[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

중수소는 수소의 무거운 동위원소이며, 핵융합의 원료이자 반도체 공정, 의료 분야 등 다양한 분야에서 수요가 급증하고 있다. 그러나, 자연적으로 존재하는 중수소는 전체 수소 동위원소 중 0.015 %로 매우 희박한 수준이며 수소와 중수소는 물리·화학적 성질이 수소와 매우 유사하여 분리하기가 쉽지 않다.

기존의 수소 동위원소 분리 방법은 극저온 증류법이 대표적으로 사용되고 있으나, 분리 작동 온도가 극저온(-253도)이므로 에너지 소비가 크고 분리 효율이 낮다는 한계가 있다. 이러한 비효율적인 방법을 대체하고자 다공성 물질을 이용한 수소 동위원소 분리 연구가 활발히 진행되고 있다. 다공성 물질은 운동 양자체 효과(Kinetic Quantum Sieving Effect: KQS)에 의해 수소와 중수소를 효율적으로 분리할 수 있다. 운동 양자체 효과는 극저온에서 수소 분자 크기와 유사한 크기의 기공을 가질 때 수소와 중수소의 영점 에너지 차이에 의해 무거운 중수소가 가벼운 수소보다 더 빠르게 기공 내부로 확산할 수 있게 되는 것이다.

UNIST 오현철 연구팀은 구리 기반 금속-유기 골격체의 온도에 의한 격자 확장 시스템을 이용하여 분리 작동 온도를 크게 향상 시킬 수 있다는 점을 밝혀냈다. 보고된 소재는 극저온에서는 수소 운동 직경보다 작은 기공 크기를 가지지만 온도가 증가할수록 격자가 확장되어 고온에서 수소와 중수소를 분리할 수 있게 된다. 이는 기존의 운동 양자체 효과의 낮은 분리 작동 온도의 한계를 극복하고 보다 효율적으로 수소 동위원소를 분리할 수 있다는 데 의의가 있다.

2.연구내용

본 연구에서는 구리 기반 금속-유기 골격체의 온도에 의한 격자 확장 시스템을 이용하여 고온에서도 수소 동위원소 분리할 수 있는 새로운 전략을 제시했다. 보고된 소재는 온도에 의해서 격자가 확장됨으로써 수소와 중수소를 기공 내부로 들어갈 수 있게 되고, 중수소를 분리할 수 있게 됐다. 연구팀은 이를 입증하기 위해 현장 X-선 회절 (in-situ XRD), 중성자 산란 측정, 극저온 열탈착 분석 장비 및 극저온 흡착 분석 장비를 활용했다.

구리 기반 금속-유기 골격체는 극저온에서 수소 운동 직경(2.89 Å)보다 작은 기공 크기(2.4 Å)를 갖지만 온도가 상승하면서 격자가 확장되는 것을 관찰되었고, 극저온에서는 기공 내부로 수소가 들어갈 수 없었지만 고온에서는 수소가 들어갈 수 있게 되는 온도에 의한 “게이트 열림 현상”이 관찰되었다.

보고된 소재는 극저온 흡착 측정 장비를 통해 온도가 증가할수록 수소 및 중수소 흡착량이 증가하다가 100K에서 최대 흡착량을 기록했고, 이는 일반적인 온도-흡착 경향과 반대되는 결과로, 게이트 열림 현상을 뒷받침한다. 또한, 극저온 열탈착 분석 장비를 통해서도 이 현상이 입증되었으며, 소재에 강한 흡착 부위가 없더라도 120K의 높은 온도에서도 1.7의 분리 성능을 얻었다. X-선 회절 (in-situ XRD)을 통해 온도가 증가함에 따라 격자가 확장되는 것을 확인함으로써 게이트 열림 현상의 매커니즘을 규명했다. 게다가, 중성자 산란 측정을 통해 기공 내부에 중수소가 수소보다 더 잘 갇혀 있다는 것을 확인하였고, 이는 중수소가 더 잘 흡착되어 있다는 것을 의미한다. 따라서, 이 연구는 온도에 의한 격자 확장을 통해 고온에서도 수소 동위원소 분리를 가능하게 하는 새로운 매커니즘을 보여주었다.

3.기대효과

본 연구는 온도에 의한 격자 확장을 통해 고온에서 중수소를 분리할 수 있는 새로운 전략을 제시한 연구이다. 이 전략은 극저온에서는 수소의 운동 직경보다 작은 기공 크기를 갖지만 온도가 증가하면서 격자 확장이 일어나고, 이로 인해 수소 동위원소가 흡착될 수 있고, 고온에서 중수소를 선택적으로 분리할 수 있게 된다. 따라서, 낮은 분리 작동 온도의 한계를 해결함으로써, 분리 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, LNG 온도에서도 중수소 분리가 가능하므로 경제성과 효율성을 동시에 높일 수 있는 중요한 기술적 발전으로 평가된다. 이러한 독창적인 매커니즘을 바탕으로 한 전략은 향후 다공성 물질을 통한 중수소 분리 작동 온도 향상 연구에 중요한 지침이 될 것으로 기대된다.

[붙임] 그림설명

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.

4.금속 유기 골격체

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

5.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.

운동 양자체 효과를 통해 수소 동위원소를 분리는 대부분 –196도 이하에서만 높은 효율을 보이므로 낮은 분리 작동 온도의 한계를 가지고 있다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 온도 상승에 의한 MOF 격자 확장을 통해 이뤄지는 수소 동위원소 분리 매커니즘. 저온에서는 수소와 중수소가 좁은 기공에 들어갈 수 없지만 온도가 증가함에 따라 격자가 확장되어 수소 및 중수소가 흡착 분리됨. 흡착 등온선 그래프(좌)은 온도가 증가하면서 수소 동위원소의 흡착량이 증가하는 것을 나타냄. 열 탈착 커브 그래프(우)는 격자가 확장되어 고온에서 수소 동위소의 탈착이 가능함을 보여주고 있음