Analysis of research trends for utilization of P-MFC as an energy source for nature-based solutions - Focusing on co-occurring word analysis using VOSviewer -

자연기반해법의 에너지원으로서 P-MFC 활용을 위한 연구경향 분석 - VOSviewer를 활용한 동시 출현단어 분석 중심으로 -

Abstract

Plant Microbial Fuel Cells (P-MFCs) are biomass-based energy technologies that generate electricity from plant and root microbial communities and are suitable for natural fundamental solutions considering sustainable environments. In order to develop P-MFC technology suitable for domestic waterfront space, it is necessary to analyze international research trends first. Therefore, in this study, 700 P-MFC-related research papers were investigated in Web of Science, and the core keywords were derived using VOSviewer, a word analysis program, and the research trends were analyzed. First, P-MFC-related research has been on the rise since 1998, especially since the mid to late 2010s. The number of papers submitted by each country was "China," "U.S." and "India." Since the 2010s, interest in P-MFCs has increased, and the number of publications in the Philippines, Ukraine, and Mexico, which have abundant waterfront space and wetland environments, is increasing. Secondly, from the perspective of research trends in different periods, 1998-2015 mainly carried out microbial fuel cell performance verification research in different environments. The 2016-2020 period focuses on the specific conditions of microbial fuel cell use, the structure of P-MFC and how it develops. From 2021 to 2023, specific research on constraints and efficiency improvement in the development of P-MFC was carried out. The P-MFC-related international research trends identified through this study can be used as useful data for developing technologies suitable for domestic waterfront space in the future. In addition to this study, further research is needed on research trends and levels in subsectors, and in order to develop and revitalize P-MFC technologies in Korea, research on field applicability should be expanded and policies and systems improved.

식물 미생물 연료전지(P-MFC)는 식물과 근계의 미생물 군집에서 전기를 생성하는 바이오매스 활용 에너지 기술로 지속가능한 환경을 고려하는 자연기반해법의 적정기술이다. 국내 수변공간에 적합한 P-MFC 기술 개발을 위해서는 국제적인 연구 동향에 대한 분석이 선행되어야 할 필요가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 Web of Science에서 조회되는 P-MFC 관련 연구논문 총 700편을 대상으로 동시 출현단어 분석 프로그램인 VOSviewer을 사용해 핵심 키워드를 도출하고 연구 동향을 분석하였다. 분석 결과, 첫째, P-MFC 관련 연구는 1998년부터 지속적으로 증가하고 있으며 특히 2010년대 중후반부터 크게 증가 추세에 있다. 국가별 논문 투고 수는 '중국'-'미국'-'인도' 순으로 가장 많았으며 2010년대 이후 P-MFC에 관해 관심이 커지기 시작해 수변공간과 습지 환경이 풍부한 필리핀, 우크라이나, 멕시코 등의 나라에서도 게재 수가 늘어나고 있는 것으로 나타났다. 둘째, 기간별 연구 경향의 경우, 1998년~2015년에는 다양한 환경에서 미생물 연료전지의 성능 검증에 대한 연구가 주를 이루었다. 2016년~2020년에는 미생물 연료전지 사용의 구체적인 조건, P-MFC의 구조 및 발전 방식과 관련된 연구가 주를 이루었다. 2021년~2023년에는 P-MFC 발전 과정의 제약 요소와 효율성 향상을 위한 구체적인 연구가 주로 진행되었다. 본 연구를 통해 파악된 P-MFC 관련 국제적 연구 동향은 향후 국내 수변공간에 적합한 기술 개발 시 유용한 자료로 사용될 수 있을 것이다. 향후 본 연구 외에 세부 분야별 연구 동향 및 수준에 대해서도 추가적인 연구가 필요하며 국내에서 P-MFC 기술의 발전과 활성화를 위해서는 현장 적용성에 대한 연구 확대와 정책, 제도적 개선도 병행되어야 할 것이다.

1. 서론

에너지는 매우 중요한 경제적 동인으로 세계 인구, 부와 기술 발전의 증가에 따라 에너지 수요가 급격히 증가하고 있다(Nepal et al., 2021). 에너지는 경제적 복지와 직접적 연관이 있고, 개발에는 에너지가 필요하며 에너지 절약은 경제성장에 제약을 줄 수 있다. 특히 개발도상국들의 경우 실제로 경제를 발전시키기 위해 미래에 더 많은 에너지가 필요하다.

