▲ 초고다공성 활성탄 섬유를 이용한 방사성 요오드 포집 기술 / 실처럼 생긴 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유를 여러 번 가열해 안정화시킨 뒤 이산화탄소 기체를 주입해 표면을 조금씩 깎아내면 섬유 내부에 아주 작은 구멍들이 촘촘히 생긴다. 여기에 산소 처리를 더하면 기공이 요오드를 더 잘 끌어당기는 성질이 생긴다. 같은 소재라도 산소 처리를 하지 않은 경우보다 요오드를 더 많이, 더 빠르게 흡착할 수 있었다. 실제로 실험에서는 요오드 흡착량과 속도가 각각 1.5배, 1.7배 증가했다. 오른쪽 그래프는 이런 차이를 보여준다. 개발된 소재는 기존 활성탄이나 다른 다공성 흡착 소재보다 요오드를 더 빨리 빨아들이면서도, 더 많은 양을 한 번에 붙잡을 수 있는 것으로 나타났다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

원전 사고나 사용후핵연료 처리 과정에서 유출될 수 있는 방사성 요오드 기체를 빠르게 흡착하는 초다공성 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 손톱만 한 1g의 소재 안에 ‘국평 아파트 30채’에 해당하는 표면적이 구현되면서, 원전 안전과 환경 정화 기술의 판도를 바꿀 핵심 기술로 주목된다.

UNIST 신소재공학과 채한기·이승걸 교수 연구팀은 방사성 요오드 기체를 빠르고 효율적으로 제거할 수 있는 초다공성 탄소섬유 소재를 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발된 소재는 1g당 최대 2,982㎡에 달하는 내부 표면적을 갖는다. 이는 약 32평 아파트 30채에 해당하는 면적으로, 그만큼 요오드 기체가 흡착될 수 있는 공간이 극대화된 구조다. 실제로 이 소재는 자기 무게의 최대 4.68배에 달하는 요오드 기체를 흡착할 수 있으며, 약 100분 만에 포화 상태에 도달하는 빠른 흡착 속도를 보였다.

연구팀은 다양한 크기의 기공을 동시에 형성하는 제조 기술과 산소 도핑(첨가) 처리를 결합해 성능을 끌어올렸다. 특히 산소 도핑을 통해 요오드와의 상호작용이 강화되면서 기존 탄소섬유 대비 흡착량은 약 1.5배, 흡착 속도는 약 1.7배 향상된 것으로 나타났다. 내부의 큰 기공은 통로 역할을 하며 요오드가 빠르게 이동하도록 돕고, 미세 기공은 실제 흡착 공간을 제공하는 구조다.

경제성과 실용성 측면에서도 강점이 있다. 기존 분말형 흡착제와 달리 별도의 성형 공정이 필요 없고, 차세대 다공성 소재인 MOF 대비 제조 비용이 낮아 대량생산에 유리하다. 또한 반복 사용 시에도 초기 성능의 90% 이상을 유지해 재사용이 가능한 점도 산업 적용 가능성을 높인다.

연구팀은 이번 연구를 통해 요오드가 탄소섬유 내부로 침투하면서 탄소층 간격이 일시적으로 확장되는 ‘동적 구조 변화’ 현상도 규명했다. 이는 요오드가 단순히 표면에 머무는 것이 아니라, 탄소층 사이까지 침투해 흡착된다는 것을 의미하며, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서도 확인됐다.

이승걸 교수는 “탄소 소재의 흡착 과정에서 나타나는 구조 변화 메커니즘을 규명한 점에서도 의미가 크다”고 설명했다. 채한기 교수는 “대량생산과 재사용이 가능해 경제성을 갖춘 소재로, 원전 배기 시스템이나 사고 대응 필터뿐 아니라 다양한 유해 물질 정화 기술로 확장될 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제학술지 Chemical Engineering Journal에 4월 1일 게재됐다. 고위험 방사성 물질 대응 기술 확보라는 측면에서, 향후 원전 안전 및 환경 산업 전반에 미치는 파급력이 클 것으로 전망된다.

논문명은 Simple oxygen doping strategy for highly porous carbon fibers enabling ultrafast and efficient iodine capture이다.