한국재료연구원과 대학 연구진이 레이저 후처리 기술을 활용해 금속-유기 골격체(MOFs)의 내부 결함 구조를 재조직하고, 이산화탄소 흡착 성능을 개선하는 연구 성과를 도출했다. 화학 공정 없이 기공 구조를 제어하는 방식으로 공정 단순화와 비용 절감 가능성을 제시했다.

한국재료연구원(KIMS)은 17일 이희정 선임연구원이 참여한 연구팀이 경북대와 영남대 연구진과 공동으로 레이저를 이용해 MOFs 내부 기공 구조를 제어하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 해당 기술을 적용한 결과, 이산화탄소 흡착량이 최대 75% 증가했다고 설명했다.

이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)처럼 혼합된 기체를 선택적으로 분리하는 기술은 천연가스 정제와 에너지 효율 개선을 위한 핵심 요소로 꼽힌다.

기존 액체 흡수 공정이나 극저온 분리 방식은 에너지 소비와 운영 비용이 크다는 한계가 있었다.

이에 따라 다공성 소재를 활용한 흡착 분리 기술이 대안으로 검토돼 왔으며, 그중 MOFs는 넓은 내부 표면적과 구조 조절 가능성으로 주목받아왔다.

다만 합성 과정에서 발생하는 구조적 결함으로 인해 기공이 불균일해지고, 이산화탄소 흡착에 유리한 미세 기공이 줄어드는 문제가 지적돼 왔다.

연구팀은 화학 처리나 열처리 대신 레이저를 활용한 ‘레이저 유도 후처리 기술(LIPE, Laser-Induced Porosity Engineering)’을 적용했다.

이 기술은 소재를 순간적으로 가열한 뒤 빠르게 냉각하는 방식으로, 기존에 존재하는 결함 구조를 재조직해 기공 분포를 개선하는 방식이다.

연구 결과, 상대적으로 큰 기공은 감소하고 이산화탄소 흡착에 유리한 미세 기공과 표면 특성이 형성된 것으로 전해진다.

연구팀에 따르면 해당 기술을 적용한 MOFs는 △비표면적 최대 94% 증가 △이산화탄소 흡착량 최대 75% 증가 등의 성과를 보였다.

이번 연구는 기존처럼 결함을 제거하거나 새로 생성하는 공정이 아닌, 이미 존재하는 결함을 재조직해 성능을 높였다는 점에서 차별성이 있다.

이를 통해 추가적인 화학 공정 없이도 기공 구조를 정밀하게 제어할 수 있으며, 흡착량과 선택도를 동시에 향상시킬 수 있다고 연구팀은 설명했다.

해당 기술은 저가 원료로 제조된 MOFs에도 적용 가능해 소재 제조 비용 절감과 공정 단순화에 도움이 될 것으로 전해진다.

연구팀은 천연가스 정제, 수소 및 메탄 생산 공정 등 다양한 가스 분리 산업에 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.

이희정 선임연구원과 경북대 박성환 교수는 “레이저를 활용해 비교적 저에너지·대면적 공정이 가능하다는 점에서 탄소포집 및 가스 분리 산업에 적용 가능성이 있다”고 말했다.

이번 연구는 산업통상부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’에 2026년 3월12일 온라인으로 게재됐다.