[로이슈 전여송 기자] KAIST는 생명화학공학과 배태현 교수 연구팀이 고분자 분리막 내부에 옹스트롬 수준의 수소 이동 통로를 만들고 통로의 연결 정도와 수소 분리 성능 간 관계를 규명했다고 13일 밝혔다.

이번 연구는 고분자 내부의 초미세 공간을 서로 연결해 수소가 이동할 수 있는 통로를 형성하고, 연결 구조의 완성도를 분리막 설계 지표로 활용하는 것을 골자로 한다. 1옹스트롬은 100억분의 1m에 해당한다.

수소는 생산 과정에서 이산화탄소나 질소 등 다른 기체와 혼합돼 나오는 경우가 있어 분리·정제 과정이 필요하다. 이를 위해 작은 수소 분자는 통과시키고 상대적으로 큰 다른 기체는 걸러내는 분리막 기술이 활용된다.

기존에는 기체가 통과하는 미세한 구멍을 설계할 수 있는 금속유기골격체와 공유결합유기골격체 등의 다공성 소재가 연구돼 왔다. 다만 넓은 면적에서 결함을 제어하기 어렵다는 한계가 있다. 고분자 분리막은 가공과 박막화가 상대적으로 용이하지만 기체가 이동하는 미세 공간을 원하는 크기로 제어하기 어렵다.

연구팀은 고분자 사슬을 서로 연결하는 가교제를 이용해 고분자 내부에 수소가 이동할 수 있는 초미세 통로를 형성했다. 이 과정에서 통로의 수보다 각 통로가 서로 연결돼 연속적인 이동 경로를 만드는 정도에 주목했다.

이를 측정하기 위해 고분자 내부 연결의 완성도를 나타내는 ‘가교 연결 완성도(Bridge Connectivity Degree·BCD)’ 지표를 제안했다. 고분자 내부의 연결 구조가 수소 이동 경로를 어느 정도 형성하는지를 평가하는 방식이다.

연구팀이 개발한 분리막 ‘ms-oDMB-DB50’의 가교 연결 완성도는 73%로 측정됐다. 연구팀에 따르면 해당 분리막은 원재료인 DB50과 비교해 수소 투과 성능과 수소·질소 분리 성능이 함께 향상됐다.

분리막 내부에는 3옹스트롬 이하의 초미세 공간이 다수 형성된 것으로 나타났다. 연구팀은 수소보다 작은 헬륨 분자가 접근할 수 있는 공간을 측정하는 방식으로 초미세 공간의 존재를 확인했다.

연속 운전과 기계적 특성에 대한 실험도 진행했다. 연구팀에 따르면 분리막은 100시간 연속 운전에서도 수소 분리 성능을 유지했으며, 인장 강도는 기존 고성능 고분자 분리막과 비교해 약 2배 높은 수준을 나타냈다.

연구팀은 이번 연구를 통해 고분자 내부에 초미세 공간을 형성하는 것뿐 아니라 해당 공간을 연속적으로 연결하는 구조가 수소 분리 성능에 영향을 미친다는 점을 확인했다고 설명했다. 향후 이 원리를 다른 고분자 분리막에 적용하면 이산화탄소 포집이나 천연가스 정제 등 기체 분리 분야로 확장할 수 있을 것으로 보고 있다.

배태현 KAIST 생명화학공학과 교수는 “레고 블록을 맞추듯 고분자를 촘촘하게 연결해 수소만 빠져나갈 수 있는 초미세 그물망을 만들었다”며 “향후 수소를 보다 효율적으로 분리·정제하는 기술로 발전할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 이홍주 박사가 제1저자, 최수현 KAIST 연구원이 제2저자, 배 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난달 23일 게재됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr