아이언맨에 나오는 '아크원자로'의 원료 중수소, 효율적 분리 물질 개발

미국화학학회지(JACS) 지난 14일자 표지논문 실려
'플렉시블 금속-유기 골격체' 물질이 중수소를 선택적으로 흡착하는 현상 발견
UNIST 문회리 교수팀, 경남과학기술대학교 오현철 교수, 한국원자력연구원 오인환 박사팀과 공동 연구

'유연한 금속-유기 프레임워크에서 특정 동위원소 반응 호흡 전환'/출처=미국화학학회지(JACS)

국내 연구진이 영화 아이언맨에 나오는 '아크원자로'의 원료이자 '인공 태양'이라고 불리는 핵융합발전의 원료인 중수소를 효율적으로 얻을 수 있는 물질을 개발해 화제가 되고 있다.

22일 울산과학기술원(UNIST)은 화학과 문회리 교수팀이 특정 온도와 압력에서 '플렉시블 금속-유기 골격체(flexible metal-organic framework)' 물질이 중수소를 선택적으로 흡착하는 현상을 발견했다고 밝혔다.

이 원리를 이용해 수소 기체로부터 중수소를 더 쉽고 경제적으로 분리 할 수 있다고 한다.

로버트 다우니 주니어가 주인공으로 나오는 영화 아이언맨에서 잘 알려진 '아크원자로'는 핵융합 발전을 이용해 폭발적인 에너지를 만든다고 알려져있다. 아이언맨 1편에서 아프가니스탄의 한 동굴에서 미사일에서 얻어진 팔라듐이라는 금속을 이용해 아크원자로가 만들어진다.

원자로는 핵 반응에 의해서 생성되는 열을 이용해 전기 에너지를 얻는 장치이다.

중수소는 바로 이 아크원자로의 원료로 일반적인 수소보다 중성자를 더 갖는 수소의 '동위원소'로 전체 수소 기체 중 약 0.016%로 아주 미량만 포함돼 있어 분리하기가 까다롭고 가격도 비싸다.

내부에 구멍이 많고 구멍의 크기가 변하는 '플렉시블 금속-유기 골격체'를 이용해 중수소를 분리하는 방법이 있지만, 정교한 온도와 압력 조절이 필요하고 분리 가능한 양도 적다. 기공에 중수소만 흡착할 수 있는 조건을 맞추기 어렵기 때문이다.

문회리 교수/사진=UNIST — 2017년 12월 문회리 교수팀의 중수소 분리관련 연구 소개글 캡처, 문회리 교수(왼쪽)/사진=UNIST

지난 2017년 문회리 교수팀은 대표적인 플렉시블 금속-유기 골격체인 ‘MIL-53’을 이용해 중수소를 효과적으로 분리하는 데 성공했다고 밝힌 바 있다.

문회리 교수 연구팀은 이 'MIL-53'가 특정 온도 및 압력 아래에서 중수소에만 기공이 열리는 '두 번째 호흡 현상'이 발생한다는 사실을 발견하고 이를 통해 많은 양의 중수소를 얻어 내는 방법을 고안했다.

연구팀은 양쪽 끝이 뚫린 긴 고무관처럼 생긴 플렉시블 금속-유기 골격체인 ‘MIL-53’을 이용해 중수소 분리 실험을 진행했다. 그 결과 골격체 내부의 0.26 nm(나노미터, 1nm=10억 분의 1m) 크기의 작은 기공은 극저온(영하 253도)에서 수소 기체를 만나는 순간부터 0.67nm로 커졌다.

여기서 온도를 높이고 압력을 800~1000 mbar로 유지하면 두 번째 호흡 현상에 의해 또 한 번 기공이 확장한다. 두 번째 호흡 현상은 중수소에 의해서만 발생했다.

실험결과 두 번째 호흡으로 인해 추가로 흡착 할 수 있는 중수소의 양은 다공성 물질 1g 당 32mg으로, 이는 기존 연구에서 분리한 중수소 양(12g)의 2.5배다.

오현철 교수는 "이번 연구는 플렉시블 금속-유기 골격체의 기공 크기가 특정 동위원소에만 선택적으로 반응하여 구조가 변하는 새로운 흡착 현상을 세계 최초로 발견한 데 큰 의의가 있는 것"이라며 "이를 활용하면 복잡하게 분리 시스템을 설계하고 가공하지 않아도 경제적인 동위원소 분리 및 중수소 농축이 가능하다"고 설명했다.