- 마그네슘을 투입하여 해수담수화 분리막 오염을 억제하는 공정 개발 - 해수담수화 안정성을 확보하여 공정 효율 및 분리막 수명 연장 기대 국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다. 해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만, 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다. KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안하였다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다. KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.913, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이석헌 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도

- 마그네슘을 투입하여 해수담수화 분리막 오염을 억제하는 공정 개발 - 해수담수화 안정성을 확보하여 공정 효율 및 분리막 수명 연장 기대 국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다. 해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만, 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다. KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안하였다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다. KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.913, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이석헌 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도

- 마그네슘을 투입하여 해수담수화 분리막 오염을 억제하는 공정 개발 - 해수담수화 안정성을 확보하여 공정 효율 및 분리막 수명 연장 기대 국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다. 해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만, 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다. KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안하였다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다. KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.913, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이석헌 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도

- 마그네슘을 투입하여 해수담수화 분리막 오염을 억제하는 공정 개발 - 해수담수화 안정성을 확보하여 공정 효율 및 분리막 수명 연장 기대 국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다. 해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만, 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다. KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안하였다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다. KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.913, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이석헌 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도

- 마그네슘을 투입하여 해수담수화 분리막 오염을 억제하는 공정 개발 - 해수담수화 안정성을 확보하여 공정 효율 및 분리막 수명 연장 기대 국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다. 해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만, 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다. KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안하였다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다. KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.913, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이석헌 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도

해수담수화, 나노기술로 한걸음 도약 - 기존 해수담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선 - 나노박막 구조를 자유롭게 제어·설계할 수 있는 분리막 제조기술을 이용한 해수 담수화 분자수준에서 물질을 조립하는 나노기술을 이용하여 기존 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선한 신소재가 개발되었다. 지구상에 흔히 존재하는 물. 어디서나 쉽게 볼 수 있는 물이지만, 문제는 97%이상이 인간이 마시거나 사용할 수 없는 바닷물이라는 점이다. 따라서 바닷물을 담수로 분리하기 위한 기술은 인류 역사와 더불어 발전해왔다고 해도 과언이 아니다. 이러한 해수의 다양한 이용을 위해서는 해수로부터 담수를 분리하는 막(Membrane) 개발이 필요한데, 국내연구진이 나노수준에서 분자간 반응을 제어하여 나노두께의 초고밀도 분리막을 제조함으로써, 기존의 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선하였다. 우리 원 물질구조제어연구단 이정현 박사와 고려대학교 방준하 교수는 미국국립표준과학연구원(NIST)와의 공동연구를 통해 벽돌을 쌓아올려 집을 짓듯이, 쉽고 다양하게, 분자들을 나노수준에서 조립하여 고성능 해수담수화 분리막을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘Molecular Layer-by-Layer Assembled Thin-Film Composite Membranes for Water Desalination’이라는 제목으로, 재료분야 세계적 권위의 과학전문지 ‘Advanced Materials' 온라인판 7월호에 게재되었다. 지난 40여년간, 해수담수화에 사용되어온 기존의 고분자 분리막 제조방법은 막의 내부구조를 조절하기 어려워 분리막의 성능(염분제거율, 수투과도: 물이 투과되는 정도) 및 내구성을 향상시키는데 한계가 있었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 분리막의 구조를 정밀 제어하여 기존의 분리막이 가지고 있던 한계를 극복하는 연구에 대한 필요성이 제기되어 왔다. 이에 공동연구팀은 분자간의 반응을 나노수준에서 제어하여 레고 블록과 같이 분자 하나 하나를 조립함으로써 균일하면서도 밀도가 높은 막의 구조를 설계할 수 있는 기술을 개발하였다. 이 기술을 이용하면 조립층 수와 분자의 종류를 조절하여 막의 두께, 구조 및 성능을 자유로이 제어할 수 있으며, 기존 해수담수화 분리막 대비 동등 이상의 염분 제거율과 함께, 수투과도를 약 82% 향상시킨 분리막을 제조할 수 있었다. 또한, 개발된 분리막은 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존의 분리막과 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. 나노 분리막 제조 기술은 분리막의 나노구조체를 체계적으로 제어하여 과거 규명해내지 못했던 해수담수화 분리막의 구조와 물성, 성능의 메커니즘을 규명하는데 활용되었다는 점에서 학술적 의의가 있다. 향후 이 기술을 이용하면 해수담수화의 고효율, 고성능화를 가능케함으로써 전세계 물부족 문제를 해결하는데 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 수자원 문제에만 국한되지 않고 신재생에너지 생산, 온실가스제어, 연료전지 등에 사용되는 기능성 막개발에도 활용이 가능하여 물, 환경, 에너지라는 글로벌 아젠다 해결에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 이정현 박사는 “기존 다소 엔지니어링 방식에 의존했던 분리막 연구분야에 첨단 나노기술을 도입하여 보다 과학적인 접근법으로 성능과 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다”며 “더 많은 나노기술 연구자들이 해수담수화 분리막 분야에 참여하여 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다. ○ 기술 참고자료 <그림1> 해수담수화 분리막의 기능을 표현하는 일러스트레이션 [기술 참고자료] 기존의 해수담수화 