[국외 뉴스]

■ 도파민 프린팅을 이용한 유수분리용 PVDF 분리막 개발

홍합에서 영감을 받아 Polydopamine을 개질한 PVDF 분리막은 분리 생산성과 방오효과가 증가된다. PVDF 분리막을
개질하기위해 Dopamine(DA) ink와 alkaline tris
(hydroxymethyl) aminomethane (Tris) ink로 프린팅 하고 UV 조사로
광중합 반응을 이용하여 PDA층을 만들었다. 최적화된 분리막(DA_80-60/PVDF)은 PVDF에 비해 1.5배의 유수분리 성능을 보여줬으며 99%의 기름 비투과성을 보였다. 이 분리막은 pH 2.0-7.0의 넓은 범위의 수용액에서 충분한
안정성을 보였다.

[Journal of Membrane Science, 619, 1 February
2021, 118790 (2021년 2월)]

■
TA 중간층을 삽입을 통한 담수화 MOF 분리막 개발

식물로부터
추출한 폴리페놀 TA (Tannic acid) 층을 MOF 분리막
중간에 넣어 합성함으로써 2가 염의 거부율이 90 % 이상인
효과적인 담수화 성능을 갖는 분리막을 개발하였다. 일반적인 MOF 분리막에서
나타나는 결정립 경계 결함과 결정 간 균열로 인해 나타나는 문제를 해결하기 위하여, PES 막 위에
TA층과 ZIF-8 층을 순서대로 성장시켜 합성하였다. TA층의 풍부한 pyrogallol기와 2가 아연 이온이 결합하여 균일하고 연속적인 막을 형성하였다. 이 분리막은
3.6 L m^-2h^-1bar^-1의 순수 투과율, 64.7 % 염화소듐의 제거율, 92.2 % 황산소듐 제거율을 나타내어
우수한 성능을 나타낸 것으로 평가된다.

[Journal of Membrane Science, 618, 15 January
2021, 118726 (2021년 1월)]

■ 자가조립형 라멜라 구조의 MXene/Al2O3 분리막 개발

음전하를 띈 2차원 MXene과
양전하를 띈 구형 알루미나 나노입자를 이용한 자가조립형 라멜라 나노 채널을 이용한 고성능 막을 개발하였다. 내부의
나노 채널 및 표면 특성은 MXene과 알루미나의 비율을 조절하여 조정하여 성능을 평가했다. MXene / Al₂O₃의 질량비가
1 : 1 인 막의 성능이88.8 LMH / bar의 뛰어난 투수 성과 높은 분자 분리
성능을 나타내었고 알루미나를 넣은 이후 나노 채널이 크게 안정되는것을 확인할 수 있다. 이 연구에서
입증된 자체 조립 가능 나노 삽입은 정밀한 분자 분리를 위해 안정적이고 조정 가능한 나노 채널을 사용하여 고성능
2D 멤브레인을 엔지니어링하기위한 간편한 방법으로써 활용될 것으로 기대를 모았다.

[Journal of Membrane Science, 621, 29 May
2021, 119464 (2021년 5월)]

■ 고성능 리튬 이온 배터리를
위한UiO-66/Polybenzimidazole복합체 분리막 개발

배터리 분리막으로써 poly (aryl ether
benzimidazole) (OPBI) 를 NIPS 방식을 활용하여 UiO-66 (zirconium기반 MOF) 을 첨가하여 복합체 분리막을
제조하였다. UiO-66 @ OPBI 복합체 분리막은 정렬된 기공을 갖고, 다공성이 높은 네트워크를 형성하였으며 전해질에 대한 wettability 가
증가하였다. 또한 난연성, 높은 열적, 기계적 안정성이 증가할 뿐만 아니라 lithium dendrite의
생성을 억제하였다. MOF 함유량을 40% 까지 높인 (M40) UiO-66 @
OPBI 복합체 분리막의 이온 전도도는 OPBI 분리막의
1.05 mS cm^-1에서 M40의
1.74 mS cm^-1로 향상됨을 보였다. 순수한 OPBI 분리막과 비교하여 M40 분리막을 사용한 배터리 성능은 뛰어난
사이클링 안정성과 속도 성능을 보여주어 우수한 전기 화학적 전기 안정성을 나타냈다. 이는 고성능을 가진 리튬 이온 배터리 분리막 응용 분야에서 안전성을 크게 향상시킬
수 있는 큰 잠재력을 보여주었다.