그러나, 기존의 전기 에너지 생산은 대부분 화석 자원에 의존하고 있다. 생산되는 전기의 67% 이상이 석탄, 석유, 천연가스에서 생산되며 기타 원자력, 수력발전 및 풍력, 태양열 바이오 연료 및 폐기물을 포함한 기타 분야에서 생산되고 있다. 총발전량에서 화석 연료가 차지하는 비중은 지난 50년간 감소했으며 향후 수십 년 내에 더욱 감소할 것으로 예상된다(Keei, 2022). 화석 연료를 통한 발전은 온실 가스 배출 등 환경에도 악영향을 미칠 뿐 아니라 자원이 충분치 않은 지역에서는 특정 국가들에 의존해야 하는 에너지 불균형이 나타나 미래 전력 수요를 충족시키기 위한 대체 청정 및 녹색 에너지 기술을 추구하는 것이 지속 가능한 환경을 고려할 때 중요한 과제이다.

국제사회에서는 화석연료 사용 등에 의해 가속화된 기후 변화에 대응하기 위해 바이오매스를 활용한 신재생에너지 기술을 개발하고 있다. 바이오매스는 변동성 없이 확보가 가능하고 보유하고 있는 에너지가 풍부하여 지속 가능한 전기에너지 생산에 활용이 가능하다(Yoon, 2014). 특히, 바이오매스 기반 신재생 에너지 기술의 한 분야로서 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC) 기술에 주목하고 있다(Xu et al., 2016; Shuba and Kifle, 2018). 일반적으로 MFC란 미생물이 유기물을 분해할 때 자연적으로 발생하는 전자를 포집하여 전기 에너지로 전환하는 미생물 연료전지를 뜻하며 환경 폐기물의 유기물과 재생 가능한 바이오매스를 산화시켜 전기 에너지를 생성하는 혁신적인 접근방식을 나타낸다(Apollon et al., 2021). 그러나, MFC는 지속적인 양분 제공에 어려움이 있고, 산화 전극부의 미생물이 환원 전극에 생물막을 형성하기 때문에 전자의 회수율이 감소하는 등의 단점으로 아직 상용화에 제약이 있다(Cheng et al., 2021).

최근 자연 기반 해법이자 지속 가능한 에너지 기술 유형으로서 살아있는 식물의 생육 기작을 응용한 식물 미생물 연료전지(Plant-Microbial Fuel Cell, P-MFC) 연구가 많은 국가들에서 활발히 이루어지고 있다. P-MFC는 식물의 광합성 결과로 생성되는 유기물을 에너지원으로 사용하는 것이 특징으로 지속 가능한 환경과 생태계를 고려하는 적정기술로서 해외 선진국들을 중심으로 연구가 추진되어 오고 있다(Maddalwar et al., 2021). 기존의 P-MFC에 관한 연구는 식물, 전극, electrolyte의 종류와 배열, stacked system의 구성, 회로의 연결 방법, 시스템의 configuration 등에 대한 연구가 주로 이루어졌다(Lee, 2021). P-MFC는 일반적인 습지, 수변 환경의 수생식물에 적용할 수 있으며 물을 이용해 작물을 키우는 수경 재배지 등에서도 효과적으로 운영 가능한 기술로써 우리나라는 하천, 바다와 연접한 기수역 등 다양하고 광범위한 수변 습지, 식물자원 등을 보유하고 있어 P-MFC 기술을 활용한 미래 신사업 육성의 최적 기회 요소를 갖추고 있다.

특히, 대한민국 2050 장기 저탄소 발전전략 목표 달성을 위해서는 수력, 조력, 수상 태양광 등 물을 이용한 기존 신재생에너지 사업 외 광범위하게 보유한 수변 생태자원을 활용한 새로운 미래 에너지 기술 발굴의 선도적 역할이 필요하다. 또한, 세계 주요국의 탄소중립 선언으로 EU, 미국, 중국 등 주요국들은 기후테크 분야를 새로운 성장동력으로 육성하고자 대규모 투자를 진행하고 있으며 우리나라도 대통령 직속 ‘2050 탄소중립녹색성장위원회’를 통해 국가의 신성장동력으로서 기후테크를 육성할 정책 의지를 밝힌 바 있다(탄소중립녹색성장위원회, 2023). 이처럼 글로벌 기후 테크의 성장 전망을 고려할 때 에코테크, 지오테크 등의 융합적 기술인 P-MFC 분야에 대해서도 선제적이고 지속 가능한 연구와 투자가 필요한 시점이라고 할 수 있다.

