▲ 금속-유기 골격체(MOFs) 기공 구조 변화 매커니즘

국내 연구진이 레이저 기반 후처리 기술로 다공성 소재 성능을 획기적으로 끌어올리며, 저비용·고효율 탄소포집 공정 전환 가능성을 제시해 탄소중립 실현을 앞당길 것으로 기대된다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 융·복합재료연구본부 이희정 박사 연구팀이 경북대학교 박성환 교수, 영남대학교 김민규 교수 연구팀과 공동으로 금속·유기 골격체(MOFs)의 기공 구조를 레이저로 정밀 제어해 이산화탄소 흡착 성능을 최대 75% 향상시키는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

이번 연구는 기체 분리 공정의 에너지 효율을 높이기 위한 차세대 소재 기술 확보라는 점에서 주목된다. 이산화탄소와 메탄처럼 혼합된 기체를 효율적으로 분리하는 기술은 천연가스 정제와 에너지 공정 전반의 핵심 요소지만, 기존 액체 흡수 방식이나 극저온 분리 방식은 높은 에너지 소비와 비용 부담이 한계로 지적돼 왔다.

이러한 대안으로 다공성 흡착 소재 기반 기술이 부상하고 있으며, 특히 MOFs는 넓은 표면적과 구조 설계 유연성으로 유망 소재로 평가받는다. 다만 합성 과정에서 발생하는 구조적 결함으로 인해 기공이 불균일해지고, 이산화탄소 흡착에 유리한 미세 기공이 감소하는 문제가 있었다. 기존에는 화학 처리나 열처리로 이를 보완했으나, 공정 복잡성과 구조 손상 우려가 뒤따랐다.

연구팀은 화학 공정을 배제하고 레이저를 활용한 ‘레이저 유도 기공 엔지니어링(LIPE)’ 기술을 개발해 이러한 한계를 극복했다. 이 방식은 소재를 순간적으로 가열한 뒤 급속 냉각하는 과정을 통해 내부 결함을 재조직하고 기공 구조를 균일하게 개선하는 것이 핵심이다.

그 결과 이산화탄소 분리에 비효율적인 큰 기공은 줄이고, 선택적 흡착에 유리한 미세 기공과 표면 특성을 형성하는 데 성공했다. 실제로 적용 결과, 비표면적은 최대 94%, 이산화탄소 흡착량은 최대 75%까지 향상된 것으로 나타났다.

특히 기존처럼 결함을 제거하거나 새로 형성하는 방식이 아니라, 이미 존재하는 결함을 재배열해 성능을 끌어올렸다는 점에서 기술적 차별성을 확보했다. 이를 통해 추가적인 화학 공정 없이도 소재 성능을 정밀하게 제어할 수 있어 공정 단순화와 비용 절감을 동시에 달성할 수 있다.

이번 기술은 천연가스 정제뿐 아니라 수소·메탄 생산 공정 등 다양한 가스 분리 산업에 적용 가능하며, 탄소중립 실현을 위한 핵심 소재 기술로 활용될 전망이다. 저에너지·대면적 공정이 가능하다는 점에서 산업적 확장성도 높다는 평가다.

연구책임자인 이희정 선임연구원과 박성환 교수는 “해당 기술은 탄소포집 및 가스분리 산업에 적용될 차세대 핵심 기술로 발전 가능성이 크다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 산업통상부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 Small에 지난 3월 12일 온라인 게재됐다.