KAIST 연구진이 스마트폰 충전 전압(3V) 수준의 저전력만으로 95% 이상의 고순도 이산화탄소(CO2)를 포집하는 데 성공했다. 이미 해외 특허 출원이 완료했다. 태양광·풍력 등 재생에너지와도 쉽게 연계할 수 있다.
KAIST는 고동연 생명화학공학과 교수 연구팀이 미국 MIT 화학공학과 T. 앨런 해튼 교수팀과 공동 연구를 통해, 전도성 은나노 파이버 기반 한 초고효율 전기 구동 DAC(e-DAC, Electrified Direct Air Capture) 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
직접공기포집(DAC)은 대기 중에 아주 희박하게(400ppm 이하) 존재하는 이산화탄소를 직접 걸러내는 기술이다. 존 DAC 공정은 흡수 및 흡착된 이산화탄소를 다시 분리(재생)하는 과정에서 100℃ 이상의 고온 증기가 필요했다. 이 과정에서 전체 에너지의 70%가 소모될 만큼 열교환 시스템이 필수적이어서 경제성 확보가 어려웠다.
KAIST가 주도한 공동 연구팀은 이 문제를 ‘전기로 스스로 뜨거워지는 파이버 (섬유)’로 해결했다. 마치 전기장판처럼 섬유에 전기를 직접 흘려 열을 발생시키는 ‘저항 가열(Joule heating)’ 방식을 도입한 것이다. 외부 열원 없이 필요한 곳만 정확하게 가열해 에너지 손실을 획기적으로 줄였다.
3V의 낮은 전압만으로 80초 만에 섬유를 110℃까지 빠르게 가열한다. 이는 저전력 환경에서도 흡착과 재생 사이클을 획기적으로 단축하며, 기존 기술 대비 불필요한 열 손실(감열)을 약 20% 줄이는 성과를 거뒀다.
연구팀은 ‘숨쉬는 전도성 코팅’을 구현해 ‘전기 전도’와 ‘기체 확산’의 두 마리 토끼를 잡았다. 은 나노와이어와 나노입자를 혼합한 복합체를 다공성 파이버 표면에 머리카락 굵기보다 훨씬 가는 약 3마이크로미터(µm) 두께로 균일하게 코팅했다. 이렇게 구현된 ‘3차원 연속 다공 구조’는 전기는 매우 잘 통하면서도 이산화탄소 분자가 파이버 내부까지 원활하게 이동할 수 있는 통로를 확보해, 균일하고 빠른 가열과 효율적인 CO2 포집을 동시에 가능하게 했다.
또한 다수의 파이버를 모듈화해 병렬로 연결했을 때 전체 저항이 1옴(Ω) 이하로 낮아져, 대규모 시스템으로의 확장 가능성도 입증했다. 연구팀은 실제 대기 환경에서 95% 이상의 고순도 CO2를 회수하는 데 성공했다.
KAIST 연구진은 논문 발표 이전인 2022년 말 이미 핵심 기술에 대한 PCT 및 국내·국제 특허 출원을 완료해 원천 지적 재산권을 확보했다.
이 기술의 가장 큰 혁신은 전기만으로 구동돼 태양광, 풍력 등 재생에너지와의 연계가 매우 쉽다는 점이다. 이는 RE100을 선언한 글로벌 기업들의 탄소중립 공정 전환 수요에 완벽히 부합하는 기술이라고 연구진은 설명했다.
고동연 KAIST 교수는“직접공기포집은 단순히 CO2 배출을 줄이는 기술을 넘어 공기 정화의 핵심 수단”이라며 “한국이 미래 DAC 기술의 선도국으로 도약하는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.