- KAIST 생명화학공학과 배태현 교수 연구팀, 고성능 이산화탄소 분리막 개발

- 제어가 쉬운 화학반응 적용해 기능성 미세 기공을 만들어 고분자 분리막에 기체 투과

- 범용기술로서 이산화탄소 분리뿐만 아니라 다양한 분리 공정에 적용해 에너지 저감 

KAIST 생명화학공학과 배태현 교수, 생명화학공학과 이홍주 박사과정

한국 연구진이 고분자 구조를 체계적으로 튜닝해 기체 혼합물에서 이산화탄소를 선택적으로 투과시키는 고효율 멤브레인(분리막) 제조 기술을 개발했다. 이를 통해 수많은 화학 산업 및 환경 분야에서도 넓게 적용이 가능하여 탄소중립 구현에 크게 기여할 것으로 기대된다.

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 배태현 교수 연구팀이 고분자 분리막의 구조와 화학적 특성을 전략적으로 제어해 높은 효율로 이산화탄소를 분리 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

멤브레인(분리막)은 목표 물질을 선택적으로 투과시키는 박막으로 정의되며, 저에너지 분리 기술로 주목을 받아 왔다. 하지만 기존의 고분자 분리막은 치밀한 구조를 가져 활용이 제한되는 단점이 있어 이를 대체하기 위해, 일정한 미세 기공을 갖는 소재를 분리막으로 활용해 기체의 투과 선택성을 높이려는 연구가 많이 수행됐다. 하지만 기존의 분자체 분리막들은 양산에 어려움이 있고 제조 과정이 복잡하며 강도가 부족해 실제 공정에 사용하기에 적합하지 못하다는 단점을 극복하지 못했다.

연구팀은 가공성 높은 고분자를 소재로 하고, 제어가 쉬운 화학반응을 이용하여 미세 기공을 형성함으로써 저비용으로 양산이 가능한 분자체 분리막을 구현했다. 사전에 전략적으로 디자인된 고분자에는 다양한 화학 작용기를 도입할 수 있는데, 이번 연구에서는 고분자 분자체 분리막에 이산화탄소의 선택투과성을 높이기 위해서 아미노 그룹*을 도입시켰다.

*아미노그룹: 질소원자에 수소가 결합된 화학작용기 (-NH2)

고분자 분리막이 화학작용기로 튜닝된 분자체 분리막으로 진화하는 과정 모식도

단계적 변화 과정에서 나타나는 분리막의 기체 분리 성능 변화

새로 개발된 분리막은 고성능이지만 쉽게 부서지는 탄소 분자체 분리막과 달리 고분자 분리막에 준하는 기계·화학적 안정성이 높고 유연성을 지녔다. 또한 대량생산에도 유리한 공정을 적용해 상업화에도 유리한 조건을 갖추고 있다.

현재까지 개발된 탄소 분자체 분리막 중 성능이 우수한 분리막들에 버금가는 이산화탄소 분리 성능을 보이며 이번에 개발된 기술은 적용되는 분리 공정에 따라서 맞춤형으로 튜닝이 가능해, 차후 여러 산업 분야로 확대 적용이 가능한 범용성 기술이다.

KAIST 생명화학공학과 이홍주 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 4월 12일자 온라인 게재됐다. (논문명 : Mechanically stable polymer molecular sieve membranes with switchable functionality designed for high CO2 separation performance)

제1 저자인 이홍주 연구원은 "이번 연구에서 개발한 이산화탄소 분리막은 분자체 분리막 개념에 혁신적인 패러다임 발전을 이끌었을 뿐만 아니라 비교적 간단한 공정 과정으로도 고분자 소재에서는 달성하기 어려웠던 이산화탄소 분리 성능을 확보하는 데 성공했다ˮ 라며 "고분자 분리막이나 탄소 분자체 분리막을 적용하고자 했던 여러 화학 산업에 적용가능한 훌륭한 대안을 제시한 연구ˮ 라고 말했다.

