분자수준에서 물질을 조립하는 나노기술을 이용하여 기존 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선한 신소재가 개발되었다.
지구상에 흔히 존재하는 물. 어디서나 쉽게 볼 수 있는 물이지만, 문제는 97%이상이 인간이 마시거나 사용할 수 없는 바닷물이라는 점이다. 따라서 바닷물을 담수로 분리하기 위한 기술은 인류 역사와 더불어 발전해왔다고 해도 과언이 아니다.
이러한 해수의 다양한 이용을 위해서는 해수로부터 담수를 분리하는 막(Membrane) 개발이 필요한데, 국내연구진이 나노수준에서 분자간 반응을 제어하여 나노두께의 초고밀도 분리막을 제조함으로써, 기존의 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선하였다.
이번 연구 성과는 ‘Molecular Layer-by-Layer Assembled Thin-Film Composite Membranes for Water Desalination’이라는 제목으로, 재료분야 세계적 권위의 과학전문지 ‘Advanced Materials' 온라인판 7월호에 게재되었다.
지난 40여년간, 해수담수화에 사용되어온 기존의 고분자 분리막 제조방법은 막의 내부구조를 조절하기 어려워 분리막의 성능(염분제거율, 수투과도: 물이 투과되는 정도) 및 내구성을 향상시키는데 한계가 있었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 분리막의 구조를 정밀 제어하여 기존의 분리막이 가지고 있던 한계를 극복하는 연구에 대한 필요성이 제기되어 왔다.
이에 공동연구팀은 분자간의 반응을 나노수준에서 제어하여 레고 블록과 같이 분자 하나 하나를 조립함으로써 균일하면서도 밀도가 높은 막의 구조를 설계할 수 있는 기술을 개발하였다.
이 기술을 이용하면 조립층 수와 분자의 종류를 조절하여 막의 두께, 구조 및 성능을 자유로이 제어할 수 있으며, 기존 해수담수화 분리막 대비 동등 이상의 염분 제거율과 함께, 수투과도를 약 82% 향상시킨 분리막을 제조할 수 있었다.
또한, 개발된 분리막은 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존의 분리막과 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다.
나노 분리막 제조 기술은 분리막의 나노구조체를 체계적으로 제어하여 과거 규명해내지 못했던 해수담수화 분리막의 구조와 물성, 성능의 메커니즘을 규명하는데 활용되었다는 점에서 학술적 의의가 있다.
향후 이 기술을 이용하면 해수담수화의 고효율, 고성능화를 가능케함으로써 전세계 물부족 문제를 해결하는데 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 수자원 문제에만 국한되지 않고 신재생에너지 생산, 온실가스제어, 연료전지 등에 사용되는 기능성 막개발에도 활용이 가능하여 물, 환경, 에너지라는 글로벌 아젠다 해결에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다.
KIST 이정현 박사는 “기존 다소 엔지니어링 방식에 의존했던 분리막 연구분야에 첨단 나노기술을 도입하여 보다 과학적인 접근법으로 성능과 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다”며 “더 많은 나노기술 연구자들이 해수담수화 분리막 분야에 참여하여 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.
김병태 gnomics@naver.com
