▲ 공과대학 화공생명공학과 최정규 교수

체로 거르듯 이산화탄소만 분리하는제오라이트 분리막 개발
초음파를 이용하여 제오라이트로 구성된 균일층 형성 
앙케반테케미 인터네셔날 판 게재

골재에서 미세한 모래를 선별해 내는 체(sieve) 처럼 지구온난화의 원인인 이산화탄소만 선택적으로 분리해 내는 제오라이트 분리막 제조 기술을 국내 연구진이 개발했다.

향후 해당 기술 개발이 완성되어 이산화탄소 포집 및 처리 기술(CCS)에 적용될 경우, 기존 기술 대비 에너지 소모가 현격히 감소되어 CO2포집 비용을 현재 수준의 1/3이하로 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 
*CCS(Carbon Capture and Sequestration) CO2를 대량발생원으로부터 포집한 후 압축·수송 과정을 거쳐 지중에 안전하게 저장하거나 유용물질로 전환하는 일련의 과정

공과대학 화공생명공학과 최정규 교수팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 (재)한국이산화탄소포집및처리연구개발센터의 지원으로 이뤄졌으며, 해당 결과는 화학분야 저명 학술지인 ‘앙케반테 케미’ 10일자 온라인판에 게재됐다.
* (논문명) Uniform Si-CHA Zeolite Layers Formed by a Selective Sonication-Assisted Deposition Method

현재 이산화탄소를 포집하는 기술은 크게 습식, 건식, 분리막 포집기술 등으로 나누어지며, 이중 분리막 기술은 콤팩트한 공정 구현이 가능하여 CO2포집비용을 혁신적으로 낮출 수 있는 유망 기술로 인식되고 있다. 

제오라이트를 분리막으로 사용하는 개념은 오래 전부터 제시되어 왔으나, 제오라이트의 비균질적인 물질 특성으로 인해 균일한 분리막을 만드는 것이 난제로 여겨져 왔다.

최정규 교수팀은 이를 해결하기 위해 이산화탄소와 크기가 유사한 기공크기를 갖는 CHA 타입의 제오라이트에 초음파를 적용하여 균일한 제오라이트 층을 형성하는데 세계최초로 성공했다. 이는 정육면체 형태와 납작한 형태가 혼재한 CHA 타입의 제오라이트에 초음파 처리를 통해 납작한 형태의 입자만을 선택적으로 증착시킨 결과다.
* 이산화탄소 크기 0.33nm, CHA 타입제오라이트의 기공크기 0.37nm(1nm=10억분의 1m)

연구진은 이번 연구를 바탕으로 기공 구조가 배열된 1μm 수준의 제오라이트 박막 제조와 수분에 대한 안정성 및 대면적화에 대한 추가 연구를 통해 실 배가스에 적용가능한 제오라이트 분리막 개발을 완성할 계획이다.

[ 용 어 설 명 ]

1. 제오라이트 (Zeolite)
○ 1756년 스웨덴 생물학자인 Cr?nstedt가 처음 보고한 물질로 그리스어로 boiling stone이라는 의미를 지녔다. 제오라이트는 전통적으로 실리콘(일부 알루미늄이 실리콘을 치환함)이 산소와 정사면체 결합을 하며 이 때 어떻게 연결되느냐에 따라 다양한 크기를 지닌 기공 구조(pore structure)를 지니게 된다. 산업적으로 제오라이트는 촉매, 이온 교환제 등으로 많이 사용되며, 특히 고체 세제에 연화(water softening) 목적으로 대부분 사용되고 있다.

2. CHA 타입 제오라이트 (CHA Type Zeolite)
○ 여러 제오라이트 중에서 구조적으로 CO2는 통과할 수 있으나 CO2보다 큰 N2는 통과하기 어려운 기공 크기를 지닌 CHA (Chabazite) 타입의 제오라이트를 이 연구에 사용하였다. 특히, 위에서 언급한 알루미늄이 존재하지 않고 오로지 실리콘과 산소로 구성되어 있는 CHA 타입의 제오라이트를 사용하였으며, 편의상 이를 all-silica CHA 타입 제오라이트라고 부른다.