그러나, 아직 국내에서는 P-MFC에 대해서 다양하고 많은 연구가 이루어지지 않고 있다. 농업 분야나 일부 식물의 건강 상태 모니터링에 국한된 연구가 시범적으로 이루어지고 있으며 P-MFC 기술을 고도화하고 현장 적용성과 이를 응용한 발전 효율, 스마트 환경시설 등의 적용에 대해서는 연구가 전무한 실정이다. 국내에 도입할 수 있는 P-MFC 기술의 연구 방향성을 설정하고 본격적인 연구 활성화를 위해서 국내외 연구 동향에 대한 우선적인 분석과 시사점을 도출해야 할 필요가 있다.

따라서 본 연구에서는 P-MFC 기술의 타당성 검증 및 국내 적용 방안 마련에 앞서 데이터 마이닝 기반의 동시 출현단어 분석 프로그램인 VOSviewer ver.1.6.19(Van Eck and Waltman, 2023)를 활용하여 WoS(Web of Science)에서 조회되는 문헌들을 대상으로 국제적인 연구 경향을 분석하였다. 이를 통해 현재까지의 P-MFC 연구 동향 및 향후 국내에서 추진해야 할 연구 방향에 대해 고찰하고자 하였다.

2. 연구방법

2.1 논문 서지 정보 자료 수집

논문 서지를 기반으로 한 P-MFC 연구 경향의 분석 순서도는 Fig. 1과 같다. 국제 학술지에 게재된 P-MFC 관련 연구 논문의 수집을 Web of science core collection의 SCIE database에서 관련 논문을 검색하였다. 검색어는 본 연구의 주제 단어인 ‘Plant microbial fuel cell’과 ‘P-MFC’을 선정하여 논문의 영문 제목, 영문초록, 저자 키워드에 등장하는 키워드를 검색하는 주제어(Topic) 검색을 이용하였다. 논문검색 기간은 WoS에서 최초로 조회되는 1998년 부터 2023년까지로 하였으며 게재된 논문의 연도 및 국가별 게재 건수 등에 대한 분석을 실시하였다. 국가 간 동시 검색된 자료는 국가별 분류가 불가능하여 이후 분석에서 제외하였으며 최종적으로 선택된 자료들의 서지 정보를 텍스트 형식(.txt)으로 추출하였다. 모든 문헌의 제목, 저자, 발행기관, 학술지명, 발행 연도, 주제어, 초록 등의 서지 정보를 텍스트 파일 형태(.txt)로 수집(crawling)하였으며 문헌별 제목, 초록을 추가 확인 후 중복, 부적합 등 오류 건을 제외하고 최종 문헌을 취합하였다.

Fig. 1. The process of keyword analysis

2.2 서지 자료의 텍스트 마이닝 분석

방대한 논문들에 대한 정량적인 연구 경향 분석을 위해 수집된 논문 서지 정보에 대한 분석은 국제적으로 널리 사용되고 있는 동시 출현단어 분석 프로그램인 VOSviewer ver.1.6.19를 활용하였다(Van Eck and Waltman, 2023). VOSviewer는 과학 지식지도 소프트웨어 중 하나로 네덜란드 레이던 대학교 과학연구센터(The Centre for Science and Technology Studies, CWTS)의 Van Eck와 Waltman이 2009년 개발한 JAVA 기반 소프트웨어이다(Kim and Han, 2023). 이는 핵심 단어들을 분석한 후 분석 결과를 그림으로 제공하여 가독성을 높여주는 오픈 소스 프로그램이며, 시각화를 통해 선정한 주제에 대한 연구기관, 핵심 단어, 연구자 등의 연결 관계를 확인할 수 있다(Kim and Kwon, 2022; Seok and Bahn, 2022). VOSviewer에서 동시 출현단어를 분석하는 과정은 입력된 자료들 내에서 키워드가 동시 출현하는 정도를 기준으로 하며, 결과는 군집화(clustering) 및 도표화(mapping)로 제시된다. 도표화된 단어 간의 위치는 높은 연관성을 갖는 단어일수록 가깝게, 낮은 연관성을 갖는 단어일수록 멀리 떨어져 위치한다(Peykari et al., 2015; Van Eck and Waltman, 2017; Lim et al., 2020).

