KAIST 연구진이 고분자 내부에 수소만 선택적으로 통과할 수 있는 옹스트롬(Å) 수준의 초미세 통로를 촘촘하게 연결하고, 수소 분리 성능을 높이는 새로운 분리막 설계 전략을 제시했다.
KAIST는 생명화학공학과 배태현 교수 연구팀이 고분자 분리막 내부에 원자나 분자 크기인 옹스트롬 수준의 초미세 수소 이동통로를 만들고, 이 통로가 얼마나 완전하게 연결돼 있는지를 나타내는 ‘네트워크 완결성(Network Completeness)’을 통해 수소 분리 성능을 규명했다고 13일 밝혔다.
1Å은 100억 분의 1미터로 머리카락 굵기의 약 100만 분의 1 수준이다. 수소는 사용할 때 이산화탄소를 배출하지 않아 미래 친환경 에너지원으로 주목받고 있지만, 생산 과정에서 이산화탄소와 질소 등 다른 기체와 함께 나오는 경우가 많아 높은 순도로 분리·정제하는 기술이 필요하다.
이를 위한 방법 가운데 하나가 작은 수소는 통과시키고 상대적으로 큰 다른 기체는 걸러내는 분리막이다. 그동안 기체 분리에는 미세한 구멍을 정밀하게 설계할 수 있는 금속유기골격체(MOF)와 공유결합유기골격체(COF) 같은 다공성 소재가 주목받았지만, 결함 없이 넓은 면적으로 만들기 어렵다는 한계가 있었다.
고분자 분리막은 얇고 넓게 만들기 쉽고 가공이 편해 산업적 활용에 유리하지만, 기체가 지나가는 미세 공간을 원하는 크기로 정밀하게 만드는 데 어려움이 있었다.
연구팀은 정밀한 구멍을 만들 수 있는 소재의 특성과 가공하기 쉬운 고분자의 장점을 결합했다. 고분자 사슬을 서로 이어주는 연결 물질인 ‘가교제’를 활용해 작은 수소가 지나갈 수 있는 초미세 통로를 고분자 내부에 형성했다.
특히 연구팀은 연결의 개수보다 연결이 얼마나 완전하게 이뤄졌는지가 중요하다는 점에 주목했다. 이를 바탕으로 고분자 내부의 연결 완성도를 나타내는 ‘가교 연결 완성도(Bridge Connectivity Degree, BCD)’라는 새로운 지표를 제안했다.
연구팀이 개발한 분리막 ‘ms-oDMB-DB50’은 가교 연결 완성도 73%를 기록했다. 이에 따라 수소가 분리막을 통과하는 성능과 질소가 섞인 기체에서 수소를 선택적으로 분리하는 성능이 원재료인 DB50보다 동시에 크게 향상됐다.
분리막 내부에는 3Å 이하의 초미세 공간도 다수 형성된 것으로 확인됐다. 연구팀은 수소보다 작은 헬륨 분자가 접근할 수 있는 공간을 확인하는 방식으로 초미세 구멍의 존재를 실험적으로 규명했다.
산업 현장 활용을 위한 안정성과 내구성도 확인했다. 개발된 분리막은 100시간 동안 연속 운전해도 수소 분리 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 유지됐다. 잡아당기는 힘에 견디는 정도도 기존 최고 성능 수준의 고분자 분리막보다 약 2배 높았다.
연구팀은 이번 연구를 통해 고분자 내부에 작은 공간을 많이 만드는 것보다 이 공간들을 서로 연결해 수소가 이동할 수 있는 온전한 통로를 만드는 것이 수소 분리 성능에 중요하다는 점을 규명했다. 이를 바탕으로 수소가 지나가는 통로의 완성도를 측정하고 분리막을 설계할 수 있는 기준을 제시했다.
연구팀은 향후 이 원리를 분리 대상 기체의 크기와 특성에 맞는 초미세 통로를 만드는 맞춤형 분리막 개발에 적용할 수 있을 것으로 보고 있다. 다양한 고분자 분리막으로 확장될 경우 수소 정제뿐 아니라 이산화탄소 포집과 천연가스 정제 등 특정 기체를 선택적으로 분리하는 분야에도 활용할 수 있다.
이홍주 박사는 “이번 연구는 고분자 내부의 작은 통로가 얼마나 완전하게 연결돼 있는지가 수소 분리 성능을 좌우한다는 사실을 밝힌 것”이라며 “이를 바탕으로 더 정교한 고성능 분리막을 설계할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
배태현 교수는 “레고 블록을 맞추듯 고분자를 촘촘하게 연결해 수소만 빠져나갈 수 있는 초미세 그물망을 만들었다”며 “향후 수소를 보다 효율적으로 분리·정제하는 기술로 발전할 수 있을 것”이라고 말했다.
헬로티 이동재 기자 |
