[그래핀이 길이다] 수처리 산업, 그래핀 통해 혁신맞다

발행일 : 2020-10-08 14:58

그래핀은 2004년 첫 발견과 함께 꾸준히 언급돼온 새로운 산업소재다. 최근에는 단층(Single lalyer)그래핀(1층)·이중층(Bilayer) 그래핀(2층)·다층(Few layer) 그래핀(3~10층) 등 국제표준 ISO 인증과 한국기초과학지원연구원(KBSI) 이하진 박사(서울서부 센터장)가 개발한 '플레이크 그래핀의 전기적 특성 평가법'의 국제전기기술위원회(IEC) 국제표준 채택 등 그래핀 관련 표준 가이드라인이 수립되기 시작하면서 그 응용연구도 가속화되고 있다.

하지만 산업계는 물론 대중에게는 전자부품과 배터리 등에 집중된 활용가치와 그에 따른 지지부진한 발전흐름만 비쳐진 탓에, 그래핀의 상용화 수준에 대한 회의적인 논의가 많다. 특별기획 '그래핀이 길이다'는 선도적으로 추진 중인 그래핀 응용기술의 실사례와 함께, 점차 발전가속도를 내는 그래핀 연구와 업계 내외의 분위기를 살펴보고자 한다. -편집자주-

◇다각적 발전일로 수처리 산업

수처리 분야는 고대는 물론 현재까지 의식주와 밀접한 관련을 지니면서 관심을 얻어온 분야다.

특히 산업화 문제가 대두된 직후인 90년대쯤부터는 오폐수 처리시설에 대한 관심이 크게 대두됨에 따라 관련 기준들도 점차 강화되는 추세를 띠고 있다.

이에 따라 관련 기술들도 상당히 발전일로를 걷고 있다. 미생물에 의한 자정작용을 이용한 생물학적 방법은 물론 숯이나 활성탄 등을 활용한 필터방식 등을 거쳐, 현재 전기분해 및 역삼투압(RO, Reverse Osmosis)과 같은 막 여과 방식 등 다양한 기술들이 가정은 물론 대규모 산업단지와 국가 인프라 등의 형태로 펼쳐져있다.

하지만 기술개발 이면에 숨은 다양한 한계점들로 어려움을 겪는 것도 사실이다. 실제 전기분해나 역삼투압 등의 방식은 초기 설비 투자비용이 높은 것은 물론, 폐수 대비 정수 생산 비율이 낮고 고압펌프 등의 운전비용이 발생됨에 따라 운영효율이 떨어지는 단점이 있다.

이에 효율 면에서나 환경 친화적 측면에서 뛰어난 필터방식을 전통적으로 고집하는 모양새다. 물론 활성탄 등 탄소 분자공(空)의 크기에 따른 정화능력과 함께 지속성 측면에서 부족함이 드러나 많은 고민을 겪고 있다.

이런 상황 속에서 그래핀은 새로운 수처리 소재로서 주목받고 있다. 탄소가 지닌 자체 항균력은 물론, 1nm(나노미터) 수준의 분자공을 지닌 2차원 물질로서 비표면적(BET)이 높은 덕분으로, 기존 활성탄 소재의 필터 대비 높은 성능을 지님은 물론, 기본적인 제품구조화도 쉽다는 점에서 큰 기대를 모으고 있다.

◇그래핀, 수처리 산업 혁신 본격화

그래핀을 활용한 수처리 시설 상용화도 본격적으로 이뤄지고 있다. 일례로 글로벌 그래핀 제조사인 스탠다드그래핀은 자체 기술을 활용한 고성능 수처리 소재 '슈퍼그라파이트(Super Graphite)'로 국내외적인 주목을 받고 있다.