동시 출현단어 분석에는 취합된 논문 서지 정보 중 제목(title), 주제어(keywords), 초록(abstract)을 활용하였다. 단어 수 산출 방식은 ‘binary counting’을 선택하였으며, 이는 출현 논문 수만을 집계하는 방법이다. 이후, 효과적인 핵심 단어 분석을 위해 전체 서지 정보에서 최소 7회 이상 출현하는 단어들만 분석에 활용하였는데 이는 7보다 큰 언급수를 설정하면 도출되는 핵심단어가 매우 적어 분석에 어려움이 있고 7번 미만으로 설정하면 관심 있는 연구 분야와 관련이 없는 핵심단어까지 도출되어 효과적인 분석을 어렵게 하기 때문이다. 연관성 점수(relevance score)는 60%로 설정하였다.

연구 결과는 주요 시기별로 연구 영역을 구분하고, 출현한 키워드를 기반으로 도표화하여 제시하였다. 이후, 단어 간의 연관 관계를 분석하여 단어들을 군집화(clustering)한 후 명명하였다. 단어의 군집 세분화 정도(clustering resolution)는 단어 군의 수가 안정적으로 유지되는 구간 중 최댓값으로 설정하였다. 연구 영역별로 출현 빈도가 높은 상위 키워드를 정리하고 이를 종합적으로 대표할 수 있는 주제를 분류한 후 연구 영역별 특성과 주요 연구 사례를 살펴보았다.

3. 연구결과 및 고찰

3.1 연도 및 국가별 관련 논문게재 경향 분석

WoS에서 1998년부터 2023년의 P-MFC 관련 논문을 검색한 결과, 게재된 논문은 총 700편으로 나타났으며 수집된 논문을 출반 연도별로 살펴보았다. P-MFC에 대한 최초의 연구논문이 출판된 연도는 1998년이었으며, 관련 논문의 게재 수는 1998년부터 2000년대 초반까지 매년 5편 이내로 나타났음을 알 수 있다. 2000년대 후반부터는 해마다 유동적이기는 하나 10편 이상으로 꾸준히 증가하는 추세로 나타났다. 특히, 2018년부터 2019년에 걸쳐 게재 수의 큰 증가가 있었다. 따라서 세계적으로 P-MFC와 관련된 연구는 전반적으로 상승세가 이어짐을 알 수 있다(Fig. 2).

Fig. 2. Number of P-MFC-related papers published by year.

국가별 투고 수는 ‘중국’-‘미국’-‘인도’ 순으로 가장 많았다. 그 중 중국이 165편으로 가장 많은 논문을 게재한 것으로 나타났다. 우리나라의 경우 36건이 게재된 것으로 확인되었으나 대부분 미생물 기반의 MFC 연구결과로 P-MFC의 직접적인 연구 논문 수는 미미한 것으로 파악되었다. 2010년대까지는 중국, 미국 등의 나라가 대부분의 논문 게재 수를 차지했지만, 이후 P-MFC에 관해 관심이 커지기 시작하며 필리핀, 우크라이나, 멕시코 등의 국가에서도 게재 수가 늘어나고 있는 것으로 나타났다(Fig. 3). 이는 경제를 발전시키기 위해 더 많은 에너지가 필요한 개발도상국들에서 수변공간의 풍부한 식물 자원을 이용한 친환경 에너지원으로써 P-MFC에 대한 활용 잠재력에 대한 관심과 연구가 증가함에 따른 경향으로 판단되었다.

Fig. 3. Number of P-MFC-related papers published by major countries.

