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앞줄 왼쪽부터 반시계 방향으로 UNIST 오현철 교수, 공동 제1저자 박재우 연구원, 공동 제1저자 정민지 박사, 이정원 연구원, 박태웅 연구원, 정성엽 연구원 ⓒ울산과학기술원 제공

천연가스의 액화 온도인 영하 162도보다 높은 영하 153도에서 중수소를 분리하는 물질을 국내외 공동연구진이 개발했다.

상용화 시 액화천연가스(LNG) 생산 파이프라인을 그대로 활용할 수 있어 중수소를 경제적으로 생산할 수 있는 길이 열리게 된다.

울산과학기술원(UNIST)은 화학과 오현철 교수팀이 독일 헬름홀츠 연구소, 숭실대 김자헌 교수팀과 공동으로 영하 153도에서 중수소와 수소를 분리해낼 수 있는 다공성 물질을 개발했다고 20일 밝혔다.

중수소는 차세대 핵융합 발전의 원료로, 최근 반도체 공정 분야 등에서 수요가 급증하고 있다.

그러나 수소와 물리화학적 성질이 비슷한 탓에 영하 253도의 극저온 증류 공정을 통해 분리해 낼 수 있어 생산이 까다롭고 비싸다.

최근에는 금속 유기 골격체(MOF)라는 다공성 소재의 기공을 이용해 중수소를 분리하려는 연구가 이뤄지고 있는데, 이 물질도 온도가 올라가면 성능이 떨어지는 한계가 있다.

일반적인 MOF는 영하 250도에서 잘 작동하다가 영하 193도쯤에 도달하면 성능이 급격히 떨어진다.

공동연구팀은 구리 기반 MOF를 개발해 일반적인 MOF와 달리 영하 153도에서도 중수소 분리 성능을 유지하는 데 성공했다.

연구팀은 온도 상승으로 골격 격자가 확장되는 현상을 이용했다.

연구팀이 개발한 MOF는 극저온 상태에서 기공 크기가 수소보다 작아 기체가 통과할 수 없지만, 온도가 상승하면 골격 격자가 벌어지면서 기공이 커지게 된다.

커진 기공으로 기체가 통과하기 시작하면 양자체 효과에 의해 수소와 중수소가 분리된다. 양자체 효과는 저온에서 무거운 원소가 기공을 더 빠르게 통과하는 현상이다.

연구팀은 실시간 X-선 회절 실험과 중성자 산란 실험으로 온도가 올라감에 따라 실제 골격이 확장되는 것을 확인했다.

또 온도를 높여가며 실시한 열 탈착 분석을 통해 고온에서 중수소가 안정적으로 분리되는 사실을 알아냈다.

오현철 교수는 "이번에 개발된 물질은 기존 초극저온 증류법과 비교했을 때 훨씬 적은 에너지를 소모하면서도 높은 분리 효율을 보였다"며 "작동 온도가 천연가스 응축 온도 이상이라 기존 LNG 생산 시설에 바로 결합해 쓸 수 있다는 점에서 산업적 파급력이 클 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 2월 27일자 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 실렸다.

연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 중견연구사업과 해외대형연구시설활용 연구지원사업을 통해 이뤄졌다.