열처리 기술 활용해 CO2 포집 비용 저감 고분자 분리막 개발

간단한 열처리만으로 이산화탄소를 선택적으로 투과시키는 고분자 분리막(단순히 얇은 막이 아닌 물질을 분리하는 기능을 갖는 신소재로 된 고분자 막)이 개발됐다. 향후 이산화탄소 포집 비용을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 서강대학교 이종석 교수 연구팀이 높은 이산화탄소 분리 성능과 뛰어난 장기 안정성을 동시에 확보한 외부 유래 미세다공성(Microporous) 고분자 분리막을 개발했다고 밝혔다.

‘외부 유래 미세다공성 고분자 분리막(Extricsically Microporous Polymer Membrane, EMPM)’은 고분자 자체의 뒤틀린 구조에서 기공이 생기는 미세다공성 고분자(Polymers of Intrinsic Microporosity, PIMs)와 달리, 외부 공정을 통해 고분자 사슬을 재배열하고 연결하여 인위적으로 안정적인 미세기공을 형성시킨 고분자 분리막이다.

분리막 기술은 특정 물질만을 선택적으로 투과시켜 혼합물을 분리하는 기술로, 기존의 열 기반 분리 공정보다 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있다. 이산화탄소 포집에서는 막을 이용해 이산화탄소만을 선택적으로 통과시켜 분리하는 방식을 활용한다.

그러나 기존 상용 고분자 분리막은 기체 분리 성능이 낮고, 고압의 응축성 가스에 의해 선택도가 감소하거나, 시간이 지남에 따른 물리적 노화로 성능이 저하된다는 한계가 있다.

연구팀은 새로운 개념의 외부 유래 미세다공성 고분자 분리막을 제시, 간단한 열처리만으로 기존 고분자 분리막 소재의 고질적인 한계인 투과도-선택도 간 트레이드오프(trade-off : 기존 고분자 분리막에서 투과도가 높아지면 선택도가 낮아지고, 선택도가 높아지면 투과도가 낮아지는 상충관계) 문제를 해소하고, 산업 적용을 가로막았던 안정성 문제까지 해결했다.

불소를 포함한 방향족 고분자를 열처리하면 선택적 탈불소화 현상이 일어나게 되는데, 이때 고분자 사슬에서 불소 원자가 떨어져 나가고 그 자리에 반응성이 매우 높은 라디칼(짝지어지지 않은 홀전자를 가진 원자나 분자. 전자가 짝지어지지 않았기에 매우 불안정하여 반응성이 큰 특징이 있다.)이 생성된다.

생성된 라디칼은 인접한 고분자 사슬과 새로운 결합을 형성해 견고하고 영구적인 3차원 네트워크 구조를 만든다. 이렇게 형성된 미세기공 덕분에 분리막은 높은 이산화탄소 분리 성능과 뛰어난 장기 안정성을 동시에 확보할 수 있었다.

연구팀은 여기에서 나아가 속이 빈 섬유 모양의 고분자 막을 의미하는 중공사막(hollow fiber) 형태로 제작하는 데도 성공해 대규모 생산과 산업 적용 가능성을 높였다.

연구팀은 이번에 규명한 외부 유래 미세다공성 구조 형성 메커니즘을 다양한 고분자 구조에 적용해, 석유화학 공정과 수소 생산 등 차세대 친환경 분리 공정은 물론, 배터리와 촉매 등 기후변화 대응과 에너지 전환 시대에 필수적인 분야로 기술을 확장하는 후속 연구를 진행할 계획이다.