* Countries with less than 10 cases are not expressed

3.2 기간별 연구경향 분석

전체 700편의 관련 논문에 대해 총 16,635개의 단어 중 600개가 핵심단어로 나타났으나 이 중 60% 이상의 관련성을 가지는 단어(360개)를 대상으로 분석을 진행하였다. 시기별 P-MFC 관련 분야의 핵심단어, 연구 동향 분석을 위해 1998년∼2015년, 2016년∼2020년, 2021년∼2023년으로 기간을 나누어 동시 출현 핵심단어를 분석하였다.

1) 1998∼2015년 분석 결과

1998년부터 2015년까지의 핵심단어 분석 결과는 Fig. 4와 같다. 해당 기간에 게재된 논문의 수는 총 185편, 핵심단어는 총 147개가 추출되었으며 그중 관련성이 60%가 넘는 88개의 단어를 대상으로 분석을 진행해 총 3영역의 클러스터로 분류되었다.

Fig. 4. Key Word Analysis Results (1998~2015).

(Red-Cluster 1, Green-Cluster 2, Blue-Cluster 3)

클러스터1은 Production(생산량)이 주된 연구 분야로 바이오매스 등을 활용한 생물 연료의 생산 및 발전량에 관한 연구가 주를 이루었다. 클러스터1에 해당하는 대표적인 연구 논문사례 중 Helder et al.(2010)은 P-MFC에서 세 개의 식물이 동시에 바이오매스와 생체 전기를 생산하고 전력출력을 극대화하기 위한 시험을 진행했으며, 토양의 영양분 가용성과 혐기증을 유발해 P-MFC의 전력출력에 따른 불안정한 성능 등을 분석하였다.

클러스터2는 Fuel cell(연료전지)이 주된 연구 분야로 폐수 등을 이용한 연료전지의 효율에 관한 연구가 주를 이루었다. 클러스터2에 해당하는 대표적인 연구 논문사례 중 Lee et al.(2010)는 MFC에서 폐수 내의 유기물 및 영양소가 오염 처리과정 중 연료로 사용되며, 폐수 내 일부 박테리아가 처리 과정에서 MFC의 안정적 이용에 중요한 역할을 수행할 수 있음을 시사했다. 또한 다른 연구 논문 사례인 Daniel et al.(2009)는 미생물 연료 전지를 사용한 전력 생산원으로서의 폐수의 중요성을 강조하며, 폐수에서의 근권 생장 촉진 미생물 및 페리시안화칼륨으로 구성된 미생물 연료전지를 사용한 최대 전기 출력량과 COD 감소량을 제시하였다.

클러스터3은 Soil(토양)이 주된 연구분야로 토양에서 Geobacter과 같은 혐기성 세균과 식물의 전력생산에 관한 연구가 진행되었다. 클러스터3에 해당하는 대표적인 연구 논문사례 중 Kaku et al.(2008)는 벼와 논을 사용한 전력 생산 시 MFC 시스템 적용에 관한 연구를 진행하였으며, 낮 시간의 차광 및 아세테이트 보충을 통한 야간 전력 생산량을 바탕으로 논밭의 발전 시스템이 광합성과 미생물의 유기물을 전기로 전환시키는 역할을 함을 시사했다.

해당 기간은 미생물 연료전지와 관련된 연구가 등장하기 시작한 시점으로 생산성, 연료전지를 중심으로 전체적인 단어 분포를 보였으며 토양, 폐수 등의 다양한 환경에서 미생물 연료전지의 성능을 검증하는 연구가 진행되었다. 그러나 클러스터1, 2간의 거리가 분명하고 중심이 되는 하나의 단어가 존재하지 않아 영역 간 연관성은 적은 것으로 나타났다. 이 기간에는 식물을 직접적으로 활용한 MFC 관련 연구는 미미했으나 식물이 생육할 수 있는 토양, 수환경에서 미생물 연료전지의 성능과 관련된 기초적인 연구가 진행됨에 따라 P-MFC 발전이 가능한 구체적인 잠재 환경 조건에 대한 연구로의 전환 필요성을 시사한다.

연구분야별 상위 핵심단어 언급 순서는 Table 1과 같다. 핵심단어 언급 횟수가 가장 많은 단어는 Production, Fuel cell, Soil 등이다.

Table 1. Top occurring keywords in different clusters from 1998 to 2015.

