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경상국립대 오현철 교수 "확산속도 차이로 수소·중수소 분리…고효율 다공성소재 개발"
"유연 소재 내 수소 동위원소 확산속도 차이 첫 규명"(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 우리나라 연구진이 일본 후쿠시마 원전 오염수 속 삼중수소를 분리해내는 기술의 실마리를 마련했다.
경상국립대 오현철 교수와 독일 뮌헨공대 박지태 박사 연구팀은 7일 금속과 유기 골격체를 사용해 조건에 따라 내부 기공이 팽창하는 독특한 다공성 물질을 제작, 수소(H₂)와 중수소(D₂)의 확산속도 차이가 고온에서 더욱 커지는 현상을 최초로 규명했다고 밝혔다.
단단한 구조 및 유연한 구조에서의 수소 동위원소 확산계수 비교
구조변화가 없는 단단한 구조의 다공성 물질 내에서 수소 및 중수소 확산은 저온에서 차이가 발생하지만 유연한 구조의 금속-유기 골격체 내에서는 고온에서 확산 차이가 발생하는 역전 효과가 있음을 보여준다. [경상국립대 오현철 교수팀 제공. 재판매 및 DB 금지] 이 연구결과는 이날 신소재분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials) 표지논문에 선정돼 온라인으로 공개됐다.
수소와 중수소, 삼중수소 같은 동위원소는 원자번호는 같고 중성자 수가 달라 질량 차이 외의 다른 물리·화학적 특성이 거의 같아서 섞여 있으면 분리하기가 매우 어렵다.
특히 방사성 삼중수소는 분리·추출 기술이 다양하게 개발돼 왔으나 낮은 경제성 등으로 실용화되지 못하고 있다.
이 때문에 일본 정부는 후쿠시마 원전 오염수에서 삼중수소를 제거하는 대신 희석해 농도를 낮춘 뒤 바다에 방류할 계획으로 알려졌다.
현재 연구되는 수소 동위원소 분리공정은 액체 헬륨 온도인 영하 254℃의 극저온에서 다공성 물질을 통과할 때 확산속도 차이가 벌어지는 현상을 이용한다. 문제는 온도가 올라가면 확산속도 차이가 없어져 분리 효율이 크게 떨어진다는 점이다.
연구팀은 이 연구에서 금속과 유기 골격체를 이용해 압력이나 온도, 통과하는 분자 등에 따라 내부에 있는 나노미터(㎚=10억 분의 1m) 수준의 구멍들 크기가 변하는 '유연성 금속-유기 골격체'를 제작했다.
이 유연한 구조의 다공성 소재는 액체 헬륨보다 60℃가량 높은 액체 질소 온도(영하 196℃)에서 수소와 중수소의 확산속도 차이가 3배 이상 커지고, 중수소에 대한 선택적 반응 특성이 있어 동위원소 분리에 효과적인 것으로 나타났다.
나노 기공의 크기가 변하지 않는 기존 소재는 액체 질소 온도(영하 196℃)에서 수소와 중수소 간 확산속도 차이가 없어져 두 원소를 분리하는 데 사용할 수 없다.
연구팀은 수소와 중수소가 '유연성 금속-유기 골격체'의 기공 안으로 들어가면 기공 구조가 1차 확장되고, 이후 중수소에 의해 기공의 유연 구조가 선택적으로 반응하면서 2차 확장이 일어나 여분의 공간이 중수소에만 확보돼 이동속도가 빨라진다고 설명했다.
연구팀은 또 이 연구 결과를 활용하면 수소 동위원소 분리공정 온도를 종전 영하 254℃)에서 영하 196℃까지 끌어올릴 수 있는 것이라며 앞으로 액화천연가스 온도(영하 160℃), 드라이아이스 온도(영하 78.5℃), 궁극적으로는 상온으로 높이는 게 목표라고 밝혔다.
오현철 교수는 "현재까지 개발된 오염수 내 삼중수소 처리기술은 경제성이 낮아 일본은 오염수를 희석해 바다로 방류하는 방식을 계획하고 있다"며 "이 연구 성과가 더 실용적인 수소 동위원소 분리기술을 개발하는 데 실마리가 될 수 있을 것"이라고 말했다.
그는 다만 이 연구는 높은 농도의 중수소 기체 분리 가능성을 검증한 것으로 후쿠시마 오염수 같은 낮은 농도의 삼중수소 액체 분리에 적용하려면 추가 검증이 필요하다고 덧붙였다.
국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 표지논문 사진.
기공 크기가 변하는 유연한 '금속-유기 골격체'의 경우 저온에서 수소와 중수소의 확산 차이가 크지 않으나 상대적으로 높은 온도에서 구조 변화가 생기며 중수소 확산이 빨라지는 현상을 표현한 그림. [경상국립대 오현철 교수 제공. 재판매 및 DB 금지] scitech@yna.co.kr
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▲왼쪽부터 경상국립대 정민지·박재우 박사과정생, 독일 뮌헨 공과대 박지태 박사·오현철 경상국립대 교수 
[서울=뉴시스]단단한 구조 및 유연한 구조에서의 수소 동위원소 확산계수 비교: 구조변화가 없는 단단한 구조의 다공성 물질 내에서 수소 및 중수소 확산은 저온에서 차이가 발생하지만 유연한 구조를 가진 금속-유기 골격체 내 수소 및 중수소 확산은 고온에서 확산차이가 발생하는 역전 효과가 있음을 보여주고 있다. (출처: 경상국립대학교 오현철 교수 
[서울=뉴시스]기공 크기가 변하는 유연한 금속유기 골격체의 경우, 저온에서 수소와 중수소의 확산차이가 크게 나지 않으나, 상대적으로 높은 온도에서는 구조 변화가 발생하며 중수소 확산이 빨라지는 현상을 이미지화 한 그림 (출처: 경상국립대학교 오현철 교수)
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