[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

수소 동위원소인 중수소는 핵융합 발전의 핵심 에너지원이자, 반도체 공정, 의학 분야 등 다양한 산업에서 중요한 자원이다. 그러나 자연계에서 중수소는 전체 수소 중 약0.015%에 불과하며, 물리·화학적 성질이 수소와 매우 유사하여 분리하기가 어렵다.

기존의 분리 방법으로는 대표적으로 극저온 증류법이 사용되고 있으나, 에너지 소모가 크고 효율성이 낮다는 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다공성 물질, 특히 금속-유기 골격체(MOF)를 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 운동 양자체 효과(Kinetic Quantum Sieving Effect: KQS)를 활용한 방법이다. 운동 양자체 효과는 '극저온에서 수소 크기와 매우 유사한 조리개에서 수소(H₂)보다 중수소(D₂)가 더 빠르게 확산한다'라는 내용으로, 이는 중수소의 드 브로이 파장이 수소보다 짧기 때문이다. 이 현상을 극대화하기 위해서는 분자체의 크기가 매우 중요하다.　따라서 다공성 물질 중 MOF는 높은 표면적과 조절 가능한 기공 구조를 지니며, 이를 통해 수소 동위원소의 분리 효율을 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 하지만 수소 동위원소를 효율적으로 분리하기 위한 적절한 조리개의 크기를 조절하는 데에는 한계가 있다.

UNIST 오현철 연구팀은 MOF의 기공 크기를 옴스트롱[Å] 단위로 정밀하게 조절하여, '운동 양자체' 효과를 극대화하여 수소와 중수소의 분리 선택도를 향상시킬 수 있다는 점을 밝혀냈다. 이온 치환 전략은 MOF의 기공 크기를 미세하게 조절하는 데 효과적인 방법으로, 이를 통해 에너지 효율적이고 경제적인 수소 동위원소 분리 기술 개발이 가능할 것이다.

4.연구내용

본 연구에서는 금속-유기골격체의 이온 치환을 통한 효율적인 수소 동위원소 분리에 대한 새로운 방법을 제시하였다. 이온 치환을 통해서 개구부의 사이즈를 조절 함으로써 기공 내로 중수소가 더 빠르게 확산을 유도하였다. 연구팀은 기공 네트워크 분석을 통해서 줄어든 개구부의 사이즈를 분석하였고 이러한 현상을 활용하여 수소 동위원소 분리 성능을 향상 시켰다.

이미다졸륨 기반의 금속-유기 골격체(MOF)의 개구부의 크기를 이온 치환을 통해 정밀하게 조절했다. 기존 MOF는 약 3.9Å의 개구부를 가지고 있으나, 이온 치환을 통해 개구부 크기가 3.6 Å로 감소했다. 이러한 미세한 기공 크기 조절로 인해 유연한 다공성 물질에서 나타나는 게이트 오픈 현상이 관찰된다. 이러한 게이트 오픈 현상은 압력과 온도에 영향을 받으며, 이를 적절하게 조절함으로써 수소 동위원소 분리에 최적화된 조건을 구현할 수 있다. 실험 결과, 기존 MOF는 30K(온도단위,0K는 – 273.15 °C )에서 1000 mbar(압력단위)에서 선택도 14.4를 나타낸다. 반면, 이온 치환을 통해 개구부 크기를 줄인 MOF는 더 높은 온도인 50 K 와 1 mbar에서 향상된 선택도 27.7을 나타낸다. 이러한 결과는 기공 네트워크 분석, 극저온 흡착 장비, 극저온 열탈착 분석 장비를 통해 입증되었다.

3.기대효과

본 연구는 이온 치환 과정을 통해 MOF의 개구부 크기를 옴스트롱[Å] 단위로 정밀하게 조절하여 수소 동위원소 분리에 적용한 최초의 사례이다. 이를 통해 수소 동위원소 혼합물로부터 분리하기 어려운 중수소를 효율적으로 분리할 수 있음을 증명하였다. 또한, 수소 동위원소 분리 공정의 작동 온도를 높여줌으로써 보다 효율적인 분리가 가능하다는 것을 시사하고 있다. 이러한 이온 치환 MOF를 이용하는 전략은 다른 동위원소나 가스 혼합물을 분리하는 데도 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 고온에서 분리할 수 있는 다공성 물질의 설계에 실마리가 될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.동위원소(Isotope)

원자번호는 같지만, 원자량이 다른 원소를 말한다. 동위원소는 동일한 수의 양성자와 전자를 가지지만, 중성자 수가 다르다. 이로 인해 물리·화학적 성질이 비슷하여 분리가 까다롭다.

2.중수소(Deuterium)

수소의 동위원소 중 하나로, 양성자 1개와 중성자 1개로 구성된 원자핵을 가진다. 미래 에너지원으로 주목받는 핵융합 발전의 핵심 원료이며, 반도체 공정 등에도 사용되는 대체 불가능한 자원이다. 그러나 지구상의 중수소는 전체 수소 중 약 0.015%로 매우 적으며, 수소 혼합물에서 중수소를 분리하기도 어려워 가격이 높다.

3.금속 유기 골격체 (Metal Organic Frameworks)

금속 유기 골격체는 금속과 유기물 리간드가 화학결합을 이뤄 마치 건축물의 ‘철근’과 같은 뼈대(framework) 모양을 이루는 다공성 물질이다. 다양한 금속과 유기물 조합을 통해 새로운 물질을 합성할 수 있다.

4.운동 양자체 효과(Kinetic Quantum Sieving effect)

1995년 빈아커(Beenakker) 교수가 제안한 개념이다. 자연계에는 원자번호는 같지만, 원자량이 다른 원소, 즉 동위원소가 존재하며, 이는 중성자 수의 차이로 인해 질량이 다르다. 이러한 동위원소 혼합물은 극저온에서 물리적 차이를 보이는데, 중성자 수가 적은 가벼운 원소일수록 더 큰 드 브로이 파장(de Broglie wavelength)을 가진다. 빈아커 교수는 이 파장으로 인해 가벼운 원소가 무거운 원소에 비해 좁은 공간에서 확산되기 어렵다고 보고했다. 따라서 저온에서 무거운 동위원소는 가벼운 동위원소보다 좁은 공간을 더 빠르게 확산하며, 이를 '운동 양자체 효과'라고 한다.

5.옴스트롬(Å)

길이의 단위로서 10-10 미터 또는 0.1nm(나노미터)를 나타낸다. 옹스트롬은 원자 하나의 지름과 그 척도가 비슷해 미시세계를 다룰때 사용한다.

[붙임] 연구그림

그림1. 이온성 MOF의 이온 교환 메커니즘과 수소 동위원소 분리 선택도 비교  (a) 이온 치환으로 인한 기공 및 개구부(기공입구)의 크기 조절 (b) 수소 동위원소 분리 선택도의 비교 그래프. 이온 치환으로 인해서 선택도가 증가하는 것을 보여줌.