다공성 물질 | 기공 물질 | 실생활 응용 사례 | 공업적 이용 사례 | 촉매 | 배터리 | 수처리 | 약물전달 | 단열재 | 알아보기

다공성 물질은 나노미터에서 마이크로미터 크기의 기공을 다량 포함하고 있는 재료로, 높은 비표면적과 기공 구조를 통해 다양한 기능을 발휘합니다.

비표면적은 단위 질량당 표면적(m²/g)을 의미하며, 기공 크기와 분포에 따라 크게 달라집니다.

이러한 특성 덕분에 화학 촉매, 흡착제, 에너지 저장 장치, 환경 정화 시스템 등 다양한 산업 분야에서 핵심 소재로 활용되고 있습니다.

1. 화학 촉매 및 반응기 지원체

다공성 물질은 촉매 지지체로 널리 사용됩니다. 촉매의 활성을 높이기 위해서는 반응물이 촉매 표면에 효율적으로 접근해야 하는데, 다공성 구조는 넓은 표면적을 제공하여 활성 부위를 증가시킵니다. 예를 들어, **메조기공 실리카(MCM-41, SBA-15)**는 균일한 기공 구조로 촉매 금속 입자를 고르게 분산시키며, 반응물의 확산을 촉진합니다[1][4]. **금속 유기 골격체(MOFs)**는 가스 분리 및 저장에 활용되며, 특히 수소 저장이나 이산화탄소 포집에 효과적입니다[32][40].

2. 에너지 저장 및 변환 시스템

슈퍼캐패시터

활성탄은 높은 비표면적(1,000–3,000 m²/g)과 메조기공을 활용하여 전기 이중층 커패시턴스를 극대화합니다. 기공 크기가 2–50 nm인 메조기공 활성탄은 유기 전해질의 이온 확산을 용이하게 하여 에너지 밀도를 향상시킵니다[7][15].

리튬이온 배터리

3차원 다공성 금속 구조체(예: 니켈 폼)는 전극 소재로 사용됩니다. 이 구조는 높은 전기 전도성과 기계적 강도를 제공하며, 리튬 이온의 빠른 이동 경로를 확보하여 배터리 수명과 충전 속도를 개선합니다[35].

3. 환경 정화 및 분리 공정

수처리

활성탄소섬유(ACF)는 미세 기공(0.4–2 nm)을 통해 중금속 이온 및 유기 오염물을 선택적으로 흡착합니다. 850℃에서 수증기 활성화된 ACF는 1,041.9 m²/g의 비표면적로 SO₂ 및 NOx 제거에 효과적입니다[13][16].

가스 분리

제올라이트는 균일한 미세 기공(0.3–1 nm)으로 분자 크기 차이를 이용한 가스 분리가 가능합니다. 예를 들어, 천연가스에서 이산화탄소를 분리하거나 공기 중 산소와 질소를 분리하는 데 사용됩니다[23][29].

4. 의료 및 생명과학 응용

약물 전달 시스템

메조기공 실리카 나노입자는 약물을 기공 내에 담지하고 pH 또는 온도 변화에 반응하여 표적 부위에서 방출합니다. 이는 항암제의 부작용을 줄이는 데 기여합니다[21][38].

생체 재료

다공성 티타늄 구조체는 인공 뼈로 사용됩니다. 기공 구조가 세포 부착과 성장을 촉진하며, 체내에 융합되는 속도를 높입니다[35].

5. 건축 및 단열 소재

단열재

다공성 세라믹 폼(예: 실리카 에어로겔)은 0.003–0.5 g/cm³의 극저밀도와 낮은 열전도율(0.015 W/m·K)로 건축물의 에너지 효율을 향상시킵니다. 기공 내 공기층이 열 전달을 억제합니다[36][38].

친환경 건축 자재

숯과 석회석을 기반으로 한 다공성 블록은 실내 습도 조절 및 유해 가스 흡착에 활용됩니다. 예를 들어, 아이에코 블록은 포름알데히드 제거율이 90% 이상입니다[36].

