재료연 세라믹 분리막 표면 제어하는 소재 기술 개발로 수처리 한계 개선

세라믹 분리막 특성평가 실험 중인 송인혁(왼쪽) 책임연구원과 이홍주 선임연구원. 재료연 제공

한국재료연구원(KIMS·이하 재료연) 연구진이 세라믹 분리막의 표면을 나노 단위에서 매끄럽게 제어하는 제조 공정 기술과 낮은 압력에서도 오염물질을 정밀하게 걸러내는 분리막 소재 기술을 개발했다. 에너지 소모가 크고 공정이 복잡했던 기존 수처리 분리막의 한계를 개선하면서 해외 진출 기반을 마련했다는 평가다.

세라믹 분리막은 화학적·열적 안정성이 뛰어나 산업 폐수 처리, 해수 담수화, 반도체 공정용 초순수 제조 등 극한 환경의 수처리에 필수적인 소재다. 분리막의 성능은 거름망 역할을 하는 기공 크기를 얼마나 정밀하게 잘 제어하는지와 이를 지탱하는 지지체 표면이 얼마나 매끄럽게 형성되는지에 따라 결정된다. 하지만 기존의 제조 방식은 지지체 위에 여러 분리막 층을 반복해서 코팅하고 고온에서 소결하는 복잡한 공정까지 거쳐야 해 에너지 소모가 컸다. 또 이 과정에서 발생하는 표면의 거칠기로 인해 상부의 분리층에서 미세 균열이 생겨 성능 저하로 이어지는 문제가 빈번했다. 나노여과 분리막은 고압(10bar)에서만 작동해 운영 비용이 높은 한계로 인해 산업 현장 적용에도 제약이 있었다.

재료연은 나노재료연구본부 이홍주, 송인혁 박사 연구팀은 이 문제를 해결하고자 서로 다른 층의 입자를 섞어 결합력을 높이는 '상호 도'핑(Mutual Doping) 기술과 모든 층을 한 번에 굽는 '동시 소결'(Co-sintering) 기술을 새롭게 개발했다. 이 기술을 통해 기존의 1300℃가량에 달하던 소결 온도를 1000℃ 수준으로 낮추면서도, 입자 간 소결성을 높여 낮은 온도에서도 단단하고 견고한 세라믹 구조를 구현할 수 있었다.

거친 표면과 균열을 없앤 '초평탄·무결점' 나노여과막 제조 기술 개발

표면의 거칠기를 기존 24.29㎚에서 11.74㎚로 낮추는 등 기존 다단계 공정으로는 달성하기 어려웠던 수준의 초평탄 표면을 구현해 분리막 균열 발생을 근본적으로 억제하는 제조 공정을 완성했다.

연구팀은 낮은 압력에서도 높은 분리 성능을 구현할 수 있는 '지르코니아(ZrO2) 기반 루즈 나노여과막' 소재 기술을 함께 확보했다. 상호 도핑 공정으로 형성된 매끄러운 기판 위에 자체 개발한 친환경 수계 지르코니아(ZrO2) 졸(Sol)을 코팅해, 미세 기공에 의한 체 거름 효과와 정전기적 반발력이 동시에 작용하는 분리막을 구현한 것이다.

해당 분리막은 수돗물 수준의 낮은 압력(2bar)에서도 염색 폐수 속 염료를 99.8% 이상 제거하면서, 이온 성분은 선택적으로 통과시킨다.

해당 기술은 기존 상용 분리막의 한계였던 이온과 염료의 분리 난제를 해결해 수처리의 패러다임을 단순 오염 제거에서 '자원 회수'로까지 확장했다. 특히 높은 수투과도를 바탕으로 처리 효율을 크게 높였으며 세라믹의 뛰어난 화학적 안정성과 우수한 유량 회복 특성을 통해 분리막의 수명과 경제성을 함께 향상시켰다.

Desalination 논문 초록 이미지. 염료는 막고 소금(이온)물은 통과시키는 '고선택성 지르코니아 분리막'의 구동 메커니즘

이번 연구는 소재 기술과 제조 공정 기술을 결합해, 미세 기공과 공정 결함을 동시에 제어하는 차세대 수처리 통합 솔루션을 완성했다는 데 의미가 있다. 이를 통해 공정의 단순화와 저압 구동이라는 두 가지 난제를 동시에 해결함으로써 경제성과 성능을 모두 고려한 자원 순환형 친환경 수처리 기술을 구현했다. 무결점에 가까운 표면 제어와 높은 에너지 효율 달성은 기존의 수처리 분리막 기술의 한계를 넘어선 새로운 접근으로 평가된다.

개발된 기술은 섬유 산업의 염색 폐수 처리, 반도체 공정의 초순수 제조 등 고도의 정밀 정수가 요구되는 분야에 폭넓게 활용할 수 있다. 특히 고효율 구동으로, 대형 수처리 플랜트의 에너지 비용과 탄소 배출을 획기적으로 줄이는 것 또한 가능하다. 그동안 해외 선진국이 주도해 온 고부가가치 세라믹 분리막 시장에서 원천 기술을 확보함으로써 수입 의존도를 완화하고 글로벌 환경 규제에 대응하는 기술로의 활용 확대도 기대된다.

연구책임자인 이홍주 재료연 선임연구원은 "저압 구동형 소재 기술과 이를 결함 없이 구현할 수 있는 제조 공정 기술을 동시에 확보했다는 점에서 그 의미가 남다르다"며 "전량 수입에 의존하던 고부가가치 세라믹 분리막의 국산화를 넘어 향후 글로벌 시장을 선도하는 기술로 발전할 수 있도록 지속해서 노력할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업과 산업통상부 산하 한국산업기술기획평가원의 소재부품기술개발사업의 지원으로 수행됐으며 연구성과는 수처리 분야 세계적 학술지 '탈염'(Desalination, JCR 상위 2%)과 '막과학저널'(Journal of Membrane Science, JCR 상위 5%)에 각각 2025년 10월 15일, 2026년 2월 1일 온라인 게재됐다. 임효인 기자