유연소재 내 수소동위원소 확산 기작 최초 규명-사고원전 오염수 속 삼중수소 분리 실마리 제시
작성일 2021-04-07 부서 기초연구진흥과
유연소재 내 수소동위원소 확산 기작 최초 규명
사고원전 오염수 속 삼중수소 분리 실마리 제시
□ 후쿠시마 원전과 같이 사고원전 노심 냉각 후 버려지는 방사성 오염수를 정화시킬 수 있는 동위원소 분리기술에 대한 실마리가 나왔다. 사고원전 오염수에는 다양한 핵종이 존재하며, 대부분의 핵종은 제염처리가 가능하고, 방사성 삼중수소 분리 및 추출 기술은 다양하게 개발 되어 왔으나 낮은 경제성으로 인해 후쿠시마 오염수와 같은 대량의 오염수처리에는 활용되기 어려웠다.
□ 오현철 교수(경상국립대), 박지태 박사(FRM-II, 뮌헨공대) 공동연구팀이 유연한 다공성 소재에서 나타나는 수소 동위원소의 확산속도 차이가 고온에서 더욱 커지는 현상을 규명해냈다고 과학기술정보통신부(장관 최기영)가 밝혔다.
○ 수소 동위원소 분리공정 온도를 종전 연구되던 액체헬륨 온도(영하 254℃)에서 액체질소 온도(영하 196℃)까지 끌어올릴 수 있는 실마리가 될 것으로 기대된다.
□ 그간 같은 원소지만(원자번호가 같은) 중성자가 더 많아 무거운 동위원소가 다공성 물질 안의 좁은 공간을 가벼운 동위원소보다 더 빠르게 확산하는 성질을 이용해 마치 체로 거르듯(sieving) 동위원소들을 서로 분리하려는 연구가 이뤄졌다.
○ 하지만 영하 254℃에 이르는 극저온에서만 이러한 확산속도 차이가 확연하게 나타나기에 고가의 액체헬륨을 사용해야 했다.
□ 하지만 연구팀이 제안한 유연한 구조의 다공성 소재에서는 액체헬륨보다 60℃ 가량 높은 액체질소 온도(영하 196℃)에서 수소와 중수소의 확산속도 차이가 3배 이상이 되는 것으로 나타났다.
○ 기존 단단한 구조의 다공성 소재는 액체질소 온도에서는 수소와 중수소의 확산속도 차이가 없어 분리가 거의 불가능 했다.
□ 핵심은 금속과 유기물로 된 다공성 소재의 구조적 유연성과 동위원소에 대한 선택적 반응에 있었다.
○ 수소와 중수소가 기공 안으로 들어가면 구조가 1차 확장되고, 이후 중수소에 의해서만 유연구조가 선택적으로 반응하여 추가(2차) 확장이 일어나게 되는데, 그때 여분의 공간이 중수소에만 확보되어 이동속도가 더 빨라지게 된다.
○ 한편 이 같은 유연소재 내 확산속도 차이는 수소 동위원소 기체의 흡수량이 많아질수록, 온도가 높아질수록 급증하는 것으로 나타났다.
□ 오현철 교수는“현재 후쿠시마 원전에 사용된 냉각수에는 방사성 삼중수소(반감기 12.4년)가 포함되어 있으나 현재까지 개발된 오염수 내 삼중수소 처리기술은 경제성이 낮아 일본은 오염수를 희석시켜 바다로 방류하는 방식을 계획하고 있다”면서 “이번 연구 성과를 기반으로 보다 실용적인 수소동위원소 분리기술이 개발되는 단초가 될 수 있을 것”이라고 의미를 밝혔다. 다만, 이번 연구는 높은 농도의 중수소 기체 분리 가능성을 검증한 것으로써 후쿠시마 오염수와 같은 낮은 농도의 삼중수소 액체 분리를 위해서는 추가적인 검증이 필요하다.
○ 제1저자인 정민지 박사과정과 중성자 실험을 책임진 박지태 박사도 “이번 연구를 통해 수소 동위원소 분리에서 유연소재의 잠재력을 중성자 실험으로 입증한 좋은 예가 되었다”며 “동위원소 분리 성능 측정을 위한 측정 방식에 대한 새로운 방향을 제시한 것”이라고 설명했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 원자력기초연구지원사업 및 해외대형연구시설활용연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 신소재분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 표지논문으로 선정되며 한국시간 기준 4월 07일 0시 우선 게재(온라인)되었다.