고분자 분리막은 섞이지 않는 용액 내에 녹아있는 2개의 유기단량체간의 계면에서의 무작위한 가교반응(IP)을 통해서 제조되어, 복잡한 구조의 분리막이 만들어졌을 뿐만 아니라, 막의 내부구조를 제어하기가 매우 어려웠다. <그림 1b 참조> 본 연구에서 개발된 기술은 2개의 유기단량체간의 가교반응을 분자수준에서 제어하고 교차로 반복조립(molecular Layer-by-Layer: mLbL)함으로써 구조제어가 용이한 초고밀도의 나노박막 분리막을 제조하는 기술이다. <그림 1a 참조> 이 기술은 조립층 수를 조절하여 기존 분리막 제조기술로는 불가능한 분리막의 두께 및 성능을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 빌딩블록으로 사용되는 유기단량체 분자의 종류와 조립위치를 자유로이 조절가능하여 다양한 물리화학적 구조를 갖는 나노박막 구조체를 설계할 수 있다. 이 기술을 이용하여 기존 해수담수화 분리막의 대비 염분 제거 성능을 동등 이상 유지하면서도 수투과도는 약 82% 이상 향상시킬 수 있었다. <그림 2 참조> 또한 개발된 분리막의 두께는 기존 분리막의 1/4 정도(약 25 nm)로 매우 얇으며, 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존 분리막과는 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. <그림 3 참조> ○ 그림설명 <그림1> (a)나노조립 분리막 제조기술(mLbL), (b)기존 분리막 제조기술(IP) 무작위 반응을 통하여 복잡한 구조체를 만드는 기존 기술에 비하여, 나노조립 분리제조기술은 균일한 분자구조를 가진 분리막을 만들 수 있다. <그림2> 나노조립기술(mLbL)의 조립층 수(x)에 따른 분리막의 수투과도(왼쪽 좌표), 염분 제거율(오른쪽 좌표). 표의 실선과 점선은 각각 기존 제조기술(IP)에 의한 분리막의 수투과도와 염분 제거율을 나타냄. 조립층 수가 15가 되면 수투과도 염분 제거율 모두 기존 분리막보다 성능이 뛰어나다. <그림3> (a), (c)기존 제조기술(IP)에 의한 분리막 표면과 단면이미지 (b),(d) 15 적층수의 나노조립기술(mLbL)로 제조된 분리막 표면과 단면 이미지. (기존 제조기술 분리막 대비 나노조립기술로 제조된 분리막 표면의 편평도가 매우 높으며, 분리막의 두께가 1/4 수준으로 초박막 설계가 가능함)

해수담수화, 나노기술로 한걸음 도약 - 기존 해수담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선 - 나노박막 구조를 자유롭게 제어·설계할 수 있는 분리막 제조기술을 이용한 해수 담수화 분자수준에서 물질을 조립하는 나노기술을 이용하여 기존 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선한 신소재가 개발되었다. 지구상에 흔히 존재하는 물. 어디서나 쉽게 볼 수 있는 물이지만, 문제는 97%이상이 인간이 마시거나 사용할 수 없는 바닷물이라는 점이다. 따라서 바닷물을 담수로 분리하기 위한 기술은 인류 역사와 더불어 발전해왔다고 해도 과언이 아니다. 이러한 해수의 다양한 이용을 위해서는 해수로부터 담수를 분리하는 막(Membrane) 개발이 필요한데, 국내연구진이 나노수준에서 분자간 반응을 제어하여 나노두께의 초고밀도 분리막을 제조함으로써, 기존의 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선하였다. 우리 원 물질구조제어연구단 이정현 박사와 고려대학교 방준하 교수는 미국국립표준과학연구원(NIST)와의 공동연구를 통해 벽돌을 쌓아올려 집을 짓듯이, 쉽고 다양하게, 분자들을 나노수준에서 조립하여 고성능 해수담수화 분리막을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘Molecular Layer-by-Layer Assembled Thin-Film Composite Membranes for Water Desalination’이라는 제목으로, 재료분야 세계적 권위의 과학전문지 ‘Advanced Materials' 온라인판 7월호에 게재되었다. 지난 40여년간, 해수담수화에 사용되어온 기존의 고분자 분리막 제조방법은 막의 내부구조를 조절하기 어려워 분리막의 성능(염분제거율, 수투과도: 물이 투과되는 정도) 및 내구성을 향상시키는데 한계가 있었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 분리막의 구조를 정밀 제어하여 기존의 분리막이 가지고 있던 한계를 극복하는 연구에 대한 필요성이 제기되어 왔다. 이에 공동연구팀은 분자간의 반응을 나노수준에서 제어하여 레고 블록과 같이 분자 하나 하나를 조립함으로써 균일하면서도 밀도가 높은 막의 구조를 설계할 수 있는 기술을 개발하였다. 