레이저로 MOFs 결함 재조직…CO₂ 흡착 성능 최대 75% 향상

재료연, 화학 공정 없이 기공 구조 정밀 제어
비용 절감과 공정 단순화 동시 구현

(왼쪽부터)한국재료연구원 이희정 선임연구원, 김연빈 학생연구원, 경북대학교 김상우 학생, 박성환 교수.ⓒKIMS

금속–유기 골격체(MOFs)의 내부 결함을 레이저로 제어해 이산화탄소(CO₂) 흡착 성능을 최대 75%까지 끌어올리는 기술이 개발됐다.

한국재료연구원(KIMS)은 융·복합재료연구본부 이희정 박사 연구팀이 경북대학교 박성환 교수, 영남대학교 김민규 교수 연구팀과 공동으로 금속–유기 골격체(MOFs) 내부 구조를 레이저로 제어, 이산화탄소 흡착 성능을 최대 75%까지 향상시키는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

이번 연구는 기존의 복잡한 화학공정 대신 레이저 후처리만으로 소재 성능을 효율적으로 높일 수 있는 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)처럼 서로 섞여 있는 기체를 골라내는 기술은 천연가스를 깨끗하게 정제하거나 에너지 효율을 높이는 데 필수적이며, 탄소중립 실현을 위한 핵심 산업 분야로 주목받고 있다.

이에 따라 고효율 흡착 소재에 대한 수요도 빠르게 증가하고 있다.

그러나 기존의 액체 흡수 공정이나 극저온 분리 방식은 에너지 소비가 크고 운영 비용이 높다는 문제가 있었다.

이에 대한 대안으로, 스펀지처럼 미세한 구멍을 가진 다공성 소재 기반의 흡착 분리 기술이 주목받고 있다.

특히 금속–유기 골격체(MOFs)는 넓은 내부 표면적과 구조 제어 가능성으로 유망한 소재로 평가받지만, 합성 과정에서 발생하는 구조적 결함으로 인해 기공 구조가 불균일해지고 이산화탄소 흡착에 유리한 미세 기공이 감소하는 문제가 있다.

이를 보완하기 위해 화학 처리나 열처리 공정이 활용돼 왔으나 공정이 복잡하고 기공 구조 손상으로 이어질 수 있어 소재의 구조적 안정성과 성능 저하를 초래할 수 있다는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 화학 처리 대신 레이저를 이용해 MOFs 내부 결함과 기공 구조를 정밀하게 제어하는 ‘레이저 유도 후처리 기술(LIPE)’을 개발했다.

기술은 소재를 순간적으로 가열한 뒤 빠르게 냉각시키는 과정을 통해 결함 구조를 재조직하고, 불균일한 기공을 효과적으로 개선하는 방식이다.

그 결과 이산화탄소 분리에 불리한 큰 기공은 감소하고 이산화탄소를 효과적으로 포집할 수 있는 미세 기공과 표면 특성이 형성됐다.

연구는 기존처럼 화학 처리나 열처리를 통해 결함을 제거하거나 새롭게 만드는 방식이 아니라, 이미 존재하는 결함을 레이저로 재조직해 성능을 향상시킨다는 점에서 차별성을 가진다.

이를 통해 추가적인 화학 공정 없이도 기공 구조를 정밀하게 제어하고 이산화탄소 흡착량과 선택도를 동시에 향상시킬 수 있으며 실제로 기술을 적용한 MOFs는 비표면적이 최대 94%, 이산화탄소 흡착량이 최대 75% 향상되는 성과를 보였다.

이러한 성과는 이산화탄소 포집 및 분리 효율을 크게 향상시킬 수 있는 기술적 기반을 마련한 것으로, 탄소중립 실현을 위한 핵심 산업 분야에서 활용도가 높을 것으로 기대된다.

특히 기술은 저가 원료로 제조된 MOFs의 성능을 레이저 후처리만으로 향상시킬 수 있어 소재 제조 비용 절감과 공정 단순화를 동시에 실현할 수 있다.

나아가 천연가스 정제, 수소 및 메탄 생산 공정 등 다양한 가스 분리 산업에 적용 가능해, 친환경 에너지 공정에서 이산화탄소를 선택적으로 제거하는 핵심 소재 기술로 활용될 전망이다.

연구 결과는 나노과학 분야 세계적 권위 학술지인 스몰에 지난달 12일자로 온라인 게재됐다.

한편, 연구는 산업통상부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.