 있으며, 만들어진 타깃을 한국지질자원연구원이나 키스트 등에 의뢰하고 있습니다.”

현재 연대측정을 위한 시료처리 과정은 한국지질자원연구원과의 협업으로 진행되고 있다. 한국지질자원연구원은 수십 종의 첨단분석장비를 토대로 매년 15,000개 이상의 각종 지질 환경 및 소재 관련 시료들에 대한 정성·정량분석, 광물감정 및 물성측정, 방사성 탄소연대측정을 지원하고 있다. 특히 AMS를 이용하여 12C, 13C, 14C 동위 원소비율을 측정한다. 구체적으로는 시료의 물리적 전처리와 화학적 전처리를 카본에널리시스랩이 담당하고, 흑연화과정은 한국지질자원연구원의 개방형 실험실에서 이루어진다. 이후 한국지질자원연구원에서의 AMS 측정이 이루어지면 카본에널리시스랩은 고객사로 결과보고를 수행한다.

카본에널리시스랩은 이러한 전처리 과정에 특화된 인력 및 백그라운드 시료(아소산분화에 생성된 목탄)를 확보하며 경쟁우위를 선점하고 있다. 최근에는 일본에 있는 전력연구원과 동경대학교 등에서 시료분석을 의뢰해오기도 한다. 성 대표는 화석연료에 기원한 탄소저감 기술 또는 규제를 위한 시험분석 등 여러 제도 기술에 맞춰 유연하게 대처하고 있다고 설명했다. 이러한 대응을 통해 기술개발 단가 및 규제분석 단가를 절약하는 것을 목표로 한다.

 

전자동 AAA 시스템 개발 등 빠르고 정확한 시료 분석 시스템 구축 위한 노력 이어가

㈜카본에널리시스랩은 최대 3개월 안에 측정 보고서 송부가 완료된다는 신속성을 자랑하는 외에도 IAEA에서 배급한 표준시료를 35개 기준 10~15개를 활용해 실험 데이터의 정확성을 높여가며 업계로부터 신뢰를 얻고 있다. 외국계 방사성 탄소연대측정 회사보다 저렴한 비용 또한 장점이다. 성기석 대표는 한국지질자원연구원과 함께 전자동 AAA(acid-alkali-acid) 시스템을 개발하여 분석시간을 단축한 것은 물론 중소기업 지원을 위한 여러 기술이전을 실행하며 경쟁력을 높여가고 있다고 덧붙였다. AAA 시스템은 부패하기 쉬운 목질(lignin) 부분을 효과적으로 제거하는 것은 물론, 시료가 퇴적된 상태에서 스며든 탄산염을 확실하게 제거할 수 있기에 시료 본래의 연대 정밀성을 높이는 전처리 방법이다.

“연대측정 분야는 신뢰성 높은 결과와 신속한 분석 서비스를 가장 중시합니다. 홍보에 집중하던 시기를 거쳐 설립 2년차부터는 공영시료를 활용해 신뢰성을 검증하는 작업을 수행해왔습니다. 설립 초기 고객사들은 외국계 방사성 탄소연대측정 회사 등에 동시에 의뢰하며 정확도를 확인하기도 했죠. 이제는 그간 쌓은 신뢰를 기반으로 매년 시료 분석 의뢰가 늘어나고 있는 상황입니다.”

성 대표는 유연한 근무환경을 조성하여 최대 2개월 내에 정확하고 신속하게 시험분석 결과를 제공하고자 노력해왔다. 시료 접수 시점에서 실험 결과 송부까지 6개월 이상이 소요될 경우, 서비스 비용의 50%를 환불할 것을 약속하는 등 시료 분석에 소요되는 시간 단축에 방점을 찍었다. 또한, 실시간 전화상담 및 요청 시 실험 진행사항을 알리는 등 고객과의 원활한 소통을 이어가며 서로간의 신뢰 구축에 힘쓰고 있었다.

 

다가오는 탄소중립 시대, 바이오매스 분야에서의 경쟁력 기대

탄소중립이 전 세계적 화두로 떠오르며 방사성 탄소연대측정에 대한 수요도 차츰 늘어나고 있다. 발굴조사기관 외에도 화석기원 유기물과 바이오기원 유기물의 함량을 관련 규제에 대응하기 위한 기업의 수요가 이어진다. 성기석 대표는 아직까지 관련 정책이 시행되지는 않았으나, 넷제로(net zero)에 대응하기 위한 움직임이 예측되는 만큼 업계의 흐름을 지켜보며 유연하게 대응하고자 한다고 설명했다. 향후 바이오매스 시장이 커진다면 투자유치에도 무게를 실으며 사업을 확장해갈 전망이다. ㈜카본에널리시스랩이라는 사명 또한 탄소중립 시대가 열리는 만큼 바이오매스 측정 분야로의 확장을 염두에 두고 만들었다. 현재 연대측정 및 바이오매스 시험분석을 수행하는 기관은 연구원이나 대학교가 대부분이며, 민간기업으로는 카본에널리시스랩이 최초이다.

카본에널리시스랩은 올 한해 시료 분석 의뢰에 대응하는 외에도 한국지질자원연구원과 함께 개발한 전자동 AAA(acid-alkali-acid) 시스템의 실용화를 이루어갈 전망이다. 현재 연구과제로 개발된 AAA 장치는 한국지질자원연구원이 보유하고 있으며, 연내 제작 및 설치를 마친다는 계획이다. 성 대표는 향후 다양한 자동화 장치를 개발하며 시료 전처리 과정의 효율을 높여가고자 한다고 설명했다.

“전자동 AAA 시스템의 실용화를 이룬다면 시료의 전처리에 소요되는 시간을 더욱 단축할 수 있을 것이라 기대합니다. 앞으로도 합리적인 비용과 신속하고도 정확한 분석 서비스를 선보이며 경쟁력을 키워가고자 합니다.”

방사성 탄소의 반감기를 이용해 연대를 계산하는 방사성 탄소연대측정은 탄소중립 시대를 맞이해 바이오매스 분석이라는 새로운 기회를 바라보고 있다. 신속하고 정확한 전처리 서비스를 제공하며 보다 효과적인 방사성 탄소연대측정을 구현해온 카본에널리시스랩이 다가오는 탄소중립 시대 속에서도 독자적인 역할을 수행할 것이라 기대된다.