2) 2016∼2020년 분석 결과

2016년부터 2020년까지의 핵심단어 분석 결과는 Fig. 5와 같다. 해당 기간에 게재된 논문의 수는 총 284편, 핵심 단어는 총 227개가 추출되었으며 그중 관련성이 60%가 넘는 136개의 단어를 대상으로 분석을 진행해 총 4영역의 클러스터로 분류되었다.

Fig. 5. Key Word Analysis Results (2016~2020).

(Red-Cluster 1, Green-Cluster 2, Blue-Cluster 3, Yellow-Cluster 4)

클러스터1은 Production, lignocellulose 등이 주된 연구 분야로 식물 세포벽과 같은 식물 구성 요소들을 사용한 연료 발전에 관한 연구가 주를 이루었다. 클러스터1에 해당하는 대표적인 연구 논문사례 중 Gandla et al.(2018)에서는 리그닌세룰로스 공급 원료가 미생물 발효과정을 통한 당을 생산해 바이오 기반 원료, 화학 물질 및 재료에 대한 재생에너지의 생물 정제 과정에서 중요한 자원임을 시사했다.

클러스터2는 wastewater treatment, wetland 등이 주된 연구 분야였다. 클러스터2에 해당하는 대표적인 연구 논문 사례 중 Oon et al.(2017)에서는 상향식 습지-미생물 연료 전지에서 폐수 처리 및 생체전기 생성에 대한 식물 및 탄산 가스 포화의 효과를 연구하였다.

클러스터3은 cell, removal efficiency, COD 등이 주된 연구 분야로 식물을 사용한 효과적인 폐수 처리 및 전기 생산을 위한 방법에 관한 연구가 주를 이루었다. 클러스터3에 해당하는 대표적인 연구 논문사례 중 Zhao et al.(2018)에서는 갈대가 심어진 인공습지 및 다단형 낙차공이 조성된 인공습지의 모듈을 결합한 새로운 형태의 미생물 연료전지 모듈에 폐수 처리 및 플라타너스 잎 침지액을 사용한 전기 생산을 시도하였다. 또한 다른 연구 논문사례인 Yong et al.(2020)에서는 도시 폐수 처리 과정에서 오염물질 제거 및 생물 전기 생산시 식물 사용에 대한 연구를 진행하며 노랑꽃창포를 사용한 미생물 연료전지 효율에 대한 수치적 근거를 제시하였다.

클러스터4는 본격적으로 P-MFC라는 단어가 주가 되는 영역으로, P-MFC를 비롯해 Biosensor, Renewable energy, Solar energy 등이 주된 연구 분야로 나타났다. 클러스터1에 해당하는 대표적인 연구 논문사례 중 Pamintuan et al.(2020)에서는 필리핀에서 사용되는 화석연료의 의존도를 줄이기 위해 지열 등의 재생에너지 이외에 P-MFC가 대체제가 될 수 있는지에 관한 연구를 진행했으며, 특히 이 실험은 흔히 가정에서도 재배할 수 있는 식용 식물을 대상으로 P-MFC의 발전 성능을 위한 효과적인 셀의 배치 방식과 기술 확대 가능성을 제시하였다.

해당 기간 중 2018~2019년에 논문 게재 수의 가장 큰 증가가 나타났으며 본격적으로 P-MFC와 연관된 연구가 진행된 기간이다. 첫 번째 분석 기간인 1998~2015년의 핵심 단어 분포와 달리 ‘Cell’을 중심으로 모든 클러스터가 인접하게 분포해 있어 클러스터 간의 연관성도 증가했음을 의미한다. 특히 클러스터2, 3의 연관성이 큰 것으로 보이며 클러스터2는 폐수 및 습지에서의 활동성 세균을 바탕으로 한 생체 전기 발전을 위주로, 클러스터3에서는 식물을 사용한 효과적인 폐수 처리를 위한 방법에 관련된 단어가 분포했다. 이는 여전히 수변 환경에서 미생물 연료전지의 효율에 대한 연구가 진행되고 있으며 이전보다 구체적인 환경과 식물을 제시하고 있음을 시사한다. P-MFC가 직접적으로 언급된 클러스터4에서는 신재생 에너지로서의 P-MFC의 구조 및 발전 방법에 대한 연구가 진행되었음을 확인할 수 있었다. 이러한 단어의 분포를 바탕으로 해당 기간에 단순히 P-MFC 관련 연구가 증가했을 뿐만 아니라 적용 환경, 식물, 구조와 관련된 세밀한 연구가 진행되었음을 의미한다. 하지만 본격적으로 P-MFC를 적용함에 있어 적용 환경의 한계, 구조적 문제, 식물 선정과 같은 제약 사항이 발생할 수 있으므로 추후 이를 개선할 수 있는 연구가 필요할 것으로 판단된다.

