국립금오공과대학교(총장 김상호)는 은종현·설인환 화학소재공학부 교수 연구팀이 실리카 나노섬유 제조 과정에서 화학반응 속도와 고분자 사슬 얽힘의 균형점을 찾아 구조적으로 안정된 실리카 나노섬유를 만드는 공정 조건을 찾아냈다고 4일 밝혔다. 이번 기술은 다양한 산업 현장의 필터 소재로 활용될 수 있을 것으로 내다봤다.
열과 화학물질에 강한 실리카 나노섬유는 제철·발전·소각 시설의 고온이나 화학공정 등 기존 고분자 필터를 쓰기 어려운 환경에서 필요하다. 그러나 실리카 나노섬유를 구성하는 실리카 원료(TEOS)와 고분자(PVP) 성분의 비율을 최적으로 맞추는 것이 주요한 난제였다.
연구팀은 TEOS 농도(8~24wt%), PVP 함량, 용액 숙성 시간을 체계적으로 바꿔가며 섬유 형태와 화학 구조의 변화를 분석했다. 그 결과 TEOS 18wt%, PVP 2.4g 조성에서 결함 없이 균일한 나노섬유가 만들어짐을 확인했다. 이렇게 만든 섬유를 300℃에서 열처리하자, 섬유 형태를 유지하면서 인장강도가 약 0.14 MPa에서 0.30 MPa로 114.3% 향상됐다. 필터 성능 평가에서는 2~4㎛ 크기의 미세입자를 98.6% 걸러냈다.
특히 최적 조성의 나노섬유 매트는 3D 프린터로 제작한 상·하부 금형 사이에 넣고 눌러도 찢어지거나 구멍이 나지 않고 입체 형상으로 성형됐다. 실리카 기반 나노섬유는 원하는 모양으로 가공하기 어려웠던 만큼, 다양한 형태의 필터로 만들 수 있는 가능성을 보여준 것이다.
이 기술은 다양한 산업 현장의 필터 소재로 활용될 수 있다. 열과 화학물질에 강한 실리카 나노섬유의 특성 바탕으로, 고온의 배기가스를 비롯해 부식, 침식 등 화학적 자극이 강한 환경의 집진 필터에 적용할 수 있다.
또 미세입자 포집 성능이 우수해 반도체·디스플레이·이차전지 등 첨단 제조 공정의 클린룸 및 공정 배기 필터 활용도 기대된다. 무엇보다 금형으로 원하는 형태를 만들 수 있어 원통형 카트리지처럼 장비 형상에 맞춘 입체 필터 모듈로 제작할 수도 있다.
이번 연구는 최근 엘스비어(Elsevier)가 발행하는 분리막 분야 대표 학술지 '저널 옵 맴브레인 사이언스(Journal of Membrane Science)에 온라인 게재됐다 이선빈(소재디자인공학과 석사과정) 학생이 제1저자로 참여했으며, 설인환·은종현 교수가 공동 교신저자를 맡았다.
구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
