KAIST, 수소 선별하는 초미세 고분자막 개발

한국과학기술원(KAIST) 배태현 생명화학공학과 교수팀이 여러 기체가 섞인 가스에서 수소를 선택적으로 분리할 수 있는 고분자 분리막을 개발했다. 연구팀은 고분자 내부에 원자·분자 크기의 초미세 이동 통로를 조성하고, 통로의 연결 상태가 수소 분리 성능을 좌우한다는 점을 규명했다. 수소 분리·정제의 효율을 높일 수 있는 새로운 설계 방향을 제시한 성과다.

연구팀은 고분자 사슬을 잇는 가교제를 활용해 작은 수소가 통과할 수 있는 촘촘한 그물망 구조를 구현했다. 개발된 분리막 ‘ms-oDMB-DB50’의 가교 연결 완성도는 73%로 측정됐으며, 막 내부에 초미세 공간이 다수 형성된 사실도 확인됐다. 100시간 연속 운전에서도 수소 분리 성능이 저하되지 않았고, 잡아당기는 힘을 견디는 정도는 기존 최고 성능 수준의 고분자 분리막보다 약 2배 높았다.

분리막은 수소를 분리하고 정제하는 방법 가운데 하나다. 금속유기골격체(MOF)와 공유결합유기골격체(COF) 같은 다공성 소재가 후보로 주목받았지만, 결함 없는 막을 넓은 면적으로 제조하기 어렵고 기체가 통과하는 미세 공간의 크기를 정밀하게 조절하는 데 한계가 있었다. 기존 연구가 고분자 안의 가교 지점 수에 주로 초점을 맞췄다면, 이번 연구는 각 연결이 온전한 하나의 망을 이루는지를 평가했다.

연구팀은 고분자 내 연결이 얼마나 완전하게 형성됐는지를 보여주는 ‘가교 연결 완성도’를 새 지표로 제안하고, 이를 네트워크 완결성의 관점에서 분리 성능과 연결했다. 연구에는 이홍주 박사가 제1저자, 최수현 연구원이 제2저자, 배태현 교수가 교신저자로 참여했다. 이 박사는 현재 한국과학기술연구원(KIST) 박사후연구원으로 재직 중이며, 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.