스마트폰 충전 전력으로 '95% 이상' 고순도 이산화탄소 포집

스마트폰 충전 전압(3V) 수준의 전력으로도 95% 이상의 고순도 이산화탄소를 포집할 수 있는 기술이 개발됐다. 이 기술은 태양광·풍력 등 재생에너지와도 연계가 용이해 탄소중립 공정 전환을 앞당길 '게임 체인저'로 주목받는다.

KAIST는 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀이 미국 MIT 화학공학과 T. 앨런 해튼 교수팀과 공동연구를 통해 전도성 은나노 파이버 기반의 '초고효율 전기 구동 직접공기포집(Electrified Direct Air Capture·이하 e-DAC)' 기술을 세계 최초로 개발했다고 25일 밝혔다.

(왼쪽부터) KAIST 생명화학공학과 고동연 교수, MIT 화학공학과 T. Alan Hatton 교수, 이영훈 박사. KAIST 제공

직접공기포집(Direct Air Capture·이하 DAC)은 대기 중에 아주 희박하게(400ppm 이하) 존재하는 이산화탄소를 직접 걸러내는 기술이다. 기존에는 DAC 기술을 상용화하는 데 높은 에너지 비용이 걸림돌이 됐다.

DAC 공정은 흡수 및 흡착된 이산화탄소를 다시 분리(재생)하는 과정에서 100도 이상의 고온 증기를 필요로 하며, 이 과정에서는 전체 에너지의 70%가 소모될 만큼 에너지 효율성이 중요하다. 같은 이유로 복잡한 열 교환 시스템이 필수적인 상황에서 경제성을 확보하는 게 쉽지 않았다.

이와 달리 이번 연구는 DAC의 실질적 상용화 가능성을 보여준다. 먼저 공동연구팀은 '전기를 통해 스스로 뜨거워지는 파이버(섬유)'를 적용해 에너지 비용 문제를 해소했다. 전기장판처럼 섬유에 전기를 직접 흘려 열을 발생시키는 것처럼 '저항 가열(Joule heating)' 방식을 도입해 외부 열원 없이 필요한 지점만 정확하게 가열해 에너지 손실을 줄인 게 주효했다.

이 기술을 적용하면 3V 수준의 낮은 전압만으로도 80초 만에 섬유를 110도까지 빠르게 가열할 수 있다. 이는 저전력 환경에서도 흡착과 재생 사이클을 획기적으로 단축, 기존 기술보다 열손실(감열)을 20%가량 줄이는 효과를 가져온다.

연구의 핵심은 단순히 전기가 통하는 파이버를 만든 것에 그치지 않고, '숨 쉬는 전도성 코팅'을 구현해 '전기 전도'와 '기체 확산'을 동시에 충족한 데 있다.

은 나노 복합체 기반 전도성 섬유형 DAC 소자 모식도. KAIST 제공

공동연구팀은 은 나노와이어와 나노입자를 혼합한 복합체를 다공성 파이버 표면에 머리카락 굵기보다 가는 3?m 두께로 균일하게 코팅했다.

이를 통해 구현한 '3차원 연속 다공 구조'는 전기가 잘 통하면서도 이산화탄소 분자를 파이버 내부까지 원활하게 이동시키는 통로를 확보해 균일하고 빠른 가열과 효율적 이산화탄소 포집을 동시에 가능하게 한다.

또 다수의 파이버를 모듈화 해 병렬로 연결했을 때 전체 저항이 1Ω 이하로 낮아져 대규모 시스템으로 확장하는 것이 가능하다는 것도 입증했다. 이를 통해 공동연구팀은 실제 대기 환경에서 95% 이상의 고순도 이산화탄소를 회수하는 데 성공했다.

공동연구팀은 2020년부터 5년간 연구를 진행한 끝에 이 같은 결실을 맺었다. 특히 2022년 말 핵심 기술의 특허협력조약(PCT) 및 국내·국제 특허출원을 완료해 지식재산권을 확보했다. 이는 해당 기술의 연구 진척도가 매우 높으며, 실험실 수준을 넘어 실질적인 상용화 가능성이 있다는 점을 의미한다.

전기만으로 구동돼 태양광, 풍력 등 재생에너지와의 연계가 용이하다는 점은 이 기술의 혁신적 강점으로 꼽힌다. 이는 RE100을 선언한 글로벌 기업의 탄소중립 공정 전환 수요에도 부합한다.

고동연 교수는 "DAC는 단순히 이산화탄소 배출을 줄이는 기술을 넘어, 공기 자체를 정화하는 '음(陰)의 배출(negative emissions)'을 가능케 할 핵심 수단"이라며 "특히 e-DAC는 산업 현장은 물론 도심형 시스템까지 폭넓게 활용될 수 있어 한국이 미래 DAC 기술의 선도국으로 도약하는 데 기여할 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 박사과정 졸업생 이영훈 박사(現 MIT 화학공학과)가 주도하고 MIT 화학공학과 이정훈·주화주 박사가 공동 제1 저자로 참여해 수행했다. 연구 결과는 지난 1일 재료과학 분야 학술지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr