박호범 교수, 세계최초 그래핀 기반 CO2 분리막 개발

기본 대비 고효율로 2~3년 내 상용화 가능한 연구결과 사이언스지 게재

박호범 교수

아주경제 이한선 기자= 국내연구진이 수년 내 실용화가 가능한 그래핀 기반 차세대 이산화탄소(CO2) 분리막을 세계 최초로 개발했다.

미래창조과학부는 박호범 한양대학교 교수팀이 그래핀을 이용해 세계 최초로 최고 수준의 차세대 CO2 분리막 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

이번 연구는 한국이산화탄소포집및처리연구개발센터의 지원을 받아 수행돼 사이언스지 온라인판 4일자에 게재됐다.

연구팀이 개발한 분리막은 수용성 용액을 코팅하는 방법으로 쉽게 제조할 수 있고 대량생산이 가능해 2~3년 내 조기 상용화가 가능한 것이 특징이다.

고분자 분리막 연구를 지속해 온 40대 초반의 박 교수는 2007년 박사과정 당시 열처리 고분자 분리막에 대한 연구결과를 사이언스지에 게재했었다.

이번에 분리막 효율을 높이기 위해 새로운 소재를 찾다 그래핀을 산화해 만들어지는 그래핀 옥사이드를 사용하게 됐다.

연구팀은 기체 등을 그래핀 자체가 투과하지 않지만 이를 적층하거나 전자를 결합시켜 산화하면서 벌어지는 나노 크기의 틈을 균일하게 조정해 CO2 등 원하는 크기가 다른 기체를 선별적으로 투과하도록 분리막을 제조하는 기술을 개발했다.

5나노미터 이하로 기존 고분자 분리막보다 100분의 1 이상 두께가 얇은 CO2 분리막 소재를 개발하는 데 성공해 분리 성능을 1000배 이상 높일 수 있었다.

박 교수는 “그래핀이 산화되면 깨지는 특성을 이용해 기체 등을 걸러내는 분리막을 개발하게 됐다”며 “개발 대형화 장비만 갖춰지면 상용화가 가능할 것”이라고 설명했다.

이 기술을 활용해 CO2를 포집할 경우 효율이 높아져 보다 비용이 줄어들 것으로 전망돼 기후변화 문제를 해결하기 위한 이산화탄소 포집 및 처리(CCS) 비용을 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

분리막 방식은 포집방식인 습식, 건식 보다 경제적으로 평가되고 있으나 기술개발 단계상 초기단계로 효율과 안정성이 낮아 아직까지 상용화되고 있지 않은 분야다.

이번 연구는 본질적인 성질을 이용한 것은 아니지만 그래핀을 처음 상용화하는 길을 열 것으로 전망되고 있어 관심을 끈다.

그래핀은 우수한 물리화학적 특성의 차세대 소재로 완벽한 격자구조를 갖춰 기체, 이온 및 물 등을 완벽하게 차단하는 성질을 가진 것이 특징이지만 아직 상용화되지 못했다.

2차원 판상구조를 갖는 그래핀 유도체로 흑연을 화학적 방법으로 산화 및 박리시켜 제조하는 그래핀 옥사이드는 그래핀 구조에 다양한 산소기능기를 도입한 물질로 가공성이 우수하고 기능성이 높다.

글로벌워터 인텔리전스에 따르면 2016년 분리막 시장이 37조원까지 확대할 것으로 전망돼 이번 개발 기술을 CO2 등 기체분리, 해수담수화, 수처리 등 다양한 분야에 적용, 상용화할 경우 수조원의 매출효과가 발생할 전망이다.