카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 2차원 다공성 탄소 기반의 유기용매 정제용 초고성능 나노여과막을 개발했다고 3일 밝혔다.

기존 유기용매 분리 공정은 혼합물을 이루는 물질 간 끓는점 차이를 이용해 분리하는 증류법이 사용돼 대용량의 혼합물을 끓여야 하는 만큼 막대한 에너지가 소모되는 단점이 있었다.

분리막 기술은 단순히 압력을 가하는 것만으로 유기용매의 선택적 투과가 가능하고 유기용매보다 크기가 큰 입자를 효과적으로 제거할 수 있고, 열이 가해지지 않으므로 공정에서 요구되는 에너지·비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

KAIST 연구팀은 고성능 분리막의 개발을 위해 2차원 마이크로 다공성 탄소물질을 합성하고 이를 분리막으로 제조하는 기술을 개발했다. 

대표적인 2차원 탄소물질인 그래핀은 얇고 안정적이며 기계적 강성이 높아 이상적인 분리막 재료로 주목받고 있으나 촘촘히 배열된 탄소원자로 어떠한 물질도 투과시키지 못한다.

이에 추가적인 구멍을 뚫어 분리막으로 활용하려는 시도는 있었으나 균일한 크기의 마이크로 기공을 고밀도로 뚫는 데 기술적인 어려움이 있었다.

최민기 교수 연구팀은 2나노(nm) 이하의 작은 마이크로 기공을 갖는 결정성 알루미노실리케이트 물질인 제올라이트를 주형으로 활용해 분리막에 사용할 2차원 마이크로 다공성 탄소물질을 합성했다.

제올라이트는 3차원적으로 연결된 마이크로 기공 구조를 지니지만 일부는 2차원적 기공 연결구조를 지니며 특히 연속적인 탄소 골격이 자랄 수 있는 충분한 공간을 제공할 수 있다는 점을 활용했다.

연구팀은 2차원적 기공 연결구조를 지니는 제올라이트 내부에 탄소를 채워 넣은 후, 제올라이트만을 선택적으로 녹여내 판 형태의 2차원 탄소물질을 합성하는 데 성공했다. 

이렇게 합성된 탄소는 기존 제올라이트의 마이크로 기공 구조를 그대로 본뜬 골격 구조를 지니며 균일한 크기의 마이크로 기공이 벌집구조로 빽빽하게 배열돼 있다. 이 기공 밀도는 기존에 알려진 다공성 그래핀과 비교해 수십 배 이상 높은 수치라는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀은 합성된 2차원 탄소 시트를 적층시켜 얇은 두께의 분리막을 제조했다. 이 분리막을 유기용매 나노여과에 적용한 결과, 탄소 시트의 기공 크기보다 큰 유기 용질은 효과적으로 걸러내며 작은 유기용매는 자유롭게 투과시킴으로써 고순도의 유기용매를 얻을 수 있었다. 

이 분리막은 높은 기공 밀도로 기존의 분리막과 비교해 비약적으로 높은 유기용매 투과도를 보이므로 유기용매의 대량 정제에 매우 적합하다.

이번 연구를 주도한 최민기 교수는 “극도로 균일한 크기의 마이크로 기공이 초고밀도로 존재하는 2차원 다공성 탄소의 합성 방법은 세계적으로 보고된 바가 없던 새로운 개념ˮ이라고 말했다.

이어 ”이번 연구에서 개발한 탄소 물질은 분리막뿐만 아니라 배터리나 축전지와 같은 전기화학적 에너지 저장 장치 및 화학적 센서 등 다양한 분야에서 활용이 가능할 것으로 기대하고 있다ˮ고 말했다.

KAIST 응용과학연구소 김채훈 박사가 제1 저자로 참여하고 삼성전자 미래기술육성센터 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 2월10일 게재됐다.