[Journal of Membrane Science, 626, 15 May
2021, 119190 (2021년 5월)]

■
금속 유기 골격체 기반 초미세여과 분리막

최근 연구에서 높은 안정성의 금속 유기 골격체 (MOF)/sulfonated
polyethersulfone (PES) 복합 막이 제조되었으며,  제조된 복합막은 순수한 PES 막과
sulfonated PES (SPES) 막에 비교해서 낮은 contact
angle과 장기간 높은  water
permeation flux를 보였다. UiO66-NH₂와 UiO-66 MOF가 복합막에 적용되는 MOF로 선택되었고 이 두가지
MOF가 띄는 친수성으로 인해 제조된 복합막은 water
permeation을 위한 추가적인 flow channe을 제공할 수 있다. UiO-66-NH₂ /SPES 복합막은 순수한 PES막과
SPES막에 비해 각각 4배와 1.5배에 해당하는 water flux를 보이며 플럭스 회수율 또한
순수한 PES막과 SPES막에 비교해서 각각 44.5%, 80.3%에서 99.9% 로 크게 증가하였다. 12달까지의 장기간 안정성 테스트를 통해서도 낮은 contact angle을
유지하고 뛰어난 수처리 성능을 보였다.

[Journal of Membrane Science, In Press
(2021년 5월)]

[국내 뉴스]

■ 나노 다공성 막을 통과하는 이온 전달 가속화 기작 세계 최초 규명

서울대학교 김성재 교수팀이 스탠퍼드 대학교 알리 마니(Ali Mani) 교수팀과의
공동 연구에서 비균일(nonuniform)하게 배치된 미세 구조물들 사이에서 생성되는 재순환 흐름이
나노 다공성 막을 통과하는 전해질 이온의 전달을 가속한다는 기작을 증명했다. 연구진은 나노 다공성 막을
사이에 두고 두 개의 미세채널을 연결한 뒤, 미세 채널 내부에 비균일 간격으로 미세구조물을 설치함으로써
발생하는 재순환 흐름을 이론적/실험적으로 검증하고, 이 흐름을
응용해 이온 전류를 크게 증가시켰을 뿐만 아니라 다공성 막 근처에서 염 결정화(salt
crystallization)를 막는 데 성공했다. 나노 다공성 막은 100나노미터 이하 크기의 기공을 갖고 있어, 막의 표면전하와 반대되는
극성의 이온만을 투과시키는 선택적 이온 투과 특성(Perm-selectivity)을 나타낸다. 이러한 시스템에 외부 전기장을 가하면 일반적인 옴의 법칙을 크게 벗어나는 비선형적 과한계 전류 현상이 발생하는데, 이번 연구는 과한계 전류를 유발하는 새로운 기작을 증명한 것이다. 연구진은
자연의 비균일한 미세구조를 모사해 결합시키고 체계적으로 분석한 끝에 결과를 얻을 수 있었다. 이번 연구를
응용하면 나노 다공성 막 전단에 기설치된 미세 구조물을 비균일하게 변경함으로써 배터리에서 충전 효율을 극대화할 수 있으며, 해수담수화 장치에서는 나노 다공성 막의 성능을 저하시키는 원치 않는 염의 석출을 최소화해 분리막 오염(fouling) 방지에 활용할 수 있을 것으로 전망된다. 이번 연구
결과는 나노과학기술 분야 권위지인 ‘나노 레터스(Nano
Letters)’에 3월 31일 자로 온라인
게재됐고 표지 논문으로 선정됐다.

[테크월드
2021.04.02]

