▲ 은 나노 복합체 기반 전도성 섬유형 DAC 소자의 제작 과정과 고속 작동 사이클을 통한 이산화탄소 포집·재생 메커니즘 모식도:(1-1) Y 제올라이트 및 셀룰로오스 아세테이트 기반 파이버 전구체에 은 나노입자/나노와이어 복합체를 딥코팅하고, EDA 증기 처리를 통해 기체 선택성과 전도성을 향상시킨 흡착 섬유를 구현하였다.(1-2) 본 섬유형 DAC 시스템은 (i) 공기 중 CO２ 흡착, (ii) 기체 치환, (iii) 전기 구동형 Joule heating 가열, (iv) 열 제거 및 재흡착 준비 단계를 빠르게 반복하는 고속 사이클(e-TVSA)을 통해 저전력 조건에서도 안정적이고 효율적인 CO２ 포집·재생이 가능하다.(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

대기 속에 희박하게 존재하는 이산화탄소를 직접 걸러내는 직접공기포집(DAC, Direct Air Capture) 기술은 기후위기 대응의 핵심 수단으로 주목받아 왔다. 그러나 고온 증기와 복잡한 설비가 필요한 기존 방식은 막대한 에너지 소모가 발목을 잡았다. 이러한 한계를 깨뜨리는 혁신이 KAIST에서 나왔다.

KAIST 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀은 미국 MIT T. 앨런 해튼 교수팀과의 공동연구를 통해, 스마트폰 충전 수준(3V)의 저전력만으로 95% 이상의 고순도 이산화탄소를 분리하는 ‘전기 구동 직접공기포집(e-DAC)’ 기술을 세계 최초로 개발했다고  밝혔다. 이번 성과는 재료과학 분야 국제 저명 학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 온라인판(8월 1일자)에 게재됐으며, 내부 표지(Inside Cover)에도 선정됐다.

전기로 ‘스스로 뜨거워지는 섬유’… 80초 만에 CO₂ 포집

이번 기술의 핵심은 ‘전도성 은나노 파이버’를 활용한 저항 가열(Joule heating) 방식이다. 기존 DAC는 100℃ 이상의 증기가 필요한 반면, KAIST·MIT 연구팀은 섬유 자체에 전기를 흘려 80초 만에 110℃까지 가열, 흡착된 이산화탄소를 빠르게 분리했다. 외부 열원이 필요 없어 불필요한 열 손실을 20% 줄이고, 저전력 환경에서도 작동 가능한 효율성을 확보했다.

특히 은 나노와이어·나노입자를 3㎛ 두께로 코팅해 만든 3차원 연속 다공 구조 파이버는 전도성과 기체 확산성을 동시에 확보했다. 이로써 CO₂ 분자가 내부까지 쉽게 침투하며, 균일하고 빠른 포집·재생이 가능해졌다.

대규모 확장성과 RE100 수요 대응

연구팀은 다수의 파이버를 병렬로 연결했을 때 전체 저항이 1Ω 이하로 낮아지는 것을 확인, 대규모 시스템으로의 확장 가능성도 입증했다. 이 기술은 전기만으로 구동돼 태양광·풍력 등 재생에너지와 자연스럽게 연계될 수 있다. 이는 RE100을 선언한 글로벌 기업들의 탄소중립 공정 전환 수요와 맞아떨어지는 ‘게임 체인저’ 기술로 평가된다.

KAIST는 이미 2022년 핵심 원천기술에 대해 국제특허(PCT, 진입국: 미국·유럽·일본·호주·중국) 및 국내 및 국제 특허를 출원해 글로벌 기술 주도권을 선점했다.

탄소중립·산업 전환 앞당길 원천기술

이번 연구를 주도한 KAIST 고동연 교수는 “DAC는 단순히 배출을 줄이는 기술을 넘어 공기를 정화하는 ‘음의 배출(negative emissions)’을 실현한다”며, “전도성 파이버 기반 DAC는 산업 현장은 물론 도심형 시스템까지 확장 가능해, 한국이 미래 탄소중립 기술의 선도국으로 자리매김하는 데 기여할 것”이라고 강조했다.

이번 성과는 단순한 실험실 연구를 넘어, 실질적 상용화를 고려한 고효율·저비용 DAC 기술로서 기후위기 대응의 새로운 전환점을 열었다는 평가다.

논문명은 Design of Electrified Fiber Sorbents for Direct Air Capture with Electrically-Driven Temperature Vacuum Swing Adsorption이다.