바닷물 식수로 걸러내는 ‘그래핀 여과막’ 개발

그래핀 (Graphene) 은 탄소원자들이 6각형 형태로 배열된 흑연의 한 층인 2차원 물질이다. 0.1나노의 원자 두께 시트로, 원자배열에 따라 도체, 반도체, 부도체(절연체)의 전기적 성질을 띄고, 열 전달이 다이아몬드에 비해 20배 정도 우수하다. 인장 강도도 고강도합금에 비해 20배 이상 우수하고 허용 전류밀도가 금속보다 1000배 정도 커서 차세대 꿈의 소재로 불린다. 

그러나 그래핀은 밴드갭 (띠 간격, 띠틈, Band Gap)이 없어 전기적 신호에 의해 전류의 흐름을 통제하기 어려워, 차세대 반도체 소자로 활용하는 데 치명적인 결함이 돼 왔다. 밴드갭이란 물질의 고유한 물리량인데, 그 값이 0eV (일렉트론볼트)에 가까울수록 전류가 쉽게 흐르고, 이 수치가 높아지면 그 반대가 된다. 반도체 소재로 많이 쓰이는 실리콘의 밴드갭이 1.1eV이라, 2차원 그래핀은 아직 실리콘을 따라 잡을 수가 없다. 

따라서 과학자들은 반도체가 아닌 다른 용도의 2차원 그래핀이나 3차원 그래핀에 도전하고 있는데, 3차원 그래핀은 완벽한 다공성 입체 결정구조로 안정성과 물성이 뛰어나 고성능 배터리 음극제와 고효율 여과막 (멤브레인, membrane) 등 다용도로 활용이 가능해 산업 전반에 영향을 미칠 것으로 기대된다. 

특히 2차원이나 3차원의 그래핀 여과막은 차세대 필터링 기술들 (filtration technologies) 중 가장 유망한 후보 (promising candidate)로 상당한 관심을 끌어 왔으며, 이 기술을 이용하면 가스 분리 (gas separation)가 가능하고, 미세먼지를 걸러낼 수 있으며, 바닷물에서 소금을 걸러 먹는 물로 전환시킬 수 있다는데 과학자들이 흥분하고 있다. 

그래핀을 발견해 2010년 노벨물리학상을 수상한 영국의 맨체스터 대학 (University of Manchester) 의 러시아 태생인 게임 (Andre K. Geim) 교수를 중심으로 12명의 과학자들이, 체를 이용해 입자를 입도별로 분급하는 체가름(sieving) 역할을 하는 2차원 산화물 그래핀 여과막을 개발, 바닷물을 먹는 물로 전환시키는 새로운 필터링 기술을 개발했다. 

이 연구 성과는 과학저널 네이처(Nature)의 자매지인 네이처 나노테크노로지 (Nature Nanotechnology)에 <산화물 그래핀 여과막을 이용해 조율이 가능한 이온들의 체가름 (Tunable sieving of ions using graphene oxide membranes)>이라는 논문을 4월 3일(현지시간) 발표했다(Abraham et al., Nature Nanotechnology & Science Daily, 03 Apr 2017). 

이는 엄청난 노력 끝에 발견한 체가름이라는 필터링 기술로 바닷물에서 소금을 걸러내는 것이다. 이 새로운 연구는 청정한 물을 마시지 못하는 수백만 명의 사람들에게 리얼타임으로 청정한 물을 먹을 수 있게 한다는 것을 데모한 것이다. 앞으로는 언제 어디서든 바닷물만 있다면 청정한 생명수를 마실 수 있다는 얘기다. 따라서 필자가 보기에는 노벨상 후보가 될 것으로 보인다.  

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▲그래핀 여과막(Graphene membrane). Credit: Image courtesy of University of Manchester

영국 맨체스터 대학에 위치한 국립그래핀연구소 (National Graphene Institute) 가 이미 개발한 산화물-그래핀 여과막은 나노입자나 유기분자나 더 나아가 커다란 소금들을 걸러낼 수 있는 잠재성을 데모해
 왔다. 그러나 아직까지 담수 기술들 (desalination technologies) 에 사용되는 일반 소금을 체가름 하는데 사용하지 못하고 있는데, 그 이유는 더욱 작은 체가름들이 필요하기 때문이다. 