이 기술을 이용하면 조립층 수와 분자의 종류를 조절하여 막의 두께, 구조 및 성능을 자유로이 제어할 수 있으며, 기존 해수담수화 분리막 대비 동등 이상의 염분 제거율과 함께, 수투과도를 약 82% 향상시킨 분리막을 제조할 수 있었다. 또한, 개발된 분리막은 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존의 분리막과 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. 나노 분리막 제조 기술은 분리막의 나노구조체를 체계적으로 제어하여 과거 규명해내지 못했던 해수담수화 분리막의 구조와 물성, 성능의 메커니즘을 규명하는데 활용되었다는 점에서 학술적 의의가 있다. 향후 이 기술을 이용하면 해수담수화의 고효율, 고성능화를 가능케함으로써 전세계 물부족 문제를 해결하는데 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 수자원 문제에만 국한되지 않고 신재생에너지 생산, 온실가스제어, 연료전지 등에 사용되는 기능성 막개발에도 활용이 가능하여 물, 환경, 에너지라는 글로벌 아젠다 해결에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 이정현 박사는 “기존 다소 엔지니어링 방식에 의존했던 분리막 연구분야에 첨단 나노기술을 도입하여 보다 과학적인 접근법으로 성능과 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다”며 “더 많은 나노기술 연구자들이 해수담수화 분리막 분야에 참여하여 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다. ○ 기술 참고자료 <그림1> 해수담수화 분리막의 기능을 표현하는 일러스트레이션 [기술 참고자료] 기존의 해수담수화 고분자 분리막은 섞이지 않는 용액 내에 녹아있는 2개의 유기단량체간의 계면에서의 무작위한 가교반응(IP)을 통해서 제조되어, 복잡한 구조의 분리막이 만들어졌을 뿐만 아니라, 막의 내부구조를 제어하기가 매우 어려웠다. <그림 1b 참조> 본 연구에서 개발된 기술은 2개의 유기단량체간의 가교반응을 분자수준에서 제어하고 교차로 반복조립(molecular Layer-by-Layer: mLbL)함으로써 구조제어가 용이한 초고밀도의 나노박막 분리막을 제조하는 기술이다. <그림 1a 참조> 이 기술은 조립층 수를 조절하여 기존 분리막 제조기술로는 불가능한 분리막의 두께 및 성능을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 빌딩블록으로 사용되는 유기단량체 분자의 종류와 조립위치를 자유로이 조절가능하여 다양한 물리화학적 구조를 갖는 나노박막 구조체를 설계할 수 있다. 이 기술을 이용하여 기존 해수담수화 분리막의 대비 염분 제거 성능을 동등 이상 유지하면서도 수투과도는 약 82% 이상 향상시킬 수 있었다. <그림 2 참조> 또한 개발된 분리막의 두께는 기존 분리막의 1/4 정도(약 25 nm)로 매우 얇으며, 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존 분리막과는 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. <그림 3 참조> ○ 그림설명 <그림1> (a)나노조립 분리막 제조기술(mLbL), (b)기존 분리막 제조기술(IP) 무작위 반응을 통하여 복잡한 구조체를 만드는 기존 기술에 비하여, 나노조립 분리제조기술은 균일한 분자구조를 가진 분리막을 만들 수 있다. <그림2> 나노조립기술(mLbL)의 조립층 수(x)에 따른 분리막의 수투과도(왼쪽 좌표), 염분 제거율(오른쪽 좌표). 표의 실선과 점선은 각각 기존 제조기술(IP)에 의한 분리막의 수투과도와 염분 제거율을 나타냄. 조립층 수가 15가 되면 수투과도 염분 제거율 모두 기존 분리막보다 성능이 뛰어나다. <그림3> (a), (c)기존 제조기술(IP)에 의한 분리막 표면과 단면이미지 (b),(d) 15 적층수의 나노조립기술(mLbL)로 제조된 분리막 표면과 단면 이미지. (기존 제조기술 분리막 대비 나노조립기술로 제조된 분리막 표면의 편평도가 매우 높으며, 분리막의 두께가 1/4 수준으로 초박막 설계가 가능함)

