고분자 구조를 튜닝해 기체 혼합물에서 이산화탄소를 선택적으로 투과할 수 있는 고효율 멤브레인(이하 분리막) 제조 기술이 국내에서 개발됐다. 이 기술은 화학 산업과 환경 분야에서 폭넓게 적용할 수 있어 향후 탄소중립 구현에도 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST는 배태현 생명화학공학과 교수 연구팀이 고분자 분리막 구조와 화학적 특성을 제어해 높은 효율로 이산화탄소를 분리·제거할 수 있는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
 

배태현 생명화학공학과 교수(오른쪽)와 이홍주 생명화학공학과 박사과정(왼쪽). KAIST 제공

분리막은 목표 물질을 선택적으로 투과시키는 박막으로, 저에너지 분리 기술로 주목받아 왔다. 단 기존에 고분자 분리막은 치밀한 구조를 가져 활용이 제한되는 단점 때문에 이를 대체하기 위해 일정한 미세 기공을 갖는 소재를 분리막으로 활용하는 등 기체의 투과 선택성을 높이려는 연구가 다수 수행됐다.

하지만 대부분 연구에서 분자체 분리막은 양산의 어려움과 복잡한 제조 과정, 낮은 강도 등으로 실제 공정에 사용하는 데는 어려움을 겪었다.

이와 달리 연구팀은 가공성 높은 고분자를 소재로, 비교적 제어가 쉬운 화학반응을 이용해 미세 기공을 형성함으로써 양산(저비용) 가능한 분자체 분리막을 구현하는 데 성공했다.

새로 개발된 분리막은 고성능이지만 쉽게 부서지는 탄소 분자체 분리막과 다르게 고분자 분리막에 준하는 기계·화학적 안정성과 유연성을 가진 것이 강점으로 꼽힌다. 무엇보다 대량 생산에 유리한 공정을 적용해 상업화에도 유리한 조건을 갖췄다.

현재까지 개발된 탄소 분자체 분리막 중 성능이 우수한 분리막에 버금가는 이산화탄소 분리 성능을 보이는 점도 눈여겨볼 지점이다.

새로 개발된 기술은 분리 공정에 따라서 맞춤형으로 튜닝이 가능해 다방면의 산업 분야에서 확대 적용이 가능한 범용성 기술로 평가받는다. 연구팀은 이 기술이 향후 석유화학산업·제약산업·친환경 신재생 에너지 사업 등 각종 화학 산업과 탄소중립 등 환경 분야 전반에서 적용·활용될 수 있을 것으로 기대한다.
 

분자 분리막이 화학 작용기로 튜닝된 분자체 분리막으로 진화하는 과정에 대한 모식도. KAIST 제공

이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 이홍주 박사과정이 제1 저자로 참여했다. 연구 성과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(온라인 4월 12일자)’에서도 소개됐다.

이홍주 연구원은 "새롭게 개발한 이산화탄소 분리막은 분자체 분리막 개념에 혁신적 패러다임 발전을 이끌어낸 것과 동시에 비교적 간단한 공정 과정으로도 이산화탄소 분리 성능을 확보할 수 있게 한다는 점에서 의미를 갖는다고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견 연구자 지원사업 및 선도 연구센터의 분산형 저탄소 수소생산 사업과 사우디 아람코-KAIST CO2 매니지먼트 센터의 지원을 받아 수행됐다.