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

□ 연구개요

1. 연구 배경

혼합물의 분리는 혼재한 물질 사이에서 원하는 물질만을 분리 해내어 고부가가치를 창출하거나 불순물을 배제해 순물질 수준으로 원하는 물질의 순도를 높이는 방향으로 크게 나뉜다. 분리라는 개념에서 가장 직관적인 방식이라면 크기가 다른 고체 혼합물을 구멍의 크기가 다른 체를 사용해 분리 해내는 형태가 있을 것이다. 분리막을 매개로 하는 혼합물 분리 중에서도 명확히 정의된 기공을 갖는 분자체 분리막을 이용한 분리는 성상(phase)에 구애받지 않고, 분자가 크기에 따라 선택적 투과를 하는 양상을 보이게 한다.

실용적인 수준에서 분자체 분리막이 성상(phase)에 구애받지 않기 위해서는 분리막 소재의 충분한 기계적 화학적 강도 확보가 핵심적이다. 하지만 기존의 분자체 분리막의 소재로 사용되는 대표적인 사례인 제올라이트와 탄소의 경우 분자체의 기능을 하는 영구적인 기공을 갖고 있으나 소재의 내구성이 산업화 단계로 이어지기에는 불리하다. 또한, 제조 과정에서 요하는 과정과 조건이 까다롭고 비용적인 측면에서도 경제적이지 못하다. 따라서 본 연구에서는 기존의 공정과 대비해 현격히 낮은 온도 조건에서의 화학반응만으로 분자체 분리막을 구현하는 기술을 개발하고자 했다.

2. 연구 내용

이번 연구에서 제시하는 고분자 소재의 분자체 분리막을 구현함에 있어서의 핵심은 화학결합으로 영구 기공을 형성하는 것이다. 나아가 기존의 분자체 분리막 소재에서 구현이 어려웠던 추가적인 화학적 특성 변화를 위해, 고분자 소재를 디자인하는 단계에서 필요에 따라 다양한 화학적 특성을 부여할 수 있고 이에 따라 표적 물질에 대해 맞춤형으로 대응할 수 있는 성질을 부여했다. 개발된 고분자 소재의 분자체 분리막은 유리상 고분자와 유사한 수준의 기계적 강도를 가졌으며 기본의 분자체 분리막 소재와 달리 충분한 유연성을 지녀 보조적인 구조물 없이도 소재 자체의 활용이 가능했다. 본 연구를 통해 개발한 분리막을 배가스 분리를 모사한 현실적인 조건에서 평가했다. 고분자 분리막에서 화학반응을 통해 분자체 분리막으로 전환된 후 분리막은 무수한 미세다공성을 바탕으로 투과 성능이 급격히 향상되었고, 기능화된 고분자 소재 분자체 분리막은 고성능 탄소 분자체 분리막과 비교해 우수한 이산화탄소 선택성을 보였다. 가장 우수한 성능을 보인 분리막 내에서의 기체분자의 이동 메커니즘을 살펴보았을 때, 분자체 분리막에서 핵심적으로 작용하는 확산 효과를 손해 보지 않는 수준에서 상호작용력을 극대화한 방향으로 이동 메커니즘 개선이 이루어졌음을 확인할 수 있었다.

3. 기대 효과

개발된 기능성 다공성 분자체 분리막은 구상 단계에서 모든 세부 사항을 지정하지 않더라도 유연성 있게 분리막의 특성에 변화를 줄 수 있고, 상황에 따라 신속한 대처가 가능하게 한다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 기계적으로 그리고 화학적으로 높은 안정성을 보이기에 기술적인 장점 이외에도 현실성 있게 산업현장에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 더 나아가 온실가스 저감 측면의 기체 혼합물 분리에 그치지 않고, 석유화학산업, 제약산업, 친환경 신재생 에너지 사업 등 각종 화학 산업 및 미래 기술 전반에까지 적용이 가능한 요소 기술에 대한 개발은 분리 기술이 필요한 공정에 4차 산업혁명에 견줄만한 패러다임의 변화를 불러 일으킬 것으로 기대되는 바이다.

KAIST 홍보실 제공