해수담수화, 나노기술로 한걸음 도약 - 기존 해수담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선 - 나노박막 구조를 자유롭게 제어·설계할 수 있는 분리막 제조기술을 이용한 해수 담수화 분자수준에서 물질을 조립하는 나노기술을 이용하여 기존 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선한 신소재가 개발되었다. 지구상에 흔히 존재하는 물. 어디서나 쉽게 볼 수 있는 물이지만, 문제는 97%이상이 인간이 마시거나 사용할 수 없는 바닷물이라는 점이다. 따라서 바닷물을 담수로 분리하기 위한 기술은 인류 역사와 더불어 발전해왔다고 해도 과언이 아니다. 이러한 해수의 다양한 이용을 위해서는 해수로부터 담수를 분리하는 막(Membrane) 개발이 필요한데, 국내연구진이 나노수준에서 분자간 반응을 제어하여 나노두께의 초고밀도 분리막을 제조함으로써, 기존의 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선하였다. 우리 원 물질구조제어연구단 이정현 박사와 고려대학교 방준하 교수는 미국국립표준과학연구원(NIST)와의 공동연구를 통해 벽돌을 쌓아올려 집을 짓듯이, 쉽고 다양하게, 분자들을 나노수준에서 조립하여 고성능 해수담수화 분리막을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘Molecular Layer-by-Layer Assembled Thin-Film Composite Membranes for Water Desalination’이라는 제목으로, 재료분야 세계적 권위의 과학전문지 ‘Advanced Materials' 온라인판 7월호에 게재되었다. 지난 40여년간, 해수담수화에 사용되어온 기존의 고분자 분리막 제조방법은 막의 내부구조를 조절하기 어려워 분리막의 성능(염분제거율, 수투과도: 물이 투과되는 정도) 및 내구성을 향상시키는데 한계가 있었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 분리막의 구조를 정밀 제어하여 기존의 분리막이 가지고 있던 한계를 극복하는 연구에 대한 필요성이 제기되어 왔다. 이에 공동연구팀은 분자간의 반응을 나노수준에서 제어하여 레고 블록과 같이 분자 하나 하나를 조립함으로써 균일하면서도 밀도가 높은 막의 구조를 설계할 수 있는 기술을 개발하였다. 이 기술을 이용하면 조립층 수와 분자의 종류를 조절하여 막의 두께, 구조 및 성능을 자유로이 제어할 수 있으며, 기존 해수담수화 분리막 대비 동등 이상의 염분 제거율과 함께, 수투과도를 약 82% 향상시킨 분리막을 제조할 수 있었다. 또한, 개발된 분리막은 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존의 분리막과 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. 나노 분리막 제조 기술은 분리막의 나노구조체를 체계적으로 제어하여 과거 규명해내지 못했던 해수담수화 분리막의 구조와 물성, 성능의 메커니즘을 규명하는데 활용되었다는 점에서 학술적 의의가 있다. 향후 이 기술을 이용하면 해수담수화의 고효율, 고성능화를 가능케함으로써 전세계 물부족 문제를 해결하는데 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 수자원 문제에만 국한되지 않고 신재생에너지 생산, 온실가스제어, 연료전지 등에 사용되는 기능성 막개발에도 활용이 가능하여 물, 환경, 에너지라는 글로벌 아젠다 해결에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 이정현 박사는 “기존 다소 엔지니어링 방식에 의존했던 분리막 연구분야에 첨단 나노기술을 도입하여 보다 과학적인 접근법으로 성능과 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다”며 “더 많은 나노기술 연구자들이 해수담수화 분리막 분야에 참여하여 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다. ○ 기술 참고자료 <그림1> 해수담수화 분리막의 기능을 표현하는 일러스트레이션 [기술 참고자료] 기존의 해수담수화 고분자 분리막은 섞이지 않는 용액 내에 녹아있는 2개의 유기단량체간의 계면에서의 무작위한 가교반응(IP)을 통해서 제조되어, 복잡한 구조의 분리막이 만들어졌을 뿐만 아니라, 막의 내부구조를 제어하기가 매우 어려웠다. <그림 1b 참조> 본 연구에서 개발된 기술은 2개의 유기단량체간의 가교반응을 분자수준에서 제어하고 교차로 반복조립(molecular Layer-by-Layer: mLbL)함으로써 구조제어가 용이한 초고밀도의 나노박막 분리막을 제조하는 기술이다. <그림 1a 참조> 이 기술은 조립층 수를 조절하여 기존 분리막 제조기술로는 불가능한 분리막의 두께 및 성능을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 빌딩블록으로 사용되는 유기단량체 분자의 종류와 조립위치를 자유로이 조절가능하여 다양한 물리화학적 구조를 갖는 나노박막 구조체를 설계할 수 있다. 