우리 연구진이 고품질 의약품 제조에 필요한 고순도 유기용매를 고효율 분리하는 공정 원천기술 개발에 성공했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 최민기 생명화학공학과 교수팀이 2차원 다공성 탄소 기반 유기용매 정제용 초고성능 나노여과막을 개발했다고 3일 밝혔다.
기존 유기용매 분리공정은 물질 간 끓는점 차이를 이용해 분리하는 증류법을 썼는데 대용량 혼합물을 끓여야 해 막대한 에너지를 소모했다.
반면 분리막 기술은 압력을 가하는 것만으로 유기용매보다 큰 입자들을 제거할 수 있다. 에너지 비용을 절감할 수 있고 가열 중 발생하는 생성물 화학 변성 위험성도 없다.
문제는 분리막 재료다. 그동안 얇고 안정적이며 강성이 높은 그래핀이 주목받았는데 탄소 원자들이 촘촘해 어떤 물질도 투과시키지 못했다. 추가로 균일하게 고밀도 기공을 내는 것도 어려웠다.
최 교수팀은 2나노미터(㎚) 이하 마이크로 기공을 갖는 '제올라이트'를 주형(틀)으로 활용해 분리막용 2차원 마이크로 다공성 탄소 물질을 합성했다.
이어 2차원적 기공 연결구조를 지닌 제올라이트 내부에 탄소를 채워 넣은 후 다시 제올라이트만을 녹여내는 방법으로 2차원 탄소 물질 합성에 성공했다. 균일한 마이크로 기공들이 벌집 구조로 빽빽하게 배열되게 했다. 해당 기공 밀도는 기존 보고된 다공성 그래핀과 비교해 수십 배 이상 높은 수치다.
이런 2차원 탄소 시트를 적층해 만든 분리막은 큰 유기 용질은 효과적으로 걸러내며, 작은 유기용매는 자유롭게 투과시켜 고순도 유기용매를 얻을 수 있다. 높은 기공 밀도 덕에 유기용매 대량 정제에 적합하다.
최민기 교수는 “극도로 균일한 마이크로 기공이 초고밀도로 존재하는 2차원 다공성 탄소 합성 방법은 세계적으로 보고된 바 없던 새로운 개념”이라며 “이번 연구로 개발한 탄소 물질은 분리막뿐만 아니라 배터리나 축전지 등 전기화학적 에너지 저장장치 및 화학센서 등에 활용 가능할 것”이라고 말했다.
김채훈 KAIST 응용과학연구소 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 세계적 권위지인 '사이언스 어드밴시스'에 지난 2월 10일 게재됐다. 한편 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
