< 사진 1. (왼쪽부터) KAIST 생명화학공학과 고동연 교수, MIT 화학공학과 T. Alan Hatton 교수, 이영훈 박사 (MIT), 주화주 박사 (MIT), 이정훈 박사 (MIT) >

직접공기포집(DAC, Direct Air Capture)은 대기 중에 아주 희박하게(400ppm 이하) 존재하는 이산화탄소를 직접 걸러내는 기술이다. 우리 연구진은 이번에 뜨거운 증기나 복잡한 설비 없이, 스마트폰 충전 전압(3V) 수준의 저전력만으로 95% 이상의 고순도 이산화탄소를 포집하는 데 성공했다. 기존 DAC 기술은 높은 에너지 비용이 가장 큰 걸림돌이었지만, 이번 연구는 실질적 상용화 가능성을 보여준 성과로 평가된다. 이미 해외 특허 출원이 완료됐으며, 태양광·풍력 등 재생에너지와도 쉽게 연계할 수 있어 탄소중립 공정 전환을 앞당길 ‘게임 체인저’ 기술로 주목받고 있다. 

우리 대학 생명화학공학과 고동연 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 세계 최초로 개발했다고 25일 밝혔다. 

기존 DAC 공정은 흡수 및 흡착된 이산화탄소를 다시 분리(재생)하는 과정에서 100℃ 이상의 고온 증기가 필요했다. 이 과정에서 전체 에너지의 70%가 소모될 만큼 에너지 효율성이 중요한 공정이며, 복잡한 열교환 시스템이 필수적이어서 경제성 확보가 어려웠다.

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. 

이 기술은 스마트폰 충전 수준인 단 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%나 줄이는 성과를 거뒀다. 

이번 연구의 핵심은 단순히 전기가 통하는 파이버를 만든 것이 아니라, ‘숨쉬는 전도성 코팅’을 구현해 ‘전기 전도’와 ‘기체 확산’의 두 마리 토끼를 잡은 데 있다. 

연구팀은 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 이산화탄소 포집을 동시에 가능하게 했다.

< 그림 1. 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. >

또한 다수의 파이버를 모듈화해 병렬로 연결했을 때 전체 저항이 1옴Ω) 이하로 낮아져, 대규모 시스템으로의 확장 가능성도 입증했다. 연구팀은 실제 대기 환경에서 95% 이상의 고순도 이산화탄소를 회수하는 데 성공했다. 

이번 성과는 2020년부터 관련 연구를 시작해 5년간의 심도있는 연구 끝에 결실을 맺었다. 특히, 논문 발표 훨씬 이전인 2022년 말 이미 핵심 기술에 대한 PCT 및 국내/국제 특허(WO2023068651A1, 진입국: US, EP, JP, AU, CN) 출원을 완료해 원천 지적 재산권을 확보했다. 이는 해당 기술의 연구 진척도가 매우 높으며, 실험실 수준을 넘어 실질적인 상용화를 고려한 연구임을 의미한다. 

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 기술이다. 

연구를 이끈 고동연 교수는 “직접공기포집(DAC)은 단순히 이산화탄소 배출을 줄이는 기술을 넘어, 공기 자체를 정화하는 ‘음(陰)의 배출(negative emissions)’을 가능케 하는 핵심 수단”이라며, “이번에 개발한 전도성 파이버 기반 DAC 기술은 산업 현장은 물론 도심형 시스템까지 폭넓게 활용될 수 있어, 한국이 미래 DAC 기술의 선도국으로 도약하는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

< 그림 2. 전도성 섬유의 균일한 코팅과 고속 전기 가열 특성:(2-1) 균일한 코팅층을 형성함으로써 섬유의 저항이 약 0.5 Ω/cm 수준으로 획기적으로 감소하였다. (2-2) 열전달 시뮬레이션을 통해 모듈 내에 로딩되는 섬유 수에 따른 열 전달 효율을 분석한 결과, 섬유가 12개일 때 열손실이 최소화되며 가장 이상적인 온도 분포를 보이는 것으로 나타났다. 이는 전력 소비를 줄이면서도 균일한 가열을 구현할 수 있는 최적 섬유 구성 조건임을 시사한다. (2-3) 실제 실험에서도 3V의 낮은 전압만으로 80초 이내에 섬유 표면이 110°C까지 도달하는 고속·고효율 전기 가열 특성이 관찰되었다. >

이번 연구는 우리 대학 생명화학공학과 이영훈 박사(2023년 졸업, 現 MIT 화학공학과)가 주도하고 MIT 화학공학과 이정훈, 주화주 박사가 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 2025년 8월 1일 온라인판에 게재됐으며, 우수성을 인정받아 내부 표지(front Inside Cover)로도 선정됐다.

※논문명 : Design of Electrified Fiber Sorbents for Direct Air Capture with Electrically-Driven Temperature Vacuum Swing Adsorption

※DOI : https://doi.org/10.1002/adma.202504542 

한편, 이번 연구는 아람코(Aramco)–KAIST 이산화탄소 연구센터의 지원 및 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원(No. RS-2023-00259416, DACU 원천기술개발사업)을 받아 수행됐다.