이 기술을 이용하여 기존 해수담수화 분리막의 대비 염분 제거 성능을 동등 이상 유지하면서도 수투과도는 약 82% 이상 향상시킬 수 있었다. <그림 2 참조> 또한 개발된 분리막의 두께는 기존 분리막의 1/4 정도(약 25 nm)로 매우 얇으며, 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존 분리막과는 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. <그림 3 참조> ○ 그림설명 <그림1> (a)나노조립 분리막 제조기술(mLbL), (b)기존 분리막 제조기술(IP) 무작위 반응을 통하여 복잡한 구조체를 만드는 기존 기술에 비하여, 나노조립 분리제조기술은 균일한 분자구조를 가진 분리막을 만들 수 있다. <그림2> 나노조립기술(mLbL)의 조립층 수(x)에 따른 분리막의 수투과도(왼쪽 좌표), 염분 제거율(오른쪽 좌표). 표의 실선과 점선은 각각 기존 제조기술(IP)에 의한 분리막의 수투과도와 염분 제거율을 나타냄. 조립층 수가 15가 되면 수투과도 염분 제거율 모두 기존 분리막보다 성능이 뛰어나다. <그림3> (a), (c)기존 제조기술(IP)에 의한 분리막 표면과 단면이미지 (b),(d) 15 적층수의 나노조립기술(mLbL)로 제조된 분리막 표면과 단면 이미지. (기존 제조기술 분리막 대비 나노조립기술로 제조된 분리막 표면의 편평도가 매우 높으며, 분리막의 두께가 1/4 수준으로 초박막 설계가 가능함)

해수담수화, 나노기술로 한걸음 도약 - 기존 해수담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선 - 나노박막 구조를 자유롭게 제어·설계할 수 있는 분리막 제조기술을 이용한 해수 담수화 분자수준에서 물질을 조립하는 나노기술을 이용하여 기존 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선한 신소재가 개발되었다. 지구상에 흔히 존재하는 물. 어디서나 쉽게 볼 수 있는 물이지만, 문제는 97%이상이 인간이 마시거나 사용할 수 없는 바닷물이라는 점이다. 따라서 바닷물을 담수로 분리하기 위한 기술은 인류 역사와 더불어 발전해왔다고 해도 과언이 아니다. 이러한 해수의 다양한 이용을 위해서는 해수로부터 담수를 분리하는 막(Membrane) 개발이 필요한데, 국내연구진이 나노수준에서 분자간 반응을 제어하여 나노두께의 초고밀도 분리막을 제조함으로써, 기존의 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선하였다. 우리 원 물질구조제어연구단 이정현 박사와 고려대학교 방준하 교수는 미국국립표준과학연구원(NIST)와의 공동연구를 통해 벽돌을 쌓아올려 집을 짓듯이, 쉽고 다양하게, 분자들을 나노수준에서 조립하여 고성능 해수담수화 분리막을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘Molecular Layer-by-Layer Assembled Thin-Film Composite Membranes for Water Desalination’이라는 제목으로, 재료분야 세계적 권위의 과학전문지 ‘Advanced Materials' 온라인판 7월호에 게재되었다. 지난 40여년간, 해수담수화에 사용되어온 기존의 고분자 분리막 제조방법은 막의 내부구조를 조절하기 어려워 분리막의 성능(염분제거율, 수투과도: 물이 투과되는 정도) 및 내구성을 향상시키는데 한계가 있었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 분리막의 구조를 정밀 제어하여 기존의 분리막이 가지고 있던 한계를 극복하는 연구에 대한 필요성이 제기되어 왔다. 이에 공동연구팀은 분자간의 반응을 나노수준에서 제어하여 레고 블록과 같이 분자 하나 하나를 조립함으로써 균일하면서도 밀도가 높은 막의 구조를 설계할 수 있는 기술을 개발하였다. 이 기술을 이용하면 조립층 수와 분자의 종류를 조절하여 막의 두께, 구조 및 성능을 자유로이 제어할 수 있으며, 기존 해수담수화 분리막 대비 동등 이상의 염분 제거율과 함께, 수투과도를 약 82% 향상시킨 분리막을 제조할 수 있었다. 또한, 개발된 분리막은 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존의 분리막과 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. 나노 분리막 제조 기술은 분리막의 나노구조체를 체계적으로 제어하여 과거 규명해내지 못했던 해수담수화 분리막의 구조와 물성, 성능의 메커니즘을 규명하는데 활용되었다는 점에서 학술적 의의가 있다. 