국립금오공과대학교(총장 김상호) 기계공학부 김민석 교수 연구팀이 차세대 해수담수화용 초박막 분리소재로 주목받는 '나노다공성 그래핀(NPG) 분리막'의 열화 메커니즘과 내구성 한계를 체계적으로 분석한 리뷰 논문을 발표했다.
나노다공성 그래핀 분리막은 원자 한 층 두께의 그래핀에 극미세 나노공극을 형성한 구조로, 이론적으로 기존의 고분자 역삼투(RO)막 대비 높은 물 투과도와 우수한 염 제거 성능을 동시에 구현할 수 있는 차세대 소재로 평가받고 있다. 그러나 실제 해수 환경에서는 고압, 고염도, 산화성 물질, 유기·무기 오염 물질 등이 복합적으로 작용해 장기적으로 운용 시 성능 저하가 발생할 수 있다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 그래핀 담수화막의 주요 열화(성능 저하) 원인을 ▲기계적 파손 ▲그래핀-지지체 계면 박리 ▲생물학적 오염 ▲유기 오염 및 나노플라스틱 흡착 ▲무기 스케일링 ▲산화 열화 ▲나노공극 구조 재구성 등 7가지로 체계화했다.
특히 연구팀은 그래핀 막이 구조적으로 가장 취약한 '나노공극 가장자리'와 '지지체와의 계면'에서 발생하는 고유의 열화(성능 저하) 특성을 규명했다. 이를 바탕으로 단순한 성능 향상을 넘어 장기 안정성을 확보하기 위한 '열화 중심 프레임워크'를 제안했다. 구체적인 내구성 향상 방안으로는 ▲지지체 기공 구조 최적화 ▲공극 가장자리 화학적 안정화 ▲계면 접착 및 실링 강화 ▲항균 기능 도입 ▲다층·하이브리드 구조 적용 등 5대 핵심 전략을 종합적으로 제시했다.
이번 연구로 차세대 소재인 나노다공성 그래핀 분리막의 최대 상용화 장벽이었던 '내구성 한계'를 극복할 가이드라인이 마련됨에 따라, 수처리 및 해수담수화, 반도체 및 첨단 신소재, 친환경 및 탄소중립 등 첨단 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 파급력이 기대된다.
김민석 교수는 “그래핀 기반 담수화 분리막은 이론적으로 매우 뛰어난 성능을 갖고 있지만, 실제 산업 현장에서는 '얼마나 오래 안정적으로 작동하느냐'가 핵심 변수”라며, “이번 연구는 향후 그래핀 기반 분리막의 실용화를 위한 설계 지침을 제시했다는 점에서 의의가 있다”고 밝혔다.
이번 연구는 학술적 중요성을 인정받아 수자원 분야 최상위 국제 학술지 'Desalination'에 실렸다. 굥동 교신저자인 김민석 교수와 이종완 국립군산대 교수, 제1저자인 미국 매사추세츠공대 김로현 박사(현 미국 인텔 근무)가 함께 수행한 공동연구 결과다. 연구는 과학기술정보통신부 산하 정보통신기획평가원(IITP)의 '대학ICT연구센터사업'과 복지부 산하 한국보건산업진흥원(KHIDI)의 '저출산극복기술개발사업' 지원을 받아 수행됐다.
구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
