나노 분리막 제조 원천기술 탄생… 공기 중 바이러스까지 걸러낸다

KAISTㆍETRI연구팀 국내 첫 개발… 10억분의 수m까지 선택적 분리 가능

▲ 윤준보 교수

▲ 이대식 박사

▲ 최동훈 박사과정생

분자보다 작은 입자(10억 분의 수m)를 선택적으로 분리해낼 수 있는 나노 분리막의 소재와 제조방법이 국내연구진에 의해 개발, 글로벌 이슈인 노령화, 자원(물, 에너지) 부족 문제를 해결할 수 있는 기반이 마련될 전망이다.

KAIST 윤준보(41) 교수와 한국전자통신연구원(ETRI) 이대식 박사가 주도하고 KAIST 최동훈 박사과정생(제1저자)과 아주대 윤현철 교수가 참여한 연구는 재료 및 응용분야의 권위 있는 학술지인 '어드밴드스 머터리얼스'지 최신호(8월 22일 자)에 표지논문으로 선정됐다.

분리막은 가정에서 불순물을 걸러낼 때 쓰는 '체'처럼, 수 나노미터의 매우 많은 구멍을 이용해 눈에 보이지 않는 분자(혹은 원자) 크기의 미세한 입자들을 선택적으로 투과하거나 제거할 수 있는 다 기능성 소재다.

▲ 학술지 '어드밴드스 머터리얼스'지 최신호(8월 22일 자) 표지에 게재된 논문.

다 기능성 분리막은 미세입자를 자유자재로 다룰 수 있다는 점에서 최근 의료 환경 에너지 식품 등 다양한 분야에 활용, 미래 고부가가치 기술로 주목 받고 있다. 예를 들면, 분리막으로 혈액 속에 있는 불순물을 제거하는 인공 신장을 만들거나, 물과 공기 중에 존재하는 각종 바이러스들(예, 사스)을 효과적으로 제거할 수 있다.

영국의 물 전문기관 '글로벌 워터 인텔리전스(GWI)'는 전 세계 분리막 시장이 2016년께에는 37조원까지 확대될 것으로 전망하는 등 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)을 나노 분리막 소재로 이용할 수 있다는 사실을 처음으로 규명하고, 새로운 분리막 원천 소재와 제조기술 개발에 성공했다.

지금까지 분리막은 나노 구멍을 만들기 위해 박막 위에 추가로 공정해 가격도 비싸고 복잡했다.

그러나 윤 교수팀은 반도체 산업에서 사용하는 기존의 장비만을 이용해 단순히 증착만 해 저렴하게(혈액 정제용 필터는 100원 이하) 넓은 면적으로(수㎡ 이상, 기존 대비 만 배 이상) 제작할 수 있어 상용화 가능성을 높였다.

또 이 기술은 금속뿐만 아니라 산화물에도 적용할 수 있고, 나노 구멍의 크기도 손쉽게 조절할 수 있어(1~10나노미터), 다양한 분야에 활용할 수 있는 것이 장점이다.

성능 면에서 기존의 상용화 된 분리막과 비교해도, 선택비도 탁월하고(100배 이상) 투과속도도 빠르며(100배 이상), 높은 압력(대기압의 2배)에서도 안정적으로 작동한다.

일반적으로 국내 분리막 시장은 9000억원대로 추정되는데, 대부분의 분리막 소재는 수입에 의존하고 있어, 이번 분리막 개발로 1조원 이상의 경제적 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대되고 있다.

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.

권은남 기자