■ 공기 중에서 조립 가능한 배터리 세계 최초 개발

포항공대(포스텍) 화학과
박수진교수, 박사과정 손혜빈씨 연구팀은 울산과학대 유승민 교수와 공동연구를 통해 공기 중에서 파우치
배터리를 조립했을 때에도 배터리가 안정적으로 구동하게 하는 다기능성 분리막(multi-functional
separator)을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 31일 밝혔다. 배터리내부의 전해액은 물과 반응해 변질되기 쉬운 만큼 리튬이온 배터리를 제조할 때는 1% 이하의 습도 환경을 만들어주는 드라이 룸(dry room))에서
제조한다. 하지만 드라이 룸을 유지하는 데는 상당한 비용이 소요된다.
이런 문제를 해결하기 위해 전해질에 첨가제를 투입해 수분 혹은 불산 같은 불순물을 억제하는 연구가 진행됐지만, 첨가제가 충∙방전 중에 추가적인 역반응을 만들 수 있다는 단점이
있다. 실제 배터리가 높은 온도(50도 이상)에서 작동할 경우, 미량의 수분으로도 배터리의 성능 열화가 더 빠르게
일어난다. 그러므로 투입한 물질의 전기화학적 역반응 없이 배터리 내의 수분을 포획할 수 있는 재료가
필요하다. 이에 연구팀은 불순물을 포획할 수 있는 기능성 물질을 분리막 표면에 도입해 열적 안정성을
높이고, 배터리 성능을 향상시켰다. 제작된 다기능성 분리막은
우수한 내열성을 보였다. 또한, 불순물이 많이 존재하는 환경의
전해질에서 기능성 물질의 효과를 확인했다. 합성된 기능성 세라믹 표면의 실레인 화합물이 수분을 포획해
세라믹 구조를 잘 유지했지만, 일반적인 세라믹 물질은 산성화된 전해액으로 인해 부식된 것을 확인할 수
있었다. 더욱이 이번 연구를 통해 드라이 룸이 아닌 대기 중에서 제작된 다기능성 분리막이 기존보다 뛰어난
수명 특성을 보이는 등 단순한 분리막의 역할을 넘어 안정적인 성능을 제공하는 것을 확인했다. 박수진
교수는 “이번에 개발된 다기능성 분리막은 높은 안정성과 고에너지밀도에서 뛰어난 전기화학적 성능을 보인다” 며 “배터리를 드라이 룸이 아닌 대기 중에 제조하는 것은 세계 최초로, 배터리 원가 절감에 큰 역할을 할 것으로 기대된다” 고 말했다.

[세계일보 2021.01.31]

■
KAIST, 초투과성 분리막 이용 이산화탄소 전환 시스템 개발

KAIST는 생명화학공학과
고동연 교수 연구팀이 이산화탄소를 포집해 건설 소재 등 부가가치가 높은 자원으로 만드는 기술을
개발했다고 23일 밝혔다. 중공사막 형태의 `초투과성 분리막'을 이용해 연속적으로 이산화탄소 포집과 전환이 가능하기
때문에 탄소 배출량을 대량으로 줄일 수 있게 된다. 최근 이산화탄소를 탄산칼슘 등 고체 탄산염으로 전환하는
기술이 주목받고 있는데 고체 탄산염은 건설 토목 소재, 제지 산업, 고분자, 의학, 식품, 정밀 화학
분야에서 활용된다. 이 가운데 연구팀은 '중공사막'(가운데가 비어있는 형태의 막) 형태의 초투과성 분리막을 이용해 이산화탄소를
탄산염으로 전환했다. 초투과성 중공사막 모듈에 이산화탄소·질소
혼합 기체를 흘려보내면 이산화탄소만 선택적으로 빠르게 분리막을 가로질러, 중공사막 외부의 알칼리 이온과
반응해 탄산염이 생성된다. 연구팀이 개발한 고체 탄산화 시스템은 기존 공정 유닛과 비교해 부피는 5분의 1에서 20분의 1 수준이면서 물질 전달 효율은 1.5배 더 뛰어나다. 부피 대비 표면적이 기존 시스템보다 높아 장시간의 연속 공정이 가능한 만큼 비용 대비 효율성이 높다. 고동연 교수는 "신기술을 적용해 이번에 새로 개발한
고체 탄산화 시스템은 온실가스 배출량이 많은 발전소나 제철소, 시멘트 제조업체 등 관련 산업계의 탄소
배출권 구매량을 줄일 수 있고 동시에 자원 재순환을 통해 경쟁력을 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다ˮ고 설명했다.

