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에너지공학과 박호범 교수-그래핀 활용한 기체 분리막기술 구현



최근 파리에서 제21차 유엔기후변화협약 당사국 총회가 열렸다. 흔히 파리기후변화회의로 알고 있는 이 회의는 온실가스 배출로 인한 위협에 대해 인류 전체가 공감대를 형성하고 있다는 방증이었다. 산업혁명 이후 화석연료 사용의 급격한 증가는 지금까지도 계속 이어져 이젠 정말 위험한 수준까지 와 있는 상태다. 무엇보다도 확실한 CO2의 감축이 필요한 이 시점에서 분리막 기술은 매우 효율적인 CO2 포집기술로 주목받고 있다. 박호범 교수는 그래핀을 활용한 기체 분리막 기술을 세계 최초로 구현해 내는 것에 성공해 배기가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리할 수 있음을 증명해 냈다.


분리막 공정을 통한 에너지 저감 및 기후변화 극복

 

 

 

박호범 교수

분리막 공정은 에너지를 효율적으로 얻을 수 있는 방법 중 하나다. 특히 1차 분리막 기술을 이용하면 특정한 기체나 이온을 분리하여 새로운 화합물이나 에너지원을 얻을 수 있다. 이를테면 원유에서 화합물을 얻어내는 것이 그런 경우. 기존의 분리 공정들이 에너지 소비가 심하고 장치를 설치하기 위한 면적이 많이 필요하기에 분리막 공정은 상당히 효율적으로 에너지원을 추출할 수 있는 방법 중 하나다. 이를 위해선 당연히 분리막의 소재가 중요한 법인데, 여기서 박호범 교수는 혁신적인 분리막소재를 통해 이산화탄소를 선택적으로 분리해 이산화탄소 배출량을 저감하는 것에 집중했다.

 

사실 이 기술은 우리 일상과 상당히 밀접한 관계를 지니고 있다. 바닷물이나 오염된 물에서 음용수를 생산하는 것에도 사용할 수 있는 기술이다. 박 교수는 그중에서도 이산화탄소를 최대한 저렴하고 효율적으로 처리하는 것에 주목했다. 이산화탄소는 현재 전기에너지를 생산하기 위해선 필연적으로 배출될 수밖에 없다. 보령 화력발전소만 봐도 하루 만 톤 이상의 이산화탄소가 배출된다. 전 세계적으로는 1년에 32기가톤의 이산화탄소가 배출된다. 1기가톤만 하더라도 지구상에 존재하는 인간의 모든 무게를 합친 것보다 많은 양이다. 박 교수는 이산화탄소의 배출을 절감하기 위해 분리막이란 신공정을 사용했고, 그래핀이란 혁신적 소재를 통해 그 공정을 현실로 가능케 했다. 그래핀은 한 층이 탄소 원자 하나로 구성된 세상에서 가장 얇은 2차원 소자다. 이상적인 분리막이란 원하는 분자와 이온을 선택적으로 분리하기 위해 균일한 모양과 크기의 기공을 가지고 있어야 하는데, 이론적으로는 그래핀 자체엔 어떤 물질도 투과할 수 없다. 따라서 박 교수는 그래핀을 적층하여 층 사이의 공간을 통해 기체를 투과시키고 기체 투과 시 원자 간의 속도 차이를 통해 이산화탄소를 분리하기로 했다. 그래핀 표면에 원자단위의 기공을 만든다는 것은 현실적으로 어려우므로, 적층된 그래핀의 층간 거리를 기체투과 채널로 이용한 것. 이는 세계 최초다.

 

 

 

A. 그래핀 분리막 제조 방법 스케일업 기술 / B. 그래핀 분리막의 이산화탄소 분리 메커니즘 / C. 실제 모듈이 적용된 이산화탄소 분리 시스템

 

효율적이고 완성도 있는 연구를 위하여

 

이 기술은 분명 효과적으로 이산화탄소를 분리할 수 있다. 하지만 이 기술을 이용하기 위해 이산화탄소를 저장하다 보면 또 전력이 소비된다는 모순이 생긴다. 이산화탄소를 분리하기 위해 전기료를 인상해야 하는 상황. 이를 해소하기 위해 새로운 분리막 모듈도 만들고 체계적인 막분리 공정 시스템도 개발하는 중이다. 또한 먼 미래를 위해 중점적인 핵심 기술들을 계속 개발해 나가는 중이다. 박 교수는 더 나아가서 새로운 신소재를 이용해 기체분리뿐만이 아닌 해수담수나 에너지를 저장하는 디바이스까지 제작하는 것을 목표로 하고 있다.

 

연구엔 두 가지 방향이 있다고 생각합니다. 하나는 개척해 놓은 걸 보다 완성도 있게 연구하는 방식이고 또 하나는 기존에 없었던 아예 새로운 걸 시도해 새로운 방향성을 제시하는 꼭지점을 찍는 것이죠.” 박 교수는이번 연구를 통해 새로운 분야를 개척할 수 있어 좋았다고 말했다. 그는사실 아무도 안 했기 때문에 시행착오도 많고 불가능하다고 생각할 때도 많았다, “그런 시점들을 현명하게 극복해 나가며 끈기 있게 계속 연구하면 항상 좋은 결과가 생길 거라 믿는다고 각오를 다졌다현시점에서 뛰어난 창의성과 독창성을 띤 연구인 만큼 더욱 뛰어난 성과가 있기를 바란다.

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