※ 제 1 저자 정민지 박사과정생, 제 1저자 박재우 박사과정생, 교신저자 박지태 박사, 교신 저자 오현철 교수 순
<참고자료> : 1. 주요내용 설명 2. 용어설명 3. 그림설명 4. 연구이야기 5. 연구자 소개
주요내용 설명
논문명
Elucidation of diffusivity of hydrogen isotope in flexible MOFs by Quasi-Elastic Neutron Scattering
저널명
Advanced Materials
키워드
hydrogen isotope separation(수소 동위원소 분리), flexible materials(유연 다공성 물질), quasi-elastic neutron scattering (준탄성 중성자 산란), quantum sieving (양자체 효과), MIL-53
저 자
오현철 교수(교신저자/경상국립대학교), 박지태 박사(교신저자/FRM-II, 뮌헨공과대학교), 정민지(공동 제1저자, 경상국립대학교), 박재우(공동 제1저자, 경상국립대학교), 라이시 무하마드(Raeesh Muhammad) (공동저자, 경상국립대학교), 김진영 교수(공동저자, 서울대학교), 베로니카 그르지멕 박사 (Veronika Grzimek) (공동저자, 독일 베를린 헬름홀츠 연구소, 마가리타 루씨나 (Margarita Russina) (공동저자, 독일 베를린 헬름홀츠 연구소), 문회리 교수(공동저자, 울산과학기술원)
<작성 : 경상국립대학교 오현철 교수>
□ 연구배경
○ 수소 동위원소를 혼합물로부터 효율적으로 분리하는 일이 현대분리기술 중 중요한 도전과제로 꼽히고 있다. 수소와 중수소의 크기나 모양 물리‧화학적 성질이 매우 비슷해 분리하기가 어렵기 때문이다.
○ 일본 후쿠시마 원전에서 발생되는 오염수는 방사성 삼중수소(반감기 12.4년)를 포함하고 있으며, 현재까지 개발된 오염수 내 삼중수소 처리(분리/포집) 기술은 경제성이 낮아 일본은 삼중수소가 포함된 오염수를 희석시켜 바다로 방류하는 것을 계획하고 있다.
○ 이 가운데 수소동위원소를 효율적으로 분리하기 위해 다공성 물질의 양자체(Quantum Sieving) 효과, 특히‘운동 양자체 효과’를 이용하면 마치 체로 거르듯 중수소를 효율적으로 분리하고 저장할 수 있어 관련 연구가 활발하다.
○ 극저온 환경에서 수소 크기에 매우 근접한 기공에서는 수소(H₂)보다 무거운 중수소(D₂)가 더 빠르게 확산될 수 있다는 것이다. 이러한 운동 양자체 효과는 보통 온도가 20K(-253℃) 이하의 극저온 조건에서 4옹스트롬(Å, 1Å=10억 분의 1㎝)보다 작은 기공에서만 그 현상이 명확하게 나타난다.
○ 하지만 온도가 올라가면, 나노다공성 물질 내 수소와 중수소의 확산차이는 점점 줄어들게 되며, 77K(-196℃) 이상에서는 확산차이가 거의 사라져 분리성능이 급격히 저하되는 것으로 알려져 있다. 따라서 고온에서도 수소와 중수소의 확산차이를 유지 시킬 수 있는 소재개발이 절실했다.
□ 연구내용
○ 이번 연구에서는 외부 자극(압력, 온도 및 게스트 분자 등)에 의해 미세한 기공(細孔)이 팽창되는 독특한 다공성 물질인‘플렉서블 금속-유기 골격체’ 본 연구진은 운동 양자체 효과를 높이기 위해 외부 자극에 의해 유연하게 기공 구조를 바꿀 수 있는 플렉서블 금속-유기 골격체(flexible metal-organic framework), MIL-53(Al)을 선택했다. 일반적으로 MIL-53(Al)는 수소 기체에 노출되면 작은 기공(0.26㎚)에서 과도기적인 상태를 거쳐 큰 기공(0.85㎚)으로 변한다. 이러한 ‘호흡 (breathing) 현상’은 기공 입구부터 중심부로 진행된다고 알려져 있다. 이때 MIL-53(Al)은 호흡 현상 따라 중수소 분리에 적합한 기공 크기(0.3~0.34㎚)를 연속적으로 생성해 높은 중수소 선택도를 가질 수 있다. 이뿐 아니라 동시에 많은 양의 중수소를 커진 기공에 저장할 수 있어 분리 효과를 극대화할 수 있다. 본 연구진은 1차 호흡 효과만 가진다고 알려져 있던 유연한 MIL-53에서 중수소에서만 선택적으로 반응하는 2차 호흡 효과가 존재함을 최초로 발견하였으나, 미시적 관점에서 명확한 확산 메커니즘을 증명하지 못하였었다.
