스마트폰 충전 전력으로 95% 고순도 이산화탄소 포집

KAIST, 미국 MIT 연구진과 세계 첫 개발

(왼쪽부터) 고동연 KAIST 생명화학공학과 교수, T. Alan Hatton 매사추세츠공대(MIT) 화학공학과 교수, 이영훈 MIT 박사. KAIST 제공.

스마트폰 충전 시 필요한 전압 수준의 저전력으로 고순도의 이산화탄소를 포집하는 기술이 개발됐다. 기존의 이산화탄소 포집 방법은 높은 비용이 걸림돌이었는데 이번 연구로 상용화 가능성이 한 단계 높아졌다. 

KAIST는 고동연 생명화학공학과 교수 연구팀이 T. 앨런 해튼 미국 매사추세츠공대(MIT) 화학공학과 교수팀과 전도성 은나노 파이버(섬유) 기반 초고효율 전기 구동 직접공기포집(e-DAC, Electrified Direct Air Capture) 기술을 세계 최초로 개발했다고 25일 밝혔다. 

직접공기포집(DAC)은 대기 중 아주 희박하게 존재하는 이산화탄소를 직접 걸러내는 기술이다. 기존 DAC 공정 기술은 에너지 비용이 많이 든다. 흡수 및 흡착된 이산화탄소를 다시 분리(재생)하는 과정에 100℃ 이상의 고온 증기가 필요하다. 이 과정에서 전체 에너지의 70%가 소모될 만큼 에너지 효율성이 떨어진다. 복잡한 열교환 시스템으로 경제성 확보가 어렵다는 것이다. 

연구팀은 뜨거운 증기나 복잡한 설비 없이 저전력으로 이산화탄소를 포집하는 데 성공했다. 연구팀은 전기를 가하면 스스로 뜨거워지는 파이버의 ‘저항 가열’을 이용해 문제를 해결했다. 외부 열원 없이 필요한 곳만 정확하게 가열해 에너지 손실을 획기적으로 줄이는 방법이다.    

저항 가열은 스마트폰 충전 수준인 3V(볼트)의 낮은 전압만으로 80초 만에 섬유를 110℃까지 빠르게 가열한다. 저전력 환경에서 흡착과 재생 사이클을 획기적으로 단축해 기존 기술 대비 불필요한 열 손실(감열)을 20% 줄이는 성과가 나타났다. 

나노 복합체 기반 전도성 섬유형 DAC 소자의 제작 과정과 고속 작동 사이클을 통한 이산화탄소 포집·재생 메커니즘 모식도. KAIST 제공.

연구팀은 단순히 전기가 통하는 파이버를 만드는 것을 넘어 ‘전기 전도’와 ‘기체 확산’ 두 마리 토끼를 동시에 잡았다. 은 나노와이어와 나노입자를 혼합한 복합체를 다공성 파이버 표면에 약 3µm(마이크로미터, 1µm=100만분의 1m) 두께로 균일하게 코팅했다.

이렇게 구현된 3차원 연속 다공 구조는 전기가 매우 잘 통하고 이산화탄소 분자가 파이버 내부까지 원활하게 이동할 수 있는 통로를 제공한다. 균일하고 빠른 가열과 효율적인 이산화탄소 포집이 동시에 가능하다. 

다수의 파이버를 모듈화해 병렬로 연결했을 때 전체 저항이 1Ω(옴) 이하로 낮아져 대규모 시스템으로의 확장 가능성도 입증됐다. 연구팀은 실제 대기 환경에서 95% 이상의 고순도 이산화탄소를 회수하는 데 성공했다. 

연구팀은 지난 2022년 말 이미 관련 핵심 기술에 대한 특허를 출원했다. 특허협력조약(PCT) 및 국내·국제 특허(WO2023068651A1, 진입국: US, EP, JP, AU, CN) 출원을 완료해 원천 지적 재산권을 확보했다. 특허 출원은 연구팀의 기술이 실험실 수준을 넘어 실질적인 상용화를 고려한 연구임을 의미한다.

연구팀의 기술은 태양광, 풍력 등 재생에너지와 쉽게 연계할 수 있어 탄소중립 공정 전환을 앞당길 ‘게임 체인저’가 될 것으로 기대된다. 

고동연 교수는“DAC는 단순히 이산화탄소 배출을 줄이는 기술을 넘어 공기 자체를 정화하는 ‘음(陰)의 배출’을 가능케 하는 핵심 수단”이라며 “이번에 개발한 전도성 파이버 기반 DAC 기술은 도심형 시스템까지 폭넓게 활용될 수 있어 한국이 미래 DAC 기술의 선도국으로 도약하는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’에 지난 1일 내부 표지 논문으로 게재됐다. 

<참고 자료> 
doi.org/10.1002/adma.202504542

[문세영 기자 moon09@donga.com]