향후 이 기술을 이용하면 해수담수화의 고효율, 고성능화를 가능케함으로써 전세계 물부족 문제를 해결하는데 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 수자원 문제에만 국한되지 않고 신재생에너지 생산, 온실가스제어, 연료전지 등에 사용되는 기능성 막개발에도 활용이 가능하여 물, 환경, 에너지라는 글로벌 아젠다 해결에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 이정현 박사는 “기존 다소 엔지니어링 방식에 의존했던 분리막 연구분야에 첨단 나노기술을 도입하여 보다 과학적인 접근법으로 성능과 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다”며 “더 많은 나노기술 연구자들이 해수담수화 분리막 분야에 참여하여 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다. ○ 기술 참고자료 <그림1> 해수담수화 분리막의 기능을 표현하는 일러스트레이션 [기술 참고자료] 기존의 해수담수화 고분자 분리막은 섞이지 않는 용액 내에 녹아있는 2개의 유기단량체간의 계면에서의 무작위한 가교반응(IP)을 통해서 제조되어, 복잡한 구조의 분리막이 만들어졌을 뿐만 아니라, 막의 내부구조를 제어하기가 매우 어려웠다. <그림 1b 참조> 본 연구에서 개발된 기술은 2개의 유기단량체간의 가교반응을 분자수준에서 제어하고 교차로 반복조립(molecular Layer-by-Layer: mLbL)함으로써 구조제어가 용이한 초고밀도의 나노박막 분리막을 제조하는 기술이다. <그림 1a 참조> 이 기술은 조립층 수를 조절하여 기존 분리막 제조기술로는 불가능한 분리막의 두께 및 성능을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 빌딩블록으로 사용되는 유기단량체 분자의 종류와 조립위치를 자유로이 조절가능하여 다양한 물리화학적 구조를 갖는 나노박막 구조체를 설계할 수 있다. 이 기술을 이용하여 기존 해수담수화 분리막의 대비 염분 제거 성능을 동등 이상 유지하면서도 수투과도는 약 82% 이상 향상시킬 수 있었다. <그림 2 참조> 또한 개발된 분리막의 두께는 기존 분리막의 1/4 정도(약 25 nm)로 매우 얇으며, 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존 분리막과는 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. <그림 3 참조> ○ 그림설명 <그림1> (a)나노조립 분리막 제조기술(mLbL), (b)기존 분리막 제조기술(IP) 무작위 반응을 통하여 복잡한 구조체를 만드는 기존 기술에 비하여, 나노조립 분리제조기술은 균일한 분자구조를 가진 분리막을 만들 수 있다. <그림2> 나노조립기술(mLbL)의 조립층 수(x)에 따른 분리막의 수투과도(왼쪽 좌표), 염분 제거율(오른쪽 좌표). 표의 실선과 점선은 각각 기존 제조기술(IP)에 의한 분리막의 수투과도와 염분 제거율을 나타냄. 조립층 수가 15가 되면 수투과도 염분 제거율 모두 기존 분리막보다 성능이 뛰어나다. <그림3> (a), (c)기존 제조기술(IP)에 의한 분리막 표면과 단면이미지 (b),(d) 15 적층수의 나노조립기술(mLbL)로 제조된 분리막 표면과 단면 이미지. (기존 제조기술 분리막 대비 나노조립기술로 제조된 분리막 표면의 편평도가 매우 높으며, 분리막의 두께가 1/4 수준으로 초박막 설계가 가능함)

해수담수화, 나노기술로 한걸음 도약 - 기존 해수담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선 - 나노박막 구조를 자유롭게 제어·설계할 수 있는 분리막 제조기술을 이용한 해수 담수화 분자수준에서 물질을 조립하는 나노기술을 이용하여 기존 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선한 신소재가 개발되었다. 지구상에 흔히 존재하는 물. 어디서나 쉽게 볼 수 있는 물이지만, 문제는 97%이상이 인간이 마시거나 사용할 수 없는 바닷물이라는 점이다. 따라서 바닷물을 담수로 분리하기 위한 기술은 인류 역사와 더불어 발전해왔다고 해도 과언이 아니다. 이러한 해수의 다양한 이용을 위해서는 해수로부터 담수를 분리하는 막(Membrane) 개발이 필요한데, 국내연구진이 나노수준에서 분자간 반응을 제어하여 나노두께의 초고밀도 분리막을 제조함으로써, 기존의 해수 담수화 분리막의 성능과 내구성을 획기적으로 개선하였다. 우리 원 물질구조제어연구단 이정현 박사와 고려대학교 방준하 교수는 미국국립표준과학연구원(NIST)와의 공동연구를 통해 벽돌을 쌓아올려 집을 짓듯이, 쉽고 다양하게, 분자들을 나노수준에서 조립하여 고성능 해수담수화 분리막을 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘Molecular Layer-by-Layer Assembled Thin-Film Composite Membranes for Water Desalination’이라는 제목으로, 재료분야 세계적 권위의 과학전문지 ‘Advanced Materials' 온라인판 7월호에 게재되었다. 