를 사용해 수소와 중수소의 확산 차이를 고온에서도 극대화했다.
○ 77K(-196℃)에서 구조가 단단(rigid)한 나노다공성물질에서의 수소와 중수소 확산 차이는 거의 존재하지 않았으나, 플렉서블 금속-유기 골격체 안에서는 확산차이가 3배 증가하는 효과를 세계 최초로 규명했다.
○ 이러한 플렉서블 금속 유기 골격체 내 수소 동위원소의 동역학적 거동 확인을 위해 다양한 온도 및 압력 조건에서 준탄성 중성자 산란(QENS) 측정을 실시하여 각 동위원소의 확산속도를 계산했으며, 그 결과 주입 기체양이 18 mmol/g 이상으로 많아지면 동위원소 간 확산 차이가 고온으로 올라갈수록(3배 이상) 커지는 것을 발견하였다.
○ 이를 통해 보통 운동 양자체 효과가 미미하다고 알려져 있는 온도인 77 K 이상에서도 운동 양자체 효과가 크게 나타날 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. (그림 1)
○ 이번 연구는 플렉서블 금속-유기 골격체의 구조적 유연성을 이용해 수소 동위원소 분리 기원에 대해 보고한 첫 연구이다. 작은 기공에서 큰 기공으로 바뀌는 호흡 현상에 의해 나타난 연구결과이며, 지금까지 발표된 운동 양자체 효과를 이용한 중수소 분리 연구 중 처음으로 유연 구조 물질 내 수소 동위원소 확산 메커니즘을 보고한 연구이다.
□ 기대효과
○ 수소 동위원소 혼합물로부터 분리하기 어려운 중수소를 유연 금속-유기 골격체를 통해 고온에서 분리할 수 있음을 증명하였다. 또한, 수소 동위원소 분리 공정의 작동 온도를 높여줌으로써 보다 효율적인 분리가 가능하다는 것을 시사하고 있다.
○ 또한 유연한 금속-유기 골격체를 이용하는 전략은 다른 동위원소나 가스 혼합물을 분리하는 데도 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 고온에서 분리할 수 있는 다공성 물질의 지능형 설계에 실마리가 될 것으로 기대된다.
용 어 설 명
1. 동위원소
○ 자연계에는 원자번호는 같지만 원자량이 다른 원소, 중성자 개수가 달라서 무게 차이가 발생함. 동위원소가 서로 섞여 있는 혼합물은 극저온에서 물리적인 차이를 보임
2. 중수소/삼중수소
○ 수소에 중성자가 1개(중수소) 또는 2개(삼중수소) 더 있는 수소의 동위원소
3. 운동 양자체 효과(Kinetic Quantum Sieving Effect)
○ 저온에서 무거운 동위원소는 가벼운 동위원소보다 좁은 공간을 더 빠르게 확산하기에 마치 체로 거르는 것(sieving)처럼 동위원소를 분리할 수 있다는 것. 1995년 네덜란드 라이덴대학교의 빈아커(Beenakker) 교수는 가벼운 동위 원소일수록 더 큰 드브로이 파장(de Brogile wavelength)을 가지기 때문에 좁은 공간을 빨리 빠져나가기 힘들기 때문이라고 설명함
그림 설명
(그림1) 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.
