국내 연구진이 레이저를 이용해 이산화탄소(CO₂) 포집 소재의 성능을 최대 75%까지 끌어올리는 기술을 개발했다.
한국재료연구원(KIMS)은 이희정 선임연구원팀이 경북대 박성환 교수, 영남대 김민규 교수 연구팀과 공동으로 금속유기골격체(MOF)의 내부 구조를 레이저로 정밀 제어해 이산화탄소 흡착 성능을 높이는 데 성공했다고 13일 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '스몰'(Small)에 지난 3월 12일 온라인 게재됐다.
이산화탄소와 메탄(CH₄) 같은 혼합가스 분리는 천연가스 정제, 에너지 효율 향상 등에 필수적이며 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술로 꼽힌다. 기존에는 액체 흡수법이나 극저온 분리법이 사용됐지만, 에너지 소모가 크고 운용 비용이 높은 단점이 있었다.
대안으로 스펀지처럼 미세한 구조를 가진 다공성 소재를 이용한 흡착 분리 기술이 주목받아왔다. 특히 MOF는 내부 표면적이 넓고 구조를 조절하기 쉬워 유망한 소재로 여겨졌으나, 합성 과정에서 발생하는 구조적 결함으로 인해 기공 구조가 불균일해지는 문제가 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 화학적 처리 없이 레이저로 MOF 내부 결함과 기공 구조를 정밀 제어하는 '레이저 유도 다공성 공학'(LIPE) 기술을 개발했다. 이 기술은 소재를 빠르게 가열하고 냉각시켜 결함 구조를 재배열하고 기공의 균일성을 높인다. 그 결과 이산화탄소 흡착에 불리한 큰 기공은 줄이고, 포집에 유리한 미세 기공과 표면 특성이 형성된다.
이 기술을 적용한 MOF는 비표면적이 최대 94% 증가했으며, 이산화탄소 흡착 용량은 최대 75% 향상됐다. 기존 화학·열처리 방식과 달리 레이저 공정만으로 기존 결함을 재배열해 성능을 개선하는 방식이다.
연구팀은 저렴한 소재로 만든 MOF의 성능도 레이저 후처리만으로 향상시킬 수 있어 비용 절감과 공정 단순화를 동시에 달성할 수 있다고 설명했다. 향후 천연가스 정제, 수소·메탄 생산 공정 등 다양한 가스 분리 산업에 적용될 것으로 기대된다.
이희정 재료연 선임연구원과 박성환 경북대 교수는 "저에너지·대면적 공정이 가능해 차세대 탄소 포집 및 가스 분리 산업의 핵심 솔루션이 될 것으로 기대한다"고 말했다.