6. 석유 화학 및 정제 공정

유류 정제

미세다공성 알루미나는 유류 중 황 화합물을 선택적으로 제거합니다. 기공 크기를 4–6 nm로 설계하여 대형 분자는 배제하고 황 화합물만 흡착합니다[24][39].

탈황 촉매

다공성 탄소 기반 촉매는 유류 정제 시 수소화탈황 반응에서 높은 활성을 나타냅니다. 기공 구조가 촉매 독성 물질의 침적을 방지하여 수명을 연장합니다[22].

7. 식품 및 농업 분야

식품 보존

제올라이트는 과일 및 채소 저장 시 에틸렌 가스를 흡착하여 숙성 지연 효과를 냅니다. 미세 기공이 에틸렌 분자(0.4 nm)를 선택적으로 포집합니다[23].

토양개량

다공성 바이오차는 토양 내 수분 보유량을 20–30% 증가시키며, 영양분 서서히 방출로 비료 사용량을 절감합니다[38].

8. 차세대 기술 및 연구 동향

인공지능 활용

KAIST 연구팀은 트랜스포머 모델을 이용해 MOF의 기공 크기와 표면적을 예측하며, 이산화탄소 흡착량을 15% 향상시킨 구조를 설계했습니다[4][40].

3D 프린팅

다공성 금속 구조체를 3D 프린팅으로 제조해 맞춤형 전극 또는 필터를 생산합니다. 레이저 용융 적층 기술로 100 μm 수준의 기공 제어가 가능합니다[35].

9. 제조 공정에서의 기공 제어

탈합금화

알루미늄-구리 합금을 염산으로 처리하여 나노 다공성 구리를 제조합니다. 기공 크기 50–200 nm, 비표면적 30–60 m²/g 범위에서 조절 가능[35].

초임계 건조

실리카 졸을 이산화탄소 초임계 상태에서 건조하여 에어로겔 생성. 기공률 95% 이상, 비표면적 600–1,000 m²/g 달성[19][35].

10. 경제적 및 환경적 영향

다공성 물질의 활용은 공정 효율성을 20–50% 개선하며, 이산화탄소 배출을 연간 1억 톤 이상 감축할 수 있습니다. 예를 들어, MOF 기반 탄소 포집 시스템은 기존 아민 흡수제 대비 에너지 소비를 40% 절감합니다[29][32].

이처럼 다공성 물질은 기공과 비표면적의 독특한 특성을 통해 현대 기술의 다양한 문제를 해결하는 데 중심적인 역할을 수행하고 있습니다. 지속 가능한 기술 발전과 신소재 개발에 있어 필수적인 요소로 자리매김하고 있으며, 앞으로도 그 응용 범위는 더욱 확대될 전망입니다.