[충남일보
2020.11.23]

■ 나노멤브레인 과수봉지’ 포도 품질개선
탁월

방역마스크에 사용되는
최첨단 소재인 ‘나노멤브레인’으로 만든 과수봉지가 포도 품질개선에
탁월한 효과가 있는 것으로 나타났다. 경상북도농업기술원은 나노소재 전문기업인 ㈜레몬과 공동 연구를 통해‘나노멤브레인’
과수재배용 봉지를 개발했다고 밝혔다. 경북농기원에 따르면 해당 과일 봉지의 소재인 ‘나노멤브레인’ 은
방역마스크에도 사용되는 최첨단 소재로 수분은 차단하면서 통기성이 우수하다. 일반적으로 포도 등 과수류에서는
과실의 껍질이 갈색으로 얼룩지는 증상과 해외 수출 시 검역상 문제가 되는 병해충, 농약 오염, 조류 피해를 줄이기 위해 과실 전체에 종이나 비닐 등의 봉지를 씌우는 재배를 하고 있다. 종이는 물에 취약하고, 비닐은 통기와 내부 고온의 문제점을 갖고
있다.  하지만 ‘나노멤브레인’은 섬유 직경이 최소
100nm 내외로 이뤄져 균일한 품질을 유지하고 공극률은 85%에 달해 높은 통기성을 자랑한다. 봉지의 폭도 1cm정도 늘려주어 작업의 편의성도 더했다.  최근 일본 나가노현에서 샤인머스켓, 나가노퍼플(흑색 포도) 품종에 공동실증연구를 추진한 결과 포도알의 무게가 7.8%, 당도가 4.5% 증가했다.
과실의 열과도 13.9% 줄여주어 올해부터는 일본 수출도 진행되고 있다. 실제로 이 봉지는 과실 열과, 과피갈변, 탄저병, 조류 피해 등을 현저히 줄여주고 포도 과실과 지경에 검은
곰팡이가 붙어 상품성이 저하되는 것을 경감시켜주어 고품질 과수 생산 농가들이 더욱 선호하고 있다.

[농업인신문, 2021.05.28]

■
'햇볕 쬐면 자동 세척'…고효율 광촉매 수처리 분리막 개발

국내 연구진이 수처리 분리막 표면에 쌓이는 미생물 등 오염물질을 햇볕을 쫴 제거할 수 있는 고효율 광촉매 분리막
기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST)은 10일 물자원순환연구센터 변지혜 박사·홍석원 단장 연구팀이 수처리용
분리막의 고질적 문제인 미생물에 의한 표면 오염을 햇빛을 받으면 활성화되는 광촉매를 이용해 자동으로 세척할 수 있는 분리막 소재를 개발했다고 밝혔다. 수처리 분리막 기술은 바닷물을 담수로 만들 때나 하수 처리, 수돗물을
생산하는 정수 공정 등에서 다양하게 사용된다. 그러나 수처리 분리막은 표면에 미생물이 달라붙어 자라고
유기 염료 등이 쌓이면서 필터 성능이 떨어지는 문제가 있다. 이 때문에 현재 사용되는 불소계 고분자(PVDF) 분리막 등은 일주일에 한 번 6시간 정도 화학약품 등으로
세척해야 해 비용이 많이 들고 분리막이 약품에 손상되기도 한다. 연구팀은 이 연구에서 햇빛의 가시광선에
반응하는 광촉매 물질(CPE)을 기존 PVDF 수처리 분리막
표면에 화학결합으로 고정, 빛을 받으면 활성화되면서 표면에 쌓인 유기 염료와 중금속은 물론 미생물 등
생체막까지 모두 제거하는 고효율 광촉매 수처리 분리막을 개발했다. 광촉매 수처리 분리막을 고농도 오염수에서
사용한 뒤 햇빛에 1시간 정도 노출하자 분리막 표면에 쌓인 고농도 대장균 및 황색포도상구균 같은 박테리아와
박테리오파지 등 바이러스가 99.9% 제거되는 것으로 나타났다. 염료
등 유기 오염물질과 크롬 등 중금속도 제거됐으며, 분리막에 결합된 광촉매의 친수성(hydrophilic) 덕분에 10회 이상 반복 시험 후에도 오염물
제거 성능은 물론 물의 막 투과율이 97% 이상으로 유지됐다. 변지혜
박사는 “이 연구에서 자연광을 이용한 광촉매 기술과 수처리 분리막 기술을 결합, 수처리 공정 효율을
높일 수 있음을 보였다”며 “분리막을 대형화하고 내구성을 높이는 후속 연구를 통해 수처리 분리막 시장을
선도할 차세대 분리막 신소재 개발에 힘쓸 것”이라고 말했다. 이 연구결과는 국제학술지 ‘응용 촉매 B : 환경'(Applied Catalysis B:Environmental) 최신호에
게재됐다.

[연합뉴스, 2020.11.10]