광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 김인수 환경·에너지공학부 교수팀이 미국과 영국 등 국제 공동연구팀과 그래핀을 소재로 한 적층형 산화 분리막을 개발, 적층형 산화 그래핀막에서의 물 분자가 갖는 특이적 투과 현상의 발생 원리를 규명하는 데 성공했다고 15일 밝혔다.
기존 일반적인 고분자 분리막은 막의 두께가 두꺼워짐에 따라 순수 투과도는 저항에 의해 큰 폭으로 감소하고 막의 소재 및 구조에 따라 큰 차이를 나타낸다. 적층형 산화 그래핀 분리막에서는 두께가 증가하더라도 저항이 작아 초고속으로 막힘없이 투과하는 현상의 원인이 지금까지 명확히 밝혀지지 않았다.
선택적 분리막은 막분리 성능을 결정하는 가장 중요한 요소다. 높은 투과도와 선택도를 동시에 유지할 수 있으며 물리화학적으로도 안정적인 분리막의 개발이 기존 고분자 소재 분리막의 한계를 극복하는 데 무엇보다 중요하다.
연구팀은 '꿈의 소재'로 불리는 그래핀의 장점인 원자 수준의 두께, 매우 우수한 기계적 강도, 물리화학적 안정성 및 화학적 변형 가능성 등을 바탕으로 산화 그래핀을 활성층, 다공성 세라믹을 지지층으로 하는 비대칭 분리막을 합성했다. 적층 산화 그래핀 막이 기체 투과에 있어 작은 분자에 높은 투과율과 선택도를 가진다는 사실을 확인했다. 기존 연구에서 물 분자의 경우에는 적층 산화 그래핀 막에서 공기 중 확산 속도 대비 약 99%에 이르는 속도로 투과가 가능하다는 것을 확인한 바 있다.
이번 연구에서 합성한 적층 산화 그래핀 막에서 물 분자가 초고속으로 막힘없이 투과되는 현상을 규명하는 것에 더해 물 분자가 가지는 특이적 투과 기작도 규명했다.
활성층을 구성하는 적층 산화 그래핀 층의 두께를 변화시켜 가며 투과 현상을 관찰한 결과, 실험에 사용된 일반 용매 분자들(메탄올, 에탄올 등)은 얇은 적층 산화 그래핀 막(140 nm)조차 거의 투과할 수 없었던 것과 달리 물 분자의 경우 산화 그래핀 활성층 두께가 약 1,500% 증가(140㎚→2000㎚)함에도 투과도가 약 40% 정도만 감소하는 특이 현상을 발견했다.
미세하게 투과하는 용매들의 투과 성능과 물 분자의 투과 성능을 비교한 결과, 크기 배제 효과와 확산 효과가 동시에 작용하는 크기-저항 확산이 적층형 산화 그래핀 막에서 매우 중요한 기작으로 작용한다는 사실을 밝혀냈다.
이번 연구 성과는 적층형 산화 그래핀 막에서의 물질 분리 선택도를 큰 폭으로 향상시킬 뿐만 아니라 다른 2차원(2D) 소재를 활용한 상용화 분리막의 합성에서도 이 기작을 적용해 새로운 개념의 선택적 분리막을 만들 수 있을 것으로 기대한다.
김인수 교수는 “이번 연구는 적층형 산화 그래핀 분리막에서 일어나는 물 분자 이동 기작의 전이 현상을 규명했다는 데 가장 큰 의의가 있다”며 “향후 그래핀을 이용한 상용화 막 합성뿐만 아니라 2D 소재를 이용한 적층형 구조에서의 분자 이동 기작을 규명하여 고도수처리, 해수담수화 및 기체 분리막 개발에 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