연구분야별 상위 핵심단어 언급 순서는 Table 2와 같다. 핵심단어 언급 횟수가 가장 많은 단어는 Production, Wastewater treatment, Cell, P-MFC 등이다.

Table 2. Top occurring keywords in different clusters from 2016 to 2020

3) 2021∼2023년 분석 결과

2021년부터 2023년까지의 핵심단어 분석 결과는 Fig. 6과 같다. 해당 기간에 게재된 논문의 수는 총 30편, 핵심단어는 총 207개가 추출되었으며 그중 관련성이 60%가 넘는 124개의 단어를 대상으로 분석을 진행해 총 4영역의 클러스터로 분류되었다.

Fig. 6. Key Word Analysis Results (2021~2023).

(Red-Cluster 1, Green-Cluster 2, Blue-Cluster 3, Yellow-Cluster 4)

클러스터1은 Source, Organic compound 등이 주된 연구 분야로 본격적으로 바이오매스와 유기화합물 등을 사용한 전략을 세우기 위한 연구가 주를 이루었다. 클러스터1에 해당하는 대표적인 연구 논문사례 중 Wareen et al.(2023)은 막화 침전물 식물 미생물 연료전지(SPMFC)가 수생 식물과 함께 폐수 처리를 위한 동력이 될 수 있을지에 관해 연구했으며, 효과적인 접근이 될 수 있다는 가능성을 제기했다.

클러스터2는 해당 기간 분석 중 P-MFC와 가장 큰 연관성을 나타냈다. 대표 키워드는 P-MFC를 비롯한 Plant root, electrion, soil 등 이었으며 대표적인 연구 논문사례 중 Tongphanpharn et al.(2023)은 P-MFC 운영에 식물 종류와 토양조건이 미치는 영향을 조사하였으며, P-MFC의 전력 출력이 다양한 식물과 폐기물 바이오매스로 만든 토양 개량제에 의해 영향을 받을 수 있음을 시사했다.

클러스터3은 Cell, Nitrogen, Wetland 등이 주된 연구 분야로 대표적인 연구 논문사례 중 Wang et al.(2021)은 자연습지에 대한 P-MFC 적용의 제약사항과 기상조건, 토양 산도 등이 큰 영향을 미치는 것으로 발표했다.

클러스터4는 Remediation, Sediment microbial fuel cell, Sediment 등이 주된 연구분야로 나타났으며, 침전물을 사용한 미생물 발전 연료 분야에 해당한다.

분석을 통해 나타난 키워드를 통해 이전 분석 기간에 비해 P-MFC와 직접적으로 관련된 클러스터의 영역이 커진 것을 확인할 수 있으며, 이는 P-MFC와 관련된 연구가 상당히 발전했음을 시사한다. 또한 이전과 동일하게 ‘Cell’을 중심으로 모든 클러스터가 인접하게 분포해 있으며, 특히 클러스터1, 2의 위치를 보았을 때 두 영역 간의 연관성이 높다고 판단할 수 있다. 클러스터1에서는 유기화합물 등을 사용한 동력 생산을 위한 전략 연구를 위주로, 클러스터2는 P-MFC의 효과적인 발전 및 과정을 도출하기 위한 식물종, 방법, 환경 등과 관련된 단어가 분포했다. 클러스터3은 이전 기간들과 같이 수변환경에서의 P-MFC의 효율 및 작동 원리와 관련된 단어가 분포했다. 이러한 단어의 분포를 통해 발전 과정에서 영향을 미치는 요소를 찾고 습지와 같은 환경이 아닌 다양한 환경에서 효율적으로 P-MFC를 적용하고자 하는 연구들이 진행됨을 확인할 수 있다. 그러나, 화석연료 대체원으로서의 역할로는 여전히 효율성에서 제약을 나타내며 이를 보완하기 위해 다양한 연구가 필요함을 시사한다.

