경남과기대 오현철 교수팀, 다공성 물질 시스템 개발

경남과학기술대학교는 최근 에너지공학과 오현철 교수팀이 다공성 물질인 '금속-유기 골격체(MOF)'에 간단 처리를 해 중수소를 효율적으로 분리하는 시스템을 개발했다고 18일 밝혔다.


이번 연구는 문회리 UNIST 교수, 마이클 허셔 막스플랑크연구소 박사팀이 공동으로 진행했으며 강성구 울산대 교수가 참여했다.

이번에 개발한 시스템은 중수소 분리 원리인 '운동 양자체(KQS) 효과'와 '화학적 친화도 양자체(CAQS) 효과'를 동시에 구현한 최초 기술이다. 이 내용은 미국화학회지(JACS)(Impact Factor 13.858) 온라인 속보로 공개됐으며, 중요성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.

중수소는 수소에 중성자가 하나 더 있는 수소의 동위원소다. 이 물질은 미래 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전의 핵심원료이자, 원자력 발전과 연구용 장비 등에 쓰이는 대체 불가능한 자원이다. 그러나 지구상에 존재하는 중수소는 전체 수소 중 0.016%로 극히 미미하다. 또 수소 혼합물에서 중수소를 분리하기도 어려워 매우 비싸다.

중수소를 얻으려면 수소 혼합물에서 중수소만 골라내야 한다. 하지만 동위원소는 물리·화학적 성질이 비슷해 까다로운 분리 기술이 필요하다. 최근 과학자들은 양자효과가 극대화되는 '금속-유기 골격체(MOF)'를 설계해 중수소를 효율적으로 골라내는 기술을 개발하고 있다. 이른바 양자체 효과를 이용하는 전략이다.


지금까지 중수소 분리 기술에는 화학적 친화도 양자체 효과와 운동 양자체 효과를 각각 쓰는 전략이 시도됐다. 이와 달리 오현철·문회리 교수 공동 연구팀은 두 양자체 효과를 한 시스템에서 구현하는 전략을 제안했다. 둘을 합쳐 시너지 효과를 얻은 것이다.

연구진은 먼저 화학적 친화도 양자체 효과를 얻기 위해 중수소와 화학적 친화도가 높은 다공성 물질인 MOF-74를 선택했다. 그 다음 이 물질의 기공 내부에 이미다졸 분자를 도입해 구멍 크기를 조절했다. 수소보다 미세하게나마 작은 중수소만 통과시키도록 설계해 운동 양자체 효과를 구현했다.

이렇게 만들어진 다공성 물질 MOF-74-IM에서는 중수소가 조절된 구멍 내부로 빠르게 확산되는 동시에, 내부에 있는 흡착 자리에 화학적으로 강하게 달라붙을 수 있다. 이때 중수소 분리 인자는 최대 26을 나타냈는데, 수소 1개당 중수소 26개를 골라낸다는 의미다. 참고로 기존 다공성 물질을 이용한 중수소 분리 연구에서 보고된 분리 인자는 동일 온도에서 최대 6이었다.

오현철 교수는 "동위원소분리에 대한 신기술을 보유함으로써 세계 정밀기체분리시장을 선점할 수 있는 기반이 된다는 데 의의가 있다"며 "특히, 해당기술은 수소동위원소 뿐만 아니라, 헬륨과 같은 다른 동위원소, 또는 N2/CH4 같이 크기가 유사해 크기배제 방법으로는 분리가 어려웠던 문제를 단번에 해결하는 획기적인 기술이 될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 우수과학연구센터(SRC), 핵융합기초연구사업, 신진연구자지원사업 등이 지원했다.