기능성 세라믹 멤브레인
기능성 세라믹 멤브레인과 고부가가치 화학 전환
특수 조성의 세라믹 멤브레인은 충분한 온도에서 이온을 선택적으로 운반할 수 있도록 설계할 수 있어, 분자 수준에서 선택적 이온 전도체 역할을 수행합니다. 이러한 기능성 멤브레인은 가스-화학물(GTCh), 가스-액체(GTL), 고체산화물 전기분해(SOXE) 등 다양한 화학 전환 공정에 적용되고 있습니다.
쿠어스텍은 자동차, 에너지, 화학 산업 등 다양한 분야의 기술 선도 기업들과 협력하며, 세라믹 멤브레인을 활용한 새로운 응용 분야를 개척해 나가고 있습니다.
응용 사례
천연가스를 화학물질로 직접 변환
쿠어스텍은 천연가스(메탄)를 원료로 고부가가치 방향족 화학물질을 생산하는 새로운 공정을 개발했습니다. 이 공정은 정교하게 설계된 고급 세라믹 멤브레인을 사용하여, 가스를 액체로 직접 비산화 전환하는 기술을 세계 최초로 가능하게 했습니다. 이를 통해 공정 단계를 줄이고 비용을 절감하며, 이산화탄소(CO₂) 배출 없이 생산할 수 있습니다. 생성된 방향족 전구체는 단열재, 플라스틱, 섬유, 항공유 등 다양한 고부가 제품의 원료로 사용됩니다.
이 공정에 사용된 공이온성 세라믹 멤브레인은 수소(H₂)를 동시에 추출하고 산소종을 주입함으로써 메탄 탈수소 방향족화(MDA) 반응에서 수소(H₂)를 추출하고 동시에 산소종을 주입해 반응을 강화합니다. 이를 통해 수율을 높이고 촉매 수명을 연장하며, CO₂ 배출 없이 공정의 상용 가능성을 확보했습니다.
메탄은 바이오가스와 천연가스의 주성분으로, 그 직접 전환은 수십 년간 탄화수소 연구 분야의 핵심 과제로 여겨져 왔습니다. 이 혁신적인 공정은 2016년 8월 5일자 Science 저널에 게재된 논문 “Direct conversion of methane to aromatics in a catalytic co-ionic membrane reactor”에 자세히 소개되었습니다.
화성에서 산소 생성하기
고체산화물 전기분해(SOXE) 공정에서는 산소 이온전도성 세라믹의 특성을 활용해, 산소이온(O²⁻)이 음극 쪽의 공기원에서 전해질 멤브레인을 지나 양극로 이동하는 흐름을 만들어냅니다.
산소 이온이 양극에 도달하면, 연료(CO 또는 H₂)와 결합하며 전자를 방출하고, 이 전자는 전류를 생성해 별도의 열기관 없이도 직접 전력을 생산할 수 있습니다.
이 공정은 역방향으로도 작동할 수 있습니다. NASA의 2020년 화성 탐사 미션에서 진행된 MOXIE 프로젝트는 기능성 세라믹 멤브레인 기술을 활용하여, 화성 대기 중 풍부하게 존재하는 이산화탄소(CO₂)로부터 고순도의 산소(O₂) 를 생성해내는 실험을 수행했습니다.
천연가스를 수소로 전환하여, 더 깨끗하고 효율적인 수송 실현
쿠어스텍의 세라믹 멤브레인 기술은 수소 차량을 위한 소형 수소 생산 장치를 가능하게 합니다.
천연가스에 접근할 수 있는 누구나 가정에서도 손쉽고 저렴하게 수소를 생산해 차량에 연료를 공급할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 수소 연료 차량은 배터리 차량이나 석유 기반 차량보다 더 친환경적이고 경제적인 운행이 가능해집니다.
수소는 이미 식품 가공, 반도체 및 유리 제조 등 다양한 산업 공정에서 중요한 역할을 하고 있으며, 현재 가장 큰 수요처는 암모니아 기반 비료 생산입니다. 쿠어스텍의 세라믹 멤브레인 기술은 가정용 소형 시스템부터 대규모 수소 생산에 이르기까지 유연하게 확장 가능합니다.
고순도 산소 압축 생성
쿠어스텍은 의료용 산소 탱크 충전 등 고순도 산소가 필요한 다양한 분야에 활용 가능한 99.999% 순도의 산소를 생성하는 고체 전해질 산소 시스템(SEOS)을 개발했습니다.
SEOS 산소 발생기는 상온·상압에서 공급되는 공기로부터 산소를 분리해, 가열된 비다공성 세라믹 멤브레인을 통해 산소 이온을 결정 격자 구조 안에서 이동시킵니다. 이때 전기 에너지가 구동력 역할을 하여 산소를 고압 상태로 압축해 최종 용도에 맞게 공급합니다.
추가 리소스:
2022년 4월 21일 발표
쿠어스텍 멤브레인 사이언스(CoorsTek Membrane Sciences)는 국제 연구 파트너들과 협력하여, 세라믹 멤브레인 기술을 활용한 수소 발생 장치를 개발하는 데 성공했습니다. 이 장치는 전기와 연료로부터 수소를 거의 에너지 손실 없이 생산할 수 있으며, 확장 가능성까지 갖춘 기술로 평가받고 있습니다.
