KAIST·MIT, 전도성 파이버 기반 초고효율 e-DAC 세계 첫 개발

3V 전압으로 80초 만에 110℃ 도달, 에너지 손실 20% 절감

95% 이상 고순도 이산화탄소 회수, 대규모 확장성 입증

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀이 미국 MIT 화학공학과 T. 앨런 해튼 교수팀과 공동으로 전도성 은나노 파이버 기반 초고효율 전기 구동 DAC(e-DAC, Electrified Direct Air Capture) 기술을 세계 최초로 개발했다고 25일 밝혔다.

기존 DAC 공정은 흡수·흡착된 이산화탄소를 다시 분리하는 과정에서 100℃ 이상의 고온 증기가 필요했다. 이 과정에서 전체 에너지의 70%가 소모되고 복잡한 열교환 시스템이 필수적이어서 경제성 확보에 어려움이 있었다. 연구팀은 이 문제를 전기로 스스로 가열되는 파이버로 해결했다. 섬유에 전기를 직접 흘려 열을 발생시키는 ‘저항 가열(Joule heating)’ 방식을 적용해 외부 열원 없이 필요한 부분만 가열, 에너지 손실을 크게 줄였다.

이 기술은 3V의 낮은 전압만으로 80초 만에 섬유를 110℃까지 가열한다. 저전력 환경에서도 흡착과 재생 사이클을 단축하고 기존 대비 열 손실을 약 20% 줄이는 성과를 거뒀다.

핵심은 전기가 통하는 파이버를 만든 것을 넘어 ‘숨쉬는 전도성 코팅’을 구현해 전도성과 기체 확산성을 동시에 확보한 점이다. 연구팀은 은 나노와이어와 나노입자를 혼합한 복합체를 머리카락보다 가는 약 3마이크로미터(µm) 두께로 파이버 표면에 균일하게 코팅했다. 이 3차원 다공 구조는 전기 전도성이 높으면서도 이산화탄소 분자가 원활히 이동할 수 있어 빠른 가열과 효율적인 포집을 가능하게 했다.

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

이번 성과는 2020년 시작된 연구의 결실로, KAIST 연구진은 2022년 말 이미 핵심 기술에 대한 PCT와 국내외 특허(WO2023068651A1, 진입국: 미국, 유럽, 일본, 호주, 중국)를 출원해 원천 지식재산권을 확보했다. 이는 실험실 단계를 넘어 상용화를 고려한 연구임을 보여준다.

이 기술은 전기만으로 구동돼 태양광·풍력 등 재생에너지와 연계가 용이하다. RE100을 선언한 글로벌 기업들의 탄소중립 공정 전환 수요에도 적합한 기술로 평가된다.

고동연 KAIST 교수는 “직접공기포집(DAC)은 단순한 이산화탄소 배출 저감을 넘어 공기를 정화하는 ‘음의 배출(negative emissions)’을 가능케 하는 핵심 수단”이라며 “이번 전도성 파이버 기반 DAC 기술은 산업 현장은 물론 도심형 시스템에도 적용할 수 있어 한국이 미래 DAC 기술 선도국으로 도약하는 데 기여할 것”이라고 말했다.