[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

중수소는 ‘인공태양’이라고 불리는 핵융합에 필요한 핵심 청정 에너지원이며, 다양한 산업과 과학 분야에서도 필요한 미래 자원이다. 하지만 중수소를 얻는 일을 쉽지 않다. 중수소가 수소 혼합물에서 차지하는 비율이 0.016%로 매우 낮고, 수소 혼합물과 중수소의 물리‧화학적 성질이 매우 비슷해 분리하기 까다롭기 때문이다. 현대 분리 기술 중 중요한 도전과제로 수소 혼합물에서 중수소를 효율적으로 분리하는 일이 꼽히기도 한다.

현재 중수소를 분리하는 상업적인 기술은 나와 있다. 그러나 이 기술에는 엄청난 에너지가 필요할 뿐만 아니라 분리 효율도 낮다는 문제가 있다. 최근 이런 문제를 해결하기 위해 ‘양자체(quantum sieving, QS) 효과’를 이용한 다공성 물질이 연구 중이다. 특히 ‘운동 양자체(kinetic quantum sieving, KQS) 효과’나 ‘화학적 친화도 양자체(chemical affinity quantum seiving, CAQS) 효과’를 이용한 연구가 활발하다.

운동 양자체(KQS) 효과는 다공성 물질의 기공 크기를 정밀하게 조절해 중수소를 분리하는 기술이다. 극저온에서는 중수소가 수소보다 미세하게나마 작은 크기를 가지므로 중수소만 빠져나갈 수 있게 구멍 크기를 조절해 물질 내부로 더 빨리 확산되도록 만드는 것이다. 화학적 친화도 양자체(CAQS) 효과는 다공성 물질에 중수소를 더 잘 흡착하는 자리를 만드는 방법이다. 다공성 물질에 중수소가 잘 달라붙는 자리를 만들어 중수소만 선택적으로 잡아둔다고 생각하면 된다. 이런 방법을 이용하면 이전보다 적은 에너지로 분리 효율을 높일 수 있다.

양자체 효과를 이용하면 이전보다 적은 에너지로 좋은 분리 효율(S_D2/H2 < 6.3 at 80K (-193 ℃) : 수소 1개가 선택될 때 중수소 최대 6.3개 선택되는 수준)을 얻을 수 있다. 하지만 세계적으로 늘어나는 중수소 수요를 충족시키기에는 여전히 부족하다. 중수소를 높은 효율로 선택적으로 분리할 시스템이 절실한 실정이다.

2. 연구내용

이번 연구에서 다공성 물질인 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF) 시스템에 두 양자체 분리 효과를 동시에 구현해 시너지 효과를 극대화했다. 이를 통해 77 K(-196 ℃)에서 최고 26의 분리 인자를 갖는 매우 효과적인 중수소 분리 시스템을 개발했다. 여기서 26은 수소 1개가 선택될 때 중수소는 26개가 선택될 정도로 중수소만 골라낼 확률이 높다는 의미다.

화학적 친화도 양자체(CAQS) 효과를 높이기 위해 강한 흡착자리를 높은 밀도로 가진다고 알려진 금속-유기 골격체(MOF), MOF-74를 선택했다. 이와 동시에 이미다졸 분자(imidazole, IM)를 도입해 기공 크기를 조절하고 운동 양자체(KQS) 효과를 얻도록 했다. 이렇게 만들어진 다공성 물질 ‘MOF-74-IM’에서는 중수소가 크기가 조절된 기공 내부로 빠르게 확산되는 동시에 강한 흡착 자리에 달라붙을 수 있다. 두 효과를 동시에 구현해 중수소를 분리해내는 기술 전략으로 분리 효율을 크게 높인 것이다.(그림2)

연구진은 기공 내부의 강한 흡착자리에 배위할 수 있는 이미다졸의 양을 0~70%로 조절해 구멍 크기를 조절했다. 그 결과를 비교하자 이미다졸 10%가 강한 흡착자리에 배위될 때, 운동 양자체와 화학적 친화도 양자체가 가장 큰 시너지 효과를 나타냈다.

이번 연구는 하나의 시스템에서 두 양자체 효과(KQS, CAQS)를 동시에 구현한 첫 번째 시도였다. 또 지금까지 발표된 연구 중 가장 높은 효율(S_D2/H2 = 26)로 고순도 중수소를 성공적으로 분리함으로써 실제 산업에서 응용 가능성을 실험적으로 입증했다.(그림3)

3. 기대효과

이번 연구는 수소 혼합물에서 분리해내기 어려웠던 중수소를 높은 효율로 분리할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 이뿐 아니라 하나의 시스템에서 두 양자체 효과(KQS, CAQS)를 동시에 구현하는 전략은 다른 분야에도 응용 가능하다. 분리하기 어려운 동위원소나 가스 혼합물을 효율적으로 분리할 수 있는 시스템에 동일한 전략을 쓸 수 있기 때문이다. 이 기술의 개발은 다공성 물질의 지능형 설계에 새로운 기회를 제공할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 운동 양자체 효과(Kinetic Quantum Sieving effect)

1995년 네덜란드 라이덴대의 빈아커(Beenakker) 교수가 주창한 개념이다. 자연계에는 원자 번호는 같지만 원자량이 다른 원소가 있다. 이를 동위원소라 부르는데, 중성자 개수가 달라서 무게 차이가 난다. 이들 동위원소가 섞여있는 동위원소 혼합물은 극저온에서 물리적인 차이를 보인다. 중성자 개수가 작아 가벼운 원소일수록 더 큰 드 브로이 파장(de Brogile wavelength)을 가지는 것이다. 빈아커 교수는 이 파장 때문에 가벼운 원소는 무거운 원소에 비해 좁은 공간에서 확산되기 어렵다고 보고했다. 따라서 저온에서 무거운 동위원소는 가벼운 동위원소보다 좁은 공간을 더 빠르게 확산함으로써 운동 양자체 효과를 일으킨다.

2. 화학적 친화도 양자체 효과(Chemical Affinity Quantum Sieving effect)

동위원소 혼합물이 강한 흡착자리에 달라붙을 때 발생하는 효과다. 동위원소 혼합물에는 분자량이 다른 분자가 뒤섞여 있다. 이런 질량차이는 동위원소 사이에 서로 다른 흡착 에너지(엔탈피)를 유도한다. 이 차이 때문에 더 무거운 동위원소를 강한 흡착자리에 먼저 달라붙게 된다.

3. 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework)

금속-유기 골격체(MOF)는 유기 리간드와 금속 빌딩 블록으로 구성된 배위결합물이다. 적절한 유기 리간드와 금속 빌딩 블록을 선택하면 원하는 특성과 구조를 갖도록 설계할 수 있어 다양한 응용 분야에서 각광받는 다공성 물질이다.

[붙임] 그림설명