출처
[1] Ceramist https://www.ceramist.or.kr/journal/Table.php?xn=ceramist-22-3-243.xml
[2] 분말의 비표면적에 영향을 미치는 요인은 무엇입니까? - 구리 나노 입자 https://ko.satnanomaterial.com/blog/what-are-the-factors-that-affect-the-specific-surface-area-of-powders_b310
[3] [PDF] 소성온도 차이에 따른 흡착물질의 물리 화학적 특성 https://www.kais99.org/jkais/springNfall/spring2021/poster/2021_spring_346.pdf
[4] 다공성 - KAIST https://www.kaist.ac.kr/news/html/news/?skey=keyword&sval=%EB%8B%A4%EA%B3%B5%EC%84%B1
[5] [PDF] CERAMIST https://www.ceramist.or.kr/upload/pdf/ceramist-2019-22-3-03.pdf
[6] 다공성 물질에 대해 얼마나 알고 계십니까? https://ko.hengko.com/news/how-much-do-you-know-about-porous-material/
[7] [PDF] 다양한 활성탄 종류에 따른 EDLC 전기화학적 특성 - Korea Science https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO201134036353881.pdf
[8] 다공성 물질이란? 여과부터 단열까지, 다공성 재료의 모든 것 https://basecamp-sense.tistory.com/5161
[9] 높은 비표면적을 갖는 메조다공성 중공형 실리카 물질의 제조방법 https://patents.google.com/patent/KR20210027922A/ko
[10] [PDF] 활성탄의 산화와 표면화학적 특성 및 구조적 특성 https://www.reseat.or.kr/portal/cmmn/file/fileDown.do?menuNo=200019&atchFileId=20c8d72683be4d3da32343ad8ae9d762&fileSn=1
[11] BET 비표면적 측정 기본원리 - 물질특성분석센터 https://mcc-korea.com/post-bet-001-241022/
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[13] [논문]활성탄소섬유의 비표면적에 따른 유해가스 흡착 및 전기화학적 ... https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO202020941303635
[14] 다공성 물질이란 무엇입니까? - 지식 https://ko.sffoundrymaterial.com/info/what-are-porous-materials-80099636.html
[15] [PDF] CERAMIST https://ceramist.or.kr/upload/pdf/ceramist-2022-25-2-07.pdf
[16] 활성탄소섬유의 비표면적에 따른 유해가스 흡착 및 전기화학적 감응 ... https://www.kci.go.kr/kciportal/ci/sereArticleSearch/ciSereArtiView.kci?sereArticleSearchBean.artiId=ART002608616
[17] [PDF] 나노입자의 메조 다공성 - 고경력과학기술인 https://www.reseat.or.kr/portal/cmmn/file/fileDown.do?menuNo=200019&atchFileId=867061c5299c4f61bcbcda69bdd031e3&fileSn=1
[18] BET 분석 - 한국고분자시험연구소 http://www.polymer.co.kr/kor/02_service/equipment_6_4.jsp
[19] 세라믹공정-다공성 세라믹 제조 : 네이버 블로그 https://blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=hard&logNo=220368085547
[20] 비표면적 측정기를 이용한 이산화탄소 흡착 분석의 특징 https://mcc-korea.com/post-bet-241209/
[21] KR20180105796A - 다공성 실리카의 제조방법 및 그에 의해 제조된 ... https://patents.google.com/patent/KR20180105796A/ko
[22] [PDF] 다공성 탄소재료 개요 및 기술동향 https://www.kictex.re.kr/mgmt/board/download.php?o_mode=download&id=V1ZkU2RHRlhORDA9&code=20181229_111133_11585&file_seq=111
[23] 다공성 물질, 이제는 예상하고 만든다! - UNIST Chemistry https://chemistry.unist.ac.kr/%EB%8B%A4%EA%B3%B5%EC%84%B1-%EB%AC%BC%EC%A7%88-%EC%9D%B4%EC%A0%9C%EB%8A%94-%EC%98%88%EC%83%81%ED%95%98%EA%B3%A0-%EB%A7%8C%EB%93%A0%EB%8B%A4/
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[32] 인공지능으로 제올라이트 같은 다공성 물질 만든다 - 이데일리 https://www.edaily.co.kr/News/Read?newsId=02355046625635424&mediaCodeNo=257
[33] Tutorial Review on Membrane Classification and Preparation Methods http://membranejournal.or.kr/journal/article.php?code=83608
[34] 건조 방법에 따른 리그노셀룰로오스 기반 다공성 물질의 특성 https://www.ktappi.kr/articles/xml/Wr2A/
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[36] 2020.07.17기능성 친환경 건축자재 '아이에코', "세상을 변화시키겠다 ... https://in-eco.co.kr/article/%EA%B0%A4%EB%9F%AC%EB%A6%AC/8/30/
[37] 0.1초 만에 유기물 다공성 물질 만든다! 친환경 고순도 물질 합성 길 ... http://www.seminartoday.net/news/articleView.html?idxno=11095
[38] 알아야 할 다공성 재료의 5가지 장점 - 지식 https://ko.toptitech.com/info/the-five-advantages-of-porous-materials-you-ne-83555966.html
[39] [핫클립] 나노 다공성 탄소 물질의 활용 / YTN 사이언스 - YouTube https://www.youtube.com/watch?v=sqiwZ1CqiYk
[40] [사이언스] KAIST, 인공지능 이용한 다공성 물질 역설계 기술 개발 http://www.e-patentnews.com/6384