에너지, 의료, 환경의 핵심소재(분리막) 제조 원천기술 개발

Advanced materials 발표,“전자산업에서 흔히 쓰는 일반 박막의 나노입자 투과 특성 첫 규명”

□ 분자보다 작은 입자(10억분의 수 미터)를 선택적으로 분리해낼 수 있는 나노 분리막*의 소재와 제조방법이 국내연구진에 의해 개발되어, 글로벌 이슈인 노령화, 자원(물, 에너지) 부족 문제를 해결할 수 있는 기반이 마련되었다.
*) 분리막(membrane) : 액체나 기체 안에 있는 다양한 크기의 물질 중에서 원하는 입자만을 선택적으로 투과?분리하는 소재

○ KAIST 윤준보 교수(41세)와 한국전자통신연구원(ETRI) 이대식 박사가 주도하고 KAIST 최동훈 박사과정생(제1저자)과 아주대 윤현철 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 지식경제부(ETRI, 내부도전과제)의 지원으로 수행되었고, 재료 및 응용분야의 권위 있는 학술지인 ‘Advanced Materials’지 최신호(8월 22일자)에 표지논문으로 선정되었다. (논문명 : Use of a Columnar Metal Thin Film as a Nanosieve with Sub-10 nm pores.)

□ 분리막은 가정에서 불순물을 걸러낼 때 쓰는 ‘체’처럼, 수 나노미터의 매우 많은 구멍들을 이용해 눈에 보이지 않는 분자(혹은 원자) 크기의 미세한 입자들을 선택적으로 투과하거나 제거할 수 있는 다기능성 소재이다.

○ 다기능성 분리막은 미세입자를 자유자재로 다룰 수 있다는 점에서 최근 △의료 △환경 △에너지 △식품 등 다양한 분야에 활용되어 미래 고부가가치 기술로 각광 받고 있다.* 예를 들면, 분리막으로 혈액 속에 있는 불순물을 제거하는 인공 신장을 만들거나, 물과 공기 중에 존재하는 각종 바이러스들(예, SARS)을 효과적으로 제거할 수 있다.
*) 영국의 물 전문기관 ‘글로벌 워터 인텔리전스(GWI)’는 2010년 14조원대 규모였던 전 세계 분리막 시장이 2016년경에는 37조원까지 확대될 것으로 전망함

○ 분리막의 수요가 급증하면서 세계적인 기업들도 시장 환경변화에 발 빠르게 대응하고 있다. 그러나 국내 기업들은 소재산업의 특성상 아직 소재를 만드는 원천기술이 부족해 글로벌 시장 경쟁에서 어려움을 겪고 있다.

□ 윤준보 교수와 이대식 박사 연구팀은 전자산업에서 흔히 사용하는 박막(원주상 구조* 활용)을 나노 분리막 소재로 이용할 수 있다는 사실을 처음으로 규명하고, 새로운 분리막 원천 소재와 제조기술 개발에 성공하였다.
*) 원주상 구조(columnar structure) : 원기둥 모양으로 발달된 입자들이 빽빽이 밀집되어 있는 박막 구조

○ 지금까지 분리막은 나노구멍을 만들기 위해 박막 위에 추가적으로 공정하여 가격도 비싸고 복잡하였다. 그러나 윤 교수팀은 반도체 산업에서 사용하는 기존의 장비만을 이용해 단순히 증착(蒸着, PVD)만 하여, 저렴하게(예, 혈액 정제용 필터는 100원 이하) 넓은 면적으로(수m2 이상, 기존 대비 만 배 이상) 제작할 수 있어 상용화 가능성을 높였다.

○ 또한 이 기술은 금속뿐만 아니라 산화물에도 적용할 수 있고, 나노구멍의 크기도 손쉽게 조절할 수 있어(1~10 나노미터), 다양한 분야에 활용할 수 있는 것이 장점이다. 또한 성능 면에서 기존의 상용화된 분리막과 비교해도, 선택비*도 탁월하고(100배 이상) 투과속도도 빠르며(100배 이상), 높은 압력(대기압의 2배, 2atm)에서도 안정적으로 작동한다.
*) 선택비 : 분리막을 통해 투과된 나노입자 중 투과시키고자 하는 입자와 투과시키지 않고자 하는 입자의 비율(선택비가 높을수록 우리가 원하는 입자만을 얻고 불필요한 입자들은 제거할 수 있다.)

○ 일반적으로 국내 분리막 시장은 9,000억 원대로 추정되는데, 대부분의 분리막 소재는 수입에 의존한다. 따라서 이번 분리막 개발로 1조원 이상의 경제적 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대한다. 이번 연구로 개발된 분리막 소재와 제작기술은 현재 우리나라뿐만 아니라 미국에서도 특허 출원을 완료하였다.

□ 윤준보 교수는 “이번 연구는 일반 반도체산업에서 사용하는 금속 전극 등이 일정한 크기의 나노입자만을 선택적으로 투과시킨다는 것을 처음으로 규명한 것으로, 이를 이용해 전 세계 선진기업에서 주목하고 있는 분리막 원천 제조기술을 확보했다는 점에서 의미가 크다”고 연구의의를 밝혔다.

붙임 : 연구결과개요, 용어설명, 사진설명

출처 : 교육과학기술부