지난 40여년간, 해수담수화에 사용되어온 기존의 고분자 분리막 제조방법은 막의 내부구조를 조절하기 어려워 분리막의 성능(염분제거율, 수투과도: 물이 투과되는 정도) 및 내구성을 향상시키는데 한계가 있었다. 이러한 문제점으로 인해 학계에서는 분리막의 구조를 정밀 제어하여 기존의 분리막이 가지고 있던 한계를 극복하는 연구에 대한 필요성이 제기되어 왔다. 이에 공동연구팀은 분자간의 반응을 나노수준에서 제어하여 레고 블록과 같이 분자 하나 하나를 조립함으로써 균일하면서도 밀도가 높은 막의 구조를 설계할 수 있는 기술을 개발하였다. 이 기술을 이용하면 조립층 수와 분자의 종류를 조절하여 막의 두께, 구조 및 성능을 자유로이 제어할 수 있으며, 기존 해수담수화 분리막 대비 동등 이상의 염분 제거율과 함께, 수투과도를 약 82% 향상시킨 분리막을 제조할 수 있었다. 또한, 개발된 분리막은 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존의 분리막과 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. 나노 분리막 제조 기술은 분리막의 나노구조체를 체계적으로 제어하여 과거 규명해내지 못했던 해수담수화 분리막의 구조와 물성, 성능의 메커니즘을 규명하는데 활용되었다는 점에서 학술적 의의가 있다. 향후 이 기술을 이용하면 해수담수화의 고효율, 고성능화를 가능케함으로써 전세계 물부족 문제를 해결하는데 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 이 기술은 수자원 문제에만 국한되지 않고 신재생에너지 생산, 온실가스제어, 연료전지 등에 사용되는 기능성 막개발에도 활용이 가능하여 물, 환경, 에너지라는 글로벌 아젠다 해결에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 이정현 박사는 “기존 다소 엔지니어링 방식에 의존했던 분리막 연구분야에 첨단 나노기술을 도입하여 보다 과학적인 접근법으로 성능과 내구성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다”며 “더 많은 나노기술 연구자들이 해수담수화 분리막 분야에 참여하여 우리나라 미래소재산업의 발전에 기여할 수 있기를 기대한다” 고 말했다. ○ 기술 참고자료 <그림1> 해수담수화 분리막의 기능을 표현하는 일러스트레이션 [기술 참고자료] 기존의 해수담수화 고분자 분리막은 섞이지 않는 용액 내에 녹아있는 2개의 유기단량체간의 계면에서의 무작위한 가교반응(IP)을 통해서 제조되어, 복잡한 구조의 분리막이 만들어졌을 뿐만 아니라, 막의 내부구조를 제어하기가 매우 어려웠다. <그림 1b 참조> 본 연구에서 개발된 기술은 2개의 유기단량체간의 가교반응을 분자수준에서 제어하고 교차로 반복조립(molecular Layer-by-Layer: mLbL)함으로써 구조제어가 용이한 초고밀도의 나노박막 분리막을 제조하는 기술이다. <그림 1a 참조> 이 기술은 조립층 수를 조절하여 기존 분리막 제조기술로는 불가능한 분리막의 두께 및 성능을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 빌딩블록으로 사용되는 유기단량체 분자의 종류와 조립위치를 자유로이 조절가능하여 다양한 물리화학적 구조를 갖는 나노박막 구조체를 설계할 수 있다. 이 기술을 이용하여 기존 해수담수화 분리막의 대비 염분 제거 성능을 동등 이상 유지하면서도 수투과도는 약 82% 이상 향상시킬 수 있었다. <그림 2 참조> 또한 개발된 분리막의 두께는 기존 분리막의 1/4 정도(약 25 nm)로 매우 얇으며, 표면이 거칠고 울퉁불퉁해 막이 쉽게 오염되었던 기존 분리막과는 달리, 편평한 표면구조를 구현하여 오염원이 쉽게 부착되지 않아 내오염성을 향상시킬 수 있었다. <그림 3 참조> ○ 그림설명 <그림1> (a)나노조립 분리막 제조기술(mLbL), (b)기존 분리막 제조기술(IP) 무작위 반응을 통하여 복잡한 구조체를 만드는 기존 기술에 비하여, 나노조립 분리제조기술은 균일한 분자구조를 가진 분리막을 만들 수 있다. <그림2> 나노조립기술(mLbL)의 조립층 수(x)에 따른 분리막의 수투과도(왼쪽 좌표), 염분 제거율(오른쪽 좌표). 표의 실선과 점선은 각각 기존 제조기술(IP)에 의한 분리막의 수투과도와 염분 제거율을 나타냄. 조립층 수가 15가 되면 수투과도 염분 제거율 모두 기존 분리막보다 성능이 뛰어나다. <그림3> (a), (c)기존 제조기술(IP)에 의한 분리막 표면과 단면이미지 (b),(d) 15 적층수의 나노조립기술(mLbL)로 제조된 분리막 표면과 단면 이미지. (기존 제조기술 분리막 대비 나노조립기술로 제조된 분리막 표면의 편평도가 매우 높으며, 분리막의 두께가 1/4 수준으로 초박막 설계가 가능함)