3. 분리막 (Membrane)
○ 두가지 이상의 분자중에 특정 분자(또는 분자들)를 선택적으로 투과시킬 수 있는 장벽(barrier)을 일컫는다. 분리막을 구성하는 물질과 이를 우선적으로 투과하는 분자간의 상호 작용이 다른 분자와의 상호 작용보다 우세할 때 선택적인 투과를 기대할 수 있다. 분리하고자 하는 분자가 다른 분자들과 섞여 있는 혼합물 상태로 분리막으로 공급될 때 원하는 분자만이 분리막을 통해 투과되므로 연속적인 분리를 구현하는 데 이롭다.

4. 분자체 (Molecular Sieve)
○ 분리막을 구성하는 물질인 제오라이트의 경우 그 기공의 크기가 분자의 크기와 비슷하여 마치 공사장에서 체(sieve)를 이용하여 자갈과 모래를 구분해 내듯이 분자 규모에서의 분자 크기의 차이를 구분할 수 있어 종종 제오라이트를 분자체(molecular sieve)라고 부른다.

5. 제오라이트 분리막 (Zeolite Membrane)
○ 선택적인 분자 투과 능력을 지닌 제오라이트로 이루어진 분리막. 원하는 분자의 크기보다는 크지만 원하지 않는 분자의 크기보다는 작은 기공 크기를 지닌 제오라이트 분자체(molecular sieve)를 적절히 선택한 후, 이를 다공성 지지대 위나 안에 제작하면 분리막으로서의 연속적인 분리 역할을 수행할 수 있다.

6. 씨앗 또는 이차 성장 (Seeded or Secondary Growth)
○ 제오라이트와 같은 무기 입자(inorganic particle)의 경우, 이미 생성한 입자에 적충 성장(epitaxial growth)을 실시하여 원하는 형태를 지닌 제오라이트 입자나 처음부터 합성하는 데 오래 걸리는 제오라이트를 수월하게 얻을 수 있다. 이때 이미 생성한 입자를 씨앗(seed)이라 부르고 이 입자를 한번 더 성장시킨 것을 씨앗 또는 이차 성장(seeded or secondary growth)라 부른다. 이러한 제오라이트 합성 성질을 제오라이트 분리막 제작에 적용시킬 수 있는 데, 이 방법을 또한 씨앗 또는 이차 성장이라 부른다. 분리막을 생성하기 위해서는 먼저 제오라이트 입자만으로 구성된 층을 형성하고 이를 추가적으로 길러 원하는 연속적인 제오라이트 분리막을 얻을 수 있다.

7. 씨앗 층 (Seed Layer) 
○ 위의 씨앗 또는 이차 성장의 기반이 되는 제오라이트 입자만으로 구성된 층을 일컫는다. 이는 위에서 언급한 이미 생성한 입자를 두고 씨앗 (seed)이라고 부른 것과 유사하게 제오라이트 입자로 구성된 층이 연속적인 제오라이트 분리막으로 성장되므로 씨앗 층(seed layer)이라 부른다.

8. 이산화탄소 포집·처리 (CCS, Carbon Capture and Sequestration)
○ 이산화탄소 포집·처리기술은 화석연료 사용으로 인해 발전소, 철강, 시멘트 공장 등 대량발생원으로부터 이산화탄소를 포집한 후 압축 및 수송하는 과정을 거쳐 육상 또는 해양지중에 안전하게 저장하거나 유용물질로 전환하는 일련의 과정을 뜻한다. 이산화탄소를 직접 효율적으로 줄일 수 있는 기술인 CCS는 포집기술, 수송기술, 저장기술, 그리고 전환기술로 크게 네 가지로 나누어진다. 

홍보팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)