3볼트(V) 스마트폰 충전전압 수준의 저전력으로 95% 이상 고순도 이산화탄소를 포집할 수 있는 기술이 세계 최초로 개발됐다.
한국과학기술연구원(KAIST) 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀과 미국 매사추세츠공과대(MIT) 화학공학과 앨런 해튼 교수팀은 전도성 은나노 파이버 기반의 초고효율 전기구동 '직접공기포집(e-DAC, Electrified Direct Air Capture)' 기술을 세계 최초로 개발했다고 25일 밝혔다.
기존 DAC 공정은 흡수 및 흡착된 이산화탄소를 다시 분리(재생)하는 과정에서 100℃ 이상의 고온 증기가 필요했다. 이 과정에서 전체 에너지의 70%가 소모될 만큼 에너지 효율성이 중요한 공정이며, 복잡한 열교환 시스템이 필수적이어서 경제성 확보가 어려웠다.
이에 연구진은 '전기로 스스로 뜨거워지는 파이버(섬유)'로 이 문제를 해결했다. 마치 전기장판처럼 섬유에 전기를 직접 흘려 열을 발생시키는 '저항 가열(Joule heating)' 방식을 도입한 것이다. 외부 열원 없이 필요한 곳만 정확하게 가열해 에너지 손실을 획기적으로 줄였다.
이 기술은 스마트폰 충전 수준인 단 3V의 낮은 전압만으로 80초만에 섬유를 110℃까지 빠르게 가열한다. 이는 저전력 환경에서도 흡착과 재생 사이클을 획기적으로 단축하며, 기존 기술 대비 불필요한 열 손실(감열)을 약 20%나 줄이는 성과를 거뒀다.
이번 연구의 핵심은 단순히 전기가 통하는 파이버를 만든 것이 아니라 '숨쉬는 전도성 코팅'을 구현해 '전기 전도'와 '기체 확산'의 두 마리 토끼를 잡은 데 있다.
연구팀은 은 나노와이어와 나노입자를 혼합한 복합체를 다공성 파이버 표면에 머리카락 굵기보다 훨씬 가는 약 3마이크로미터(µm) 두께로 균일하게 코팅했다. 이렇게 구현된 ‘3차원 연속 다공 구조’는 전기는 매우 잘 통하면서도 이산화탄소 분자가 파이버 내부까지 원활하게 이동할 수 있는 통로를 확보해, 균일하고 빠른 가열과 효율적인 이산화탄소 포집을 동시에 가능하게 했다.
또 다수의 파이버를 모듈화해 병렬로 연결했을 때 전체 저항이 1옴(Ω) 이하로 낮아져, 대규모 시스템으로의 확장 가능성도 입증했다. 연구팀은 실제 대기 환경에서 95% 이상의 고순도 이산화탄소를 회수하는 데 성공했다.
5년간 연구끝에 이같은 성과를 낸 연구팀은 논문 발표 이전인 2022년말 핵심기술에 대한 PCT 및 국내·국제 특허(WO2023068651A1, 진입국: US, EP, JP, AU, CN) 출원을 완료해 원천 지적재산권을 확보했다.
이 기술의 가장 큰 혁신은 전기만으로 구동돼 태양광, 풍력 등 재생에너지와의 연계가 매우 쉽다는 점이다. 이는 RE100을 선언한 글로벌 기업들의 탄소중립 공정 전환 수요에 완벽히 부합한다는 점에서 '게임 체인저' 기술로 주목받고 있다.
연구를 이끈 KAIST 고동연 교수는 "직접공기포집(DAC)은 단순히 이산화탄소 배출을 줄이는 기술을 넘어, 공기 자체를 정화하는 '음(陰)의 배출(negative emissions)'을 가능케 하는 핵심 수단"이라며 "이번에 개발한 전도성 파이버 기반 DAC 기술은 산업 현장은 물론 도심형 시스템까지 폭넓게 활용될 수 있어, 한국이 미래 DAC 기술의 선도국으로 도약하는 데 크게 기여할 것"이라고 밝혔다.
이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 박사과정(2023년 졸업) 이영훈 박사(現 MIT 화학공학과)가 주도하고 MIT 화학공학과 이정훈, 주화주 박사가 공동 제1 저자로 참여했다.
이 연구결과는 재료과학 분야의 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 8월 1일자 온라인 게재됐다.
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