울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 연구팀이 원전 사고나 사용 후 핵연료 처리 과정에서 유출될 수 있는 방사성 요오드 기체를 신속하게 흡착·제거할 수 있는 초다공성 탄소섬유를 개발했다고 2일 밝혔다.

개발된 소재는 자기 무게의 최대 4.68배에 달하는 요오드 기체를 흡착할 수 있으며 포화 상태에 도달하는 시간이 약 100분으로 흡착 속도도 빠르다.

소재 1g에 내재된 기공을 모두 펼치면 면적이 최대 2982m²에 달하는데, 이는 32평 아파트 약 30채의 바닥 면적에 해당한다. 넓은 내부 표면이 요오드 기체가 달라붙을 자리를 충분히 확보하고, 내부의 큰 기공들이 통로 역할을 해 흡착 속도를 높이는 구조다.

UNIST는 소재 내부에 다양한 크기의 기공을 형성하는 제조 기술에 산소 도핑 처리를 결합해 성능을 강화했다. 산소가 요오드와 상호 작용을 일으켜 흡착력을 높이는 원리로, 산소가 없는 탄소섬유 대비 흡착량은 약 1.5배, 흡착 속도는 약 1.7배 향상된 것으로 나타났다.

제조 편의성도 장점으로 꼽힌다. 분말 형태의 기존 흡착제와 달리 별도의 성형 공정이 필요 없고, 차세대 다공성 소재인 MOF보다 제조 비용이 낮아 대량생산에 유리하다. 반복 사용 시에도 초기 성능의 약 90% 이상을 유지해 재사용이 가능하다.

연구팀은 요오드가 탄소섬유 내부로 유입될 때 탄소층 사이 간격이 일시적으로 벌어지는 현상도 확인했으며 컴퓨터 시뮬레이션(DFT)을 통해 이를 검증했다. 이승걸 교수는 "탄소 소재가 유해 물질을 흡착하는 과정에서 나타나는 동적 구조 변화 메커니즘을 규명했다는 점에서 의미가 있다"고 설명했다.

채한기 교수는 "제조가 간편하고 대량생산이 가능하며 재사용할 수 있어 경제성을 갖추고 있다"며 "사용 후 핵연료 재처리 시설의 배기 시스템이나 사고 대응용 필터뿐만 아니라 다양한 오염 물질 흡착에도 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상부, 한국산업기술기획평가원, 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 국제 학술지 케미컬엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)에 4월 1일 게재됐다.