실제 스탠다드그래핀의 '슈퍼그라파이트'는 수처리 관련 세계 최고의 인증기관인 NSF International의 NSF/ANSI 41, NSF/ANSI/CAN 61 인증을 취득하여 정수 소재로서의 안정성을 확보했다. 유기물, 중금속, 색도, 부영양화를 유발하는 인의 제거 성능이 우수하며, 해당 기술이 대규모 정수처리 시설과 가정용 정수기 소재에 적용하는데 적합하다는 점이 공증된 것이다.

이는 기존 필터방식에 적용 가능한 구조로서 더욱 뛰어난 수질개선 효과와 함께 안정적인 수자원 수급을 거듭할 수 있다는 점이 부각된 바로서 실제 상용화에 더욱 빠르게 접근할 수 있을 것이라는 전망을 갖게 한다.

이러한 전망치는 지난해 스탠다드그래핀과 엄홍길 휴먼재단이 함께 진행한 네팔 룸비니 지역 학교 수처리시설 설립과 함께 그래핀의 수처리 시설 활용연구의 본격화로 이어지고 있다.

재학생 700여명에게 안정적인 정수 공급과 함께 해당 지역의 환경 및 사회개선에 이바지하고 있는 해당 시설은 인류복지 차원에서의 접근은 물론, 스탠다드그래핀의 '슈퍼그라파이트(Super Graphite)'를 기준으로 한 그래핀의 다양한 가능성을 모색케하는 계기를 만들고 있다.

특히 박테리아, 중금속, 농약류, 유기 화합물 등 유해물질을 100%에 가깝운 수준으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 방사능 물질 제거효과도 입증되었고, 이러한 실제 근거치를 토대로 반도체, 석유화학, 제조업, 상하수도 인프라, 식품산업 등에 접목할 수 있는 가능성들이 검토되고 있다.

엄홍길 휴먼재단 상임이사는 "그래핀이란 첨단 기술을 활용해 낙후지역에 있는 학교의 학생들에게 맑고 깨끗한 식수를 보급할 수 있어서 너무나 보람차고 뜻 깊게 생각한다"며 "본래 올해에도 네팔에 있는 2개 학교에 추가로 그래핀 정수시설을 설치할 예정이었지만 코로나로 인해 불가피하게 연기된 상황이다"라고 전했다.

이어 엄홍길 상임이사는 "향후에도 지속적으로 그래핀 정수시설을 엄홍길 휴먼재단이 설립한 오지의 학교들에 보급할 예정"이라고 덧붙였다.

◇그래핀의 가능성은 계속된다

그래핀 기반 수처리시설은 인간의 기본적인 의식주 해결에 필요한 수자원에 대한 새로운 방향성을 제시하는 바와 함께, 공기정화 등 환경개선에 필요한 다양한 연구기술 노력에도 시사점을 남기고 있다.

또한 소위 디스플레이·배터리·자율주행·드론 등 IT 기반의 4차산업 기술에 치우쳐있던 그래핀의 활용방향성을 기존 산업군 내 시설 및 연구사례들에 획기적인 검토를 부추김과 동시에, 표준 범위내의 그래핀 제조기술을 확보하기 위한 다양한 연구노력을 이끌어내고 있다.

또한 단편적인 그래핀 제조와 가능성 타진 뿐 만 아니라, 가시적인 그래핀 활용성과를 촉진하는 계기가 될 것으로 보인다.

김상호 스탠다드그래핀 수처리사업부 이사는 "그래핀 제조 기술 기반으로 개발된 Super Graphite는 새로운 수처리 소재 개발과 응용의 전환점이 될 것"이라며 "Super Graphite의 차별화된 성능으로 기존 수처리 기술로 해결하지 못했던 애로점을 해소할 수 있을 것이며, 폐수 및 정수처리 시설과 가정용 제품 등 여러 분야에 적용이 확대될 것"이라고 말했다.

이어 김상호 이사는 "비소와 같은 특정 오염 물질만을 제거하는 새로운 소재들을 개발 진행중이며, 향후 대기오염물질 처리 소재와 프로세스도 개발할 예정"라고 전했다.

전자신문인터넷 박동선 기자 (dspark@etnews.com)