전의 맨체스터대의 연구에서, 만약 산화물-그래핀 여과막이 물에 잠기면, 산화물-그래핀 여과막은 부풀어 오르게 되고, 그러면 부풀어 오른 여과막을 통해 작은 소금들이 물과 함께 빠져나가고, 커다란 이온들이나 분자들만 못 빠져나간다 (blocked) 는 사실이 발견됐다. 그래서 이번 연구는 물에 노출되었을 때 부풀어 오르는 것을 피하는 전략을 찾아낸 것이고, 또한 여과막에 있는 기공 크기들(pore sizes)를 정확하게 조율하고 제어해서, 바닷물(소금물)에서 일반 소금들을 걸러내서 안전한 먹는 물로 전환한 것이다. 

논문을 보면 이들이 개발한 기공의 크기는∼9.8 Å(옹스트롱)에서 6.4 Å까지이다. 1옹스트롱은 10-10m로 0.1나노이고 0.1나노는 원자의 크기인데, 10Å은 1나노이다. 그러니 1나노보다 작은 원자 단위의 크기를 조율하고 제어하는 것을 데모한 것이다.

기후변화 효과로 대도시에 물 공급들이 계속 줄고 있고, 부유한 나라들조차 담수 기술에 막대한 투자를 하고 있는 상황이다. 캘리포니아의 심각한 홍수 혹은 가뭄으로 인해, 주요 부유한 도시들은 점점 더 대안적인 물 솔루션을 찾고 있다. 

일반적인 소금들이 물에 용해되면, 그들은 항상 소금 분자들 주위에 물 분자들의 껍질 (shell) 을 형성한다. 따라서 이는 산화물-그래핀 여과막의 작은 모세관들 (tiny capillaries) 이 물과 함께 흐르는 소금을 차단하게 된다. 그 대신 하나의 물 분자들은 여과막 장벽들 (membrane barrier) 을 통과해 특이하게 빠르게 흐를 수 있어 담수화를 위한 여과막 적용에 이상적이다. 

교신저자인 나이르 (Rahul Nair) 교수는 “기공 크기를 원자 규모로 작게 균일화 하도록 여과막을 확장할 수 있다는 것을 알았다는 것이 중요한 발전이며, 이것은 담수 기술의 효율성을 향상시킬 수 있는 새로운 가능성을 제시한다. 이번 연구는 이 영역에서 최초의 명확한 실험이며, 또한 논문에서 서술한 방법을 대규모화 할 수 있는 현실적인 가능성을 데모했다. 따라서 필요한 기공 크기들을 가진 그래핀 베이스의 여과막을 대량 생산할 수 있다”라고 말했다. 

제1저자인 아브라함 (Jijo Abraham) 은 “개발된 여과막들은 담수에 필요할 뿐만 아니라, 기공 크기들을 원자수준에서 조율할 수 있다는 것은, 크기들에 따라 다양한 이온들을 필터링할 수 있는 수요 베이스 (on-demand, 온디맨드) 의 여과막을 제작할 수 있는 새로운 기회를 찾은 것이다”라고 말했다. 

2025년까지 UN은 세계의 인구 중 14%가 물 부족에 시달릴 것으로 예측하고 있다. 이번에 개발된 이 기술은 전 세계에 걸쳐 물 여과( water filtration) 에 혁명을 일으킬 잠재성이 아주 높은 것으로 평가되고 있다. 특히 대규모 담수 플랜트가 없는 나라에서는 필수의 기술로 평가 받고 있다. 왜냐하면 그러한 나라들에서는 대규모가 아닌 소규모 시스템을 만들어 누구나 물에 접속할 수 있기 때문이다. 

따라서 필자는 이번 개발된 산화물-그래핀 여과막은 노벨상 후보가 되지 않을까라고 조심스럽게 판단하는 것이다. 만약 노벨상을 탄다면 게임 교수는 두 번의 노벨상을 수상하게 될 것이다. 2010년에는 물리학상을 수상했지만 다음에는 이번 기술로 화학상을 타게 된다. [정리 김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]
 

크기변환_사본-10632695_637493523030856_2757249799481243589_n차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자

아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, 국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장