* 그림설명 및 그림제공 : 경상국립대학교 오현철 교수
(그림2) Journal Cover Image
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 그림임
* 그림설명 및 그림제공 : 경상국립대학교 오현철 교수
연구 이야기
<작성 : 경상국립대학교 오현철 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
가벼운 기체 동위원소(원자번호는 같지만 질량수가 다른 원소들)는 크기, 모양 및 열역학적 특성이 매우 유사하여 그들을 분리하는 것은 쉽지 않습니다. 일반 기체를 분리하기 위해 다공성 물질을 적용하는 연구는 많지만, 동위원소 분리에는 적용이 불가능하다고 알려져 있었습니다. 제가 박사과정 때, 나노 다공성 물질에서 기공을 양자화 하면 동위원소간의 확산 차이를 유발 할 수 있다는 이론 논문을 처음 접하고, 이를 현실화 해야겠다고 마음먹었었습니다. 그때부터 다양한 나노다공성 소재를 이용하여 동위원소 분리 기술을 연구하기 시작했습니다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
지금까지 나노 다공성 물질 내 수소 및 중수소 확산에 대한 연구는 거의 없으며, 단단한 구조 내에서 수소 및 중수소 확산 연구에 대해 보고된 바 있지만, 극저온(20K)에서만 수소와 중수소 확산 차이가 크게 나타나는 한계가 있었습니다. 그러나 이번 연구는 외부 자극(온도 및 압력)에 따라 구조가 변하는 플렉서블 금속-유기 골격체의 호흡 효과를 활용하여 수소와 중수소의 확산 차이가 고온(77K)에서도 크게 나타나는 것을 세계 최초로 입증하였습니다. 특히 플렉서블 다공성 물질 내 수소와 동위원소 확산에 대한 매커니즘을 처음 규명한 것으로 액체질소 온도 이상에서도 동위원소 분리가 가능함을 실험적으로 증명하였다는데 큰 의미가 있습니다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
현재 핵융합 발전에서 동위원소 분리시스템(ISS, Isotope Separation system)은 24K 초저온 증류법을 적용하고 있으며, 24K라는 극저온 때문에 액체헬륨을 활용해야 합니다. 따라서 액체 질소를 이용할 수 있는 77K 동위원소 분리 시스템을 제작 할 수 있을 것입니다.
후쿠시마 원전 오염수를 전기분해 하여 삼중수소만 선택적으로 포집 저장이 가능할 것으로 보고 있습니다. 관건은 전기분해 비용이 될 것입니다. (오염수 처리 비용을 고려하면 오히려 경제적인 부분도 있음)
반도체 분야에서 많이 사용 중이지만, 전량 수입중인 Depleted Deuterium Water(DDW) 제작에 활용 될 수 있습니다.
수소 동위원소 분리 뿐만 아니라, 다른 동위원소(헬륨3/4) 분리에도 매우 유용하게 적용할 수 있습니다.
연구자 소개
<오현철, 교신저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 경상국립대학교 에너지공학과
2. 경력사항
○ 2014.04.~2014.08.: 박사후연구원, Max Planck Institute for Intelligent Systems
○ 2014.09.~2015.08.: 부연구위원, 정책기획실, 한국과학기술기획평가원
○ 2015.09.~현 재: 부교수, 에너지공학과, 경상국립대학교
3. 전문분야 정보
○ 나노다공성 물질을 활용한 동위원소 기체 분리기술 개발
○ 수소저장 측정 기술 개발
○ 메탄/질소 분리, 이산화탄소 포집 기술 개발
4. 연구지원 정보
○ 과학기술정보통신부 ·한국연구재단 : 중견연구지원사업, 원자력기초연구지원사업, 해외대형연구시설활용연구지원
<박지태, 교신저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 뮌헨 공과대학교, 독일
2. 경력사항
○ 2012.08.~2017.04.: 박사 후 연구원, 물리학과, 뮌헨 공과대학교
○ 2017.05.~현 재: 영년직 연구원, 물리학과, 뮌헨 공과대학교
3. 전문분야 정보
○ 수소저장 물질 중성자 측정
○ 응집 물리 실험
<정민지, 공동 제1저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 경상국립대학교 에너지공학과
2. 전문분야 정보
○ 나노다공성 물질을 활용한 동위원소 기체 분리기술 개발
○ 수소저장 측정 기술 개발
○ 메탄/질소 분리, 이산화탄소 포집 기술 개발
<박재우, 공동 제1저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 경상국립대학교 에너지공학과
2. 전문분야 정보
○ 나노다공성 물질을 활용한 동위원소 기체 분리기술 개발
○ 수소저장 측정 기술 개발
○ 메탄/질소 분리, 이산화탄소 포집 기술 개발