방사성 요오드는 원자력발전소의 우라늄 핵분열 과정에서 생성되며 후쿠시마 원전 오염수에도 다량 존재한다. 방사성 요오드는 인체에 유해함에도 불구하고 원전 오염수에서 완전하게 제거하기는 불가능했다. 그런데 최근 원전 오염수가 포함된 바닷물이나 지하수에서 방사성 요오드를 선택적으로 제거할 수 있는 기술이 개발됐다.

연구원 방사화학연구실 배상은 박사 연구팀은 연세대 화학공학과 한병찬 교수 연구팀, 서울대-IBS 현택환 교수 연구팀과 함께 ‘바닷물이나 지하수에 녹아있는 방사성 요오드 핵종만을 선택적으로 99.8% 이상 제거하는 재사용 가능 흡착제’를 개발했다.

바닷물에는 염소, 불소, 브롬과 같은 할로겐 음이온이 다량 녹아있기 때문에 같은 할로겐 음이온인 요오드만을 선택적으로 제거하는 것이 어렵다. 기존에는 방사성 요오드만 선택적으로 제거할 수 없어 은(Ag)을 흡착제로 이용해 할로겐 음이온을 침전시켜 방사성 요오드를 제거했기 때문에 비용이 많이 들고, 폐기물도 많이 발생하는 단점이 있었다.

연구원 배상은 박사 연구팀은 자성을 띤 철 나노입자 표면에 백금을 코팅해 요오드만 선택적으로 제거할 수 있는 흡착제를 개발했다. 흡착제 표면에 코팅된 백금이 요오드와 공유결합¹⁾해 요오드만 선택적으로 제거한다. 그리고 흡착제와 요오드가 반응할 수 있는 면적을 최대화하기 위해 흡착제를 나노 크기로 만들었다. 또한 나노입자 중심부에 철을 넣어서 자석을 이용해 물속에 퍼져있는 흡착제를 쉽게 다시 회수할 수 있다.

흡착제 표면의 백금에 결합한 방사성 요오드는 전기화학적 방법으로 분리하여 방사성 폐기물로 처리한다. 연구팀은 실험을 통해 오염수에서 방사성 요오드를 99.8% 이상 제거하는 것을 확인했다. 특히 이 흡착제는 방사성 요오드만 제거하고, 흡착제를 재사용할 수 있어 발생하는 방사성 폐기물의 양이 적고, 흡착제 추가 구매 비용도 줄일 수 있어 경제적이다.

이번에 개발한 흡착제를 사용하면 후쿠시마 원자력발전소 사고 현장에 쌓여있는 수백만 톤의 원전 폐수 내에서도 방사성 요오드만을 선택적으로 제거할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 바닷물에 녹아있는 자연 요오드만을 선택적으로 추출하여 의약품, 화학제품 등 우리 생활에 필요한 요오드를 생산하는 기술로 활용할 수 있다.

과학기술정보통신부 원자력기술개발사업으로 개발한 이 기술은 국내 특허 2건과 국제 특허 8건을 출원해 최근 일본 특허가 등록됐다. 또한 연구 결과는 수자원 분야에서 최고 권위 학술지 ‘워터 리서치(Water Research, IF 13.4)’에 7월 14일 자로 온라인 게재²⁾됐다.

‘플렉시블 압전소자’는 압력이나 구부러짐 같은 미세한 힘으로 전기를 생산한다. 버려지는 자연적인 에너지를 수집해 전원이 공급되지 않는 순간도 대비한다. 이에 스마트 센서¹⁾의 영구 에너지원으로 떠오른 가운데, 국내에서 고온을 견디는 친환경 소재의 ‘에너지 하베스팅(harvesting)’소자가 탄생했다.

연구원은 경북대학교 공동연구팀과 함께 친환경 소재 기반의 ‘고온 환경 작동형 플렉시블 압전소자’를 개발했다. 공동연구팀은 원자력연구원 스마트기기진단연구부 이경자 박사, 이민구 박사와 경북대학교 신소재공학과 박귀일 교수, 현동열 학생으로 구성됐다. 해당 연구결과는 복합 재료과학 및 세라믹 재료과학 분야에서 세계적으로 저명한 학술지인 ‘컴포지트 파트 비(Composites Part B)’ 4월 호와 ‘유럽세라믹학회지(Journal of the European Ceramic Society)’ 5월 호에 게재돼 학계에서 주목을 받고 있다.

지금까지 압전소자 대부분은 ‘납 티탄산 지르코늄(Pb(Zr,Ti)O3, 이하 PZT)’소재로 만들어졌으나, 인체 및 환경에 유해해 세계적으로 사용이 금지되는 추세다. 이에 원자력연구원은 친환경 압전물질인 ‘칼륨 소듐 니오베이트((K,Na)NbO3, 이하 KNN)’에 미세도핑 방식으로 비스무트(Bi)계 화합물을 첨가해, 분말 형태의 압전소재를 만들었다. KNN은 PZT를 대체할 친환경 소재로 각광받고 있지만 상온에서 온도가 높아질수록 압전성능이 급격히 저하된다는 문제가 있었다. 연구원은 Bi계 화합물 도핑 양을 미세하게 조절해 고온에서 구부렸을 때도 많은 양의 전기가 발생하는 최적의 상태를 찾았다. 압전전압 상수값을 극대화한 신물질을 개발한 것이다.

이어서 경북대학교는 연구원에서 자체 개발한 KNN계 압전분말을 열적 안정성이 뛰어난 폴리이미드(polyimide) 고분자와 결합해 ‘고온 환경 작동형 플렉시블 압전소자’를 제작했다. 특히 300℃ 고온에서도 구부러진 상태로 전기를 생산하는 것을 세계 최초로 확인했다. 연구진은 이번에 개발한 신소재를 정확하게 평가하고자 열을 실시간으로 확인하고 굽힘 변형도 고려하는 ‘발전 성능 평가 시스템’을 구축했다.

연구원은 지난 2021년부터 기관 주요사업 및 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구를 기반으로 300℃ 고온에서도 안정적으로 작동하는 센서 개발을 목표로 신소재 연구를 이어갈 계획이다. 연구원 스마트기기진단연구부 최영철 부장은 “이번에 개발한 KNN계 압전물질은 높은 온도에도 압전성을 발휘하는 친환경 물질”이라며 “웨어러블 기기 등 신체에 부착할 수 있는 스마트 센서 개발에 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

연구원 박원석 원장은 “연구원의 압전소자 개발 경험을 살려, 고온 및 방사선을 버티는 원전용 스마트 센서도 개발해 나가겠다”고 밝혔다.