경남과기대, 인공태양 원료 중수소 추출 신규 메커니즘 세계 최초 개발

기체의 온도·압력 따라 달라지는 구멍 이용… 미국화학회지(JACS) 발표

핵융합 미래 에너지원으로 주목받고 중수소를 수소로부터 효율적으로 분리하는 새로운 메커니즘이 개발됐다.

이 기술을 이용하면 1그램에 3000만 원에 달하는 삼중수소까지 매우 쉽게 분리할 수 있다.

경남과학기술대학교(총장 김남경) 에너지공학과 오현철 교수팀은 중수소 분리에 매우 효과적인 ‘플렉시블 금속-유기 골격체(flexible metal-organic framework)’ 시스템을 개발해 미국 화학회지(JACS)(Impact Factor 13.858) 온라인 속보(12월 04일 자)에 공개됐다.

이번 연구는 문회리 UNIST 교수, 마이클 허셔(Michael Hirscher) 독일 막스플랑크연구소 박사팀이 공동으로 진행했다. (논문명: Slective Hydrogen Isotope Separation via Breathing Transition in MIL-53(Al)) 중수소는 수소에 중성자가 하나 더 있는 수소의 동위원소다.

▲오현철(왼쪽)교수와 공동저자 박재우(가운데) 연구원.ⓒ경남과기대

미래 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전의 핵심원료이자, 원자력 발전과 연구용 장비 등에 쓰이는 대체 불가능한 자원이다.

그러나 지구상에 존재하는 중수소는 전체 수소 중 0.016%로 극히 미미하고, 수소혼합물에서 중수소를 분리하기도 어려워 매우 비싸다.

또한 수소의 동위원소인 ‘중수소’는 미래의 에너지라 불리는 인공태양을 만드는 핵심 에너지원이다. 또 다양한 산업과 과학 분야에 대체 불가능한 자원으로 꼽힌다.

플렉시블 금속-유기 골격체는 기체의 온도나 압력에 영향을 받아 구멍이 커지는 독특한 물질이다. 외부 자극만으로 기공(氣孔)이 팽창하기 때문에 복잡한 설계 없이 동위원소를 분리하는 데 활용할 수 있다.

동위원소는 원자번호가 같지만 원자량이 다른 원소를 말한다. 어떤 원소의 동위원소는 그 원소와 같은 수의 양성자와 전자를 가지지만, 다른 수의 중성자를 가진다. 물리·화학적 성질이 비슷해 분리하기 까다롭다.

오현철 교수팀은 대표적인 플렉시블 금속-유기 골격체인 ‘MIL-53’을 이용해 중수소를 효과적으로 분리하는 데 성공했다. 다공성 물질에 외부 자극을 줘서 동위원소 기체를 손쉽게 분리하는 방식을 제안한 최초의 연구라 학계에서 더욱 주목받고 있다.

오 교수팀은 수소 기체를 만날 때 기공 구조가 바뀌는 ‘MIL-35(Al)’을 선택해 중수소 분리에 도전했다. 이 물질은 양쪽 끝이 뚫린 긴 고무관처럼 생긴 대표적인 플렉시블 금속-유기 골격체다.

MIL-35(Al)의 작은 기공(0.26nm, 1nm=10억 분의 1m)은 극저온(-233℃)에서 수소 기체를 만나는 순간부터 커져서 큰 기공(0.85nm)으로 변한다.

기공의 확장은 입구부터 시작해 중심부로 연속해서 진행된다. 이때 중수소는 작은 기공이 있는 중심부로 먼저 이동한다. 이들이 다공성 물질의 벽면에 먼저 흡착되기 때문에 뒤따라온 수소는 흡착되지 못하고 결국 다시 빠져나가게 된다. 결국 MIL-35(Al)에는 중수소만 남게 되는 것이다.

연구진은 노출 온도와 압력, 시간을 바꿔가며 기공 구조를 체계적으로 조절해 최적의 기공 크기를 찾아냈다. 그 결과 MIL-53(Al) 1그램 당 중수소 12미리그램이라는 많은 양의 중수소를 분리할 수 있었다. 참고로 기존 연구에서는 같은 온도에서 분리 인자 6, 중수소 분리양은 다공성 물질 1그램 당 중수소 5미리그램 에 그쳤다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 핵융합기초연구사업, 우수과학연구센터(SRC), 신진연구자지원사업, 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행됐다.