비용↓, 효율↑…나노기술로 탄생한 수(水)처리분리막

뛰어난 정수 처리, 오염물질 제거능력 탁월

▲수면 위에 바이러스 구조체 박막을 띄워 놓은 것(왼쪽)과 바이러스 구조체 박막을 지지체 분리막에 전사시킨 것.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자]오염물질을 걸러내고 깨끗한 물을 제공하는 고성능 수처리 분리막이 제작됐다. 국내 연구팀은 대량으로 쉽게 생산이 가능하고 인체에 무해한 '바이러스 나노실'을 이용해 고성능 수처리용 분리막에 활용할 수 있는 '초박막 나노 그물망 구조체 소재'를 개발했다. 기존 수처리 분리막에 비해 뛰어난 정수 처리는 물론 오염물질 제거능력이 탁월해 저비용 고효율 수처리 분리막 제작에 활용될 것으로 기대된다.

바이러스 나노실은 나노단위 크기(머리카락 두께의 약 7000분의1)를 가지는 극미세 1차원 섬유 모양의 생체 바이러스 재료를 말한다. 수처리용 분리막이란 가정의 정수기에서부터 공업용 폐수처리에 이르기까지 물 여과와 정제에 사용되는 분리막을 일컫는다.

수처리용 분리막은 가능한 많은 물질이 빠르고 정확하게 분리될 수 있도록 처리용량과 분리효율을 높이는 것이 중요하다. 기존의 수처리용 분리막 소재는 기공의 크기가 불균일하고 막 표면의 기공 밀도가 낮아 처리용량과 분리효율에 한계가 있었다.

연구팀은 인체 감염 또는 독성의 위험이 없는 M13 바이러스를 재료로 삼아 산화 그래핀 기판 위에서 한쪽 방향으로 정렬시켜 나노 구조체를 제작했다. 이를 격자처럼 쌓아 올려 나노그물망(nanomesh) 형태의 분리막을 개발한 것이다. M13 바이러스는 박테리아를 숙주로 해 대량생산이 가능한 바이러스로 폭 6.6nm, 길이 880nm의 1차원 선형 구조를 가지는 바이러스이다. 산화그래핀은 그래핀을 산화시켜 작용기를 부착, 수용액에 분산될 수 있도록 처리한 상태를 말한다.

머리카락을 빗질을 통해 고르듯이 선형 바이러스의 꼬리 부분을 산화 그래핀의 기판에 결합시켜 고정하고 물 또는 공기를 흘리면 바이러스가 흐르는 방향에 따라 일정하게 정렬되도록 했다. 이렇게 정렬된 바이러스들을 격자방향으로 교차시켜 쌓아 나감으로써 기공이 나노 크기인 그물망 구조의 분리막이 만들어지는 것이다.

만들어진 분리막은 기공 크기가 균일하면서도 두께 10~30nm의 초박막 형태이기 때문에 높은 처리용량은 물론 분리효율 특성을 동시에 만족시켰다. 상용 분리막과 비교해 보면 1㎡ 면적에 대해 단위 시간당 1000리터 이상의 물이 통과해 2~4배의 투과 특성을 가지며 10nm 크기 입자를 95% 이상의 정확도로 분리해 분리효율도 3~4 배 수준이다.

이번 연구는 성균관대 화학공학부 및 나노과학기술원 유필진 교수와 이용만 박사과정 연구원(1저자)이 주도했다. 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업 등의 지원으로 이뤄졌다. 연구결과는 재료 분야 학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 3월20일자(논문명:Nanomesh-Structured Ultrathin Membranes Harnessing Unidirectional Alignment of Viruses on Graphene Oxide Film) 온라인판에 실렸다.

유 교수는 "바이러스를 분리막 소재로 이용하는 경우 수용액 공정에 기초하고 있어 친환경적이면서 대면적화가 쉬운 장점이 있다"며 "쉽게 만들 수 있는 산화그래핀을 기판으로 활용함에 따라 분리막 제조뿐만 아니라 다양한 소재 제작에 적용될 것으로 기대된다"고 말했다.