연구분야별 상위 핵심단어 언급 순서는 Table 3과 같다. 핵심단어 언급 횟수가 가장 많은 단어는 Source, Plant microbial fuel cell, Cell, Remediation 등이다.

Table 3. Top occurring keywords in different clusters from 2021 to 2023.

4. 결론

P-MFC는 식물과 근계의 미생물 군집에서 전기를 생성하는 새로운 바이오매스 활용 에너지 기술이자 지속 가능한 환경과 생태계를 고려하는 적정기술로서 우리나라와 같이 습지, 하천 등 수변공간 자원이 풍부한 지역에 광범위하게 적용할 수 있는 자연기반해법의 기술이다. 국내 환경에 적합한 P-MFC 기술 개발을 위해서는 국제적인 연구 동향과 수준에 대한 분석과 이해가 선행되어야 할 필요가 있다.

본 연구에서는 1998년~2023년까지 WoS에서 조회되는 P-MFC 관련 연구 논문 총 700편을 대상으로 동시 출현단어 분석 프로그램인 VOSviewer을 사용해 핵심단어를 도출하고 분석하였다. 분석 결과, 첫째, P-MFC 관련 연구는 1998년부터 현재까지 지속해서 진행되고 있으며 2010년대 중후반에 들어 주목받기 시작했다. 2010년대까지는 중국, 미국 등의 나라가 대부분의 논문 게재 수를 차지했지만 이후 P-MFC에 관해 관심이 커지기 시작하며 필리핀, 우크라이나, 멕시코 등 수변환경이 풍부한 개발도상국들을 중심으로 게재수가 증가하고 있는 것으로 나타났다. 둘째, 기간별 연구 경향은 1998년~2015년의 경우, 미생물 연료전지 관련 연구가 나타난 시점으로 다양한 환경에서 미생물 연료전지의 성능 검증이 주가 되었으며, P-MFC의 직접적인 언급은 미비했다. 2016년~2020년의 경우, 본격적으로 P-MFC와 연관된 연구가 진행되기 시작한 시점으로, 미생물 연료전지 사용에 있어 구체적인 조건을 제시하였다. 또한 P-MFC의 구조와 발전 방법에 관한 연구가 진행되고 있음을 확인할 수 있었다. 2021년~2023년은 P-MFC와 관련된 연구가 상당히 발전한 기간으로, P-MFC의 발전 과정의 제약 요소를 찾고, 효율적인 사용 조건 및 다양한 적용 환경 등을 찾기 위한 구체적인 연구가 진행되는 것으로 나타났다.

현재 화석연료와 같이 재생 불가능한 에너지가 고갈되고 있는 상황에서 P-MFC는 여러 가지 기술 및 환경적 제약으로 인해 아직 가용범위가 국한되어 있어 화석연료를 대체할 자원으로 사용되지 못한 상황으로 판단된다. 하지만 2010년 중후반부터 P-MFC의 사용 및 발전 효율을 증가시키기 위한 환경 조건 및 소재 등에 관한 연구가 지속해서 이뤄지고 있는 것으로 나타났다. P-MFC가 현재 습지와 같은 수변환경에서부터 폐수 정화 영역까지 긍정적 효과를 보이는 만큼 하천, 습지 식생이 풍부한 국내에서도 지속적으로 폭넓은 연구가 추진되어야 할 것으로 판단된다.

향후 본 연구 외에 세부 분야별 연구 내용 및 수준에 대해서도 추가적인 연구가 필요하며 이러한 연구 결과를 바탕으로 국내에서 P-MFC 설치 적지 도출 및 적용을 위한 평가, 설계 인자 등에 대해서도 계량적인 연구가 진행되어야 할 것이다. 또한, 오탈자, 단어 중복 등과 같은 서지정보 검색 과정의 오류로 인한 키워드 도출의 정확성 또한 개선되어야 할 점으로 판단된다. 아울러 P-MFC 기술이 미래 세대를 위한 탄소중립 및 스마트 그린인프라 기술의 신유형으로서 발전해 나가기 위해서는 다양한 측면의 연구와 더불어 정책, 제도적 개선도 함께 이루어져야 할 것이다.