DGIST-생기원, 미세플라스틱 제거하는 친환경 필터 개발

마찰대전 발전소자를 통해 물 속 미세플라스틱을 제거
물 속 다양한 미세 독성 입자 문제 해결 기대

대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 이주혁 에너지공학과 교수 연구팀이 한국생산기술연구원(원장 이낙규) 조한철 박사 연구팀과 공동연구로 물속에 존재하는 마이크로~나노 크기의 미세플라스틱 제거가 가능한 친환경 미세플라스틱 제거 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

물속 미세플라스틱을 제거하는 친환경 필터 기술을 개발한 연구진. 왼쪽부터 이주혁 DGIST 교수, 이철재 석박사통합과정생, 조한철 한국생산기술연구원 수석연구원, 박병건 박사과정생
<물속 미세플라스틱을 제거하는 친환경 필터 기술을 개발한 연구진. 왼쪽부터 이주혁 DGIST 교수, 이철재 석박사통합과정생, 조한철 한국생산기술연구원 수석연구원, 박병건 박사과정생>

통상적으로 5mm 미만 크기 플라스틱을 미세플라스틱이라고 한다. 체내에 축적돼 생체 기능을 교란한다. 주로 해양으로 유입돼 해양 생물계 내분비계 교란을 통해 최상위 포식자인 인류에게 영향을 미친다. 이를 위해 미세플라스틱을 걸러내는 기술이 절실하다.

하지만 미세플라스틱은 작은 크기로 인해 필터를 사용해 물속에서 분리하거나 처리하는 데 어려움이 있다. 특히, 마이크론 미만 크기인 나노 입자는 물리적인 방법의 필터를 통해 제거할 경우 필터 막힘 및 필터 자체 환경오염 문제가 생길 수 있다. 친환경적 방법이 필요한 이유다.

공동연구팀은 물속의 미세입자를 제거하는 친환경 발전소자를 세계 최초로 개발했다. 이주혁 교수 연구팀의 마찰대전 에너지 발전소자(TENG)와 조한철 박사팀의 전기영동법을 통한 입자 제거 기술의 합작이다.

다공성 피라미드 구조 마찰대전발전소자를 통해 미세플라스틱을 제거하는 과정의 모식도 및 고출력 porous pyramid 기반 마찰대전 발전소자
<다공성 피라미드 구조 마찰대전발전소자를 통해 미세플라스틱을 제거하는 과정의 모식도 및 고출력 porous pyramid 기반 마찰대전 발전소자>

TENG는 물리 에너지를 통해 전기 에너지를 발생시키기 때문에 친환경적인 미세플라스틱 필터 제작이 가능하다. 또 마찰대전 에너지의 높은 전압 특성을 활용하기 때문에 특별한 외부 전원이 필요 없어 장소에 구애받지 않는다.

이번 연구를 통해 새롭게 개발된 다공성 미세구조 기반 TENG는 기존 TENG보다 3배 이상의 높은 출력을 나타냈다. 마이크로 크기의 미세플라스틱 입자 제거율은 기존 TENG의 입자 제거율인 3.8%보다 약 5.6배 높은 21.4%를 달성했다. 특히 이번 기술은 마이크로 단위의 미세플라스틱뿐만 아니라 나노 크기의 산화아연, 이산화규소 등 다양한 미세 독성 입자들도 제거할 수 있다.

(a) 기존 평평한 구조, 피라미드 구조의 마찰대전 에너지 발전소자 대비 다공성 피라미드 구조의 마찰대전 에너지 발전소자의 미세 유해물질 제거 효율이 높다. (b) 개발된 미세 유해물질 제거 시스템은 플라스틱 뿐만 아니라 CdZnS, ZnO, SiO2 등의 다양한 나노 및 마이크로 유해물질 제거가 가능하다. (c) 제거된 미세입자의 패턴을 이용해 구현한 형광 이미지
<(a) 기존 평평한 구조, 피라미드 구조의 마찰대전 에너지 발전소자 대비 다공성 피라미드 구조의 마찰대전 에너지 발전소자의 미세 유해물질 제거 효율이 높다. (b) 개발된 미세 유해물질 제거 시스템은 플라스틱 뿐만 아니라 CdZnS, ZnO, SiO2 등의 다양한 나노 및 마이크로 유해물질 제거가 가능하다. (c) 제거된 미세입자의 패턴을 이용해 구현한 형광 이미지>

한편, 이번 연구 성과 논문은 최근 에너지공학 분야 저명 국제학술지 '나노 에너지'에 온라인 출판됐다. 학술지에는 오는 9월 중 게재될 예정이다. 해당 논문은 DGIST 에너지공학과 이철재 석사·박사통합과정생과 한국생산기술연구원(부산대학교 기계공학부) 박병건 박사과정생이 1 저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단 지원을 받아 수행됐다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com