초미세먼지, 재활용 가능 나노세라믹 필터로 잡는다

- 나노필터에 걸린 초미세입자를 고온의 열로 태워 재사용 가능한 필터 개발

최근 미세먼지가 한국을 강타해 역대 최악의 공기상태를 보이고 있다. 미세먼지*는 주로 공장, 자동차, 가정 등에서 사용하는 화석연료를 태우면서 발생하는 유기 탄화물로 폐 기능 장애 등 인체 유해성이 큰 것으로 알려졌다.

미세먼지는 지름이 10μm(마이크로미터, 머리카락 굵기의 약 백분의 일) 이하인 입자, 특히 지름이 100nm(나노미터, 머리카락 굵기의 약 십 만분의 일) 이하인 입자는 초미세먼지로 분리되나 국내에서는 2.5μm 이하의 입자를 초미세먼지라 통칭하고 있다.

미세먼지는 화석 에너지 소비에 따라 발생원의 수가 지속적으로 증가하고 있다. 대기 중의 미세먼지를 제거할 수 있는 필터 개발에 대한 연구가 활발히 진행되어왔으나 기존 미세먼지 필터를 구성하는 섬유 자체의 굵기가 굵고, 기공 크기가 커 초미세먼지를 걸러내는 데 한계가 있었다. 또한, 대부분 일회용으로 제조되고 있으며, 주원료가 플라스틱 섬유이어서 또 다른 환경오염 문제를 야기하는 문제가 있었다.

▲ 탄소나노튜브(CNT) 및 BNNT소재 연구개발 개요

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원을 받아 2017년부터 우주 승강기용 극한환경소재 개발을 목표로 KIST 개방형 연구 프로그램(Open Research Program) 4U 복합소재 프로젝트(단장: KIST 전북분원 홍재민 분원장, 포항공대 이건홍 교수)를 수행해 왔다. 4U는 우주 환경용 4가지 극한 물성으로 초경량, 초고강도, 초고전기전도도, 초고열전도도 (Ultra-light, Ultra-strong, Ultra-high electrical conductivity, Ultra-high thermal conductivity) 등이다.

최근 KIST 연구진은 4U 프로젝트의 핵심 소재 중 하나인 질화붕소 나노튜브(boron nitride nanotube, BNNT)를 이용하여 재활용이 가능한 첨단 세라믹 필터 제조기술을 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다. 미세먼지를 포함한 일반적인 유기 미립자들은 350℃ 이상으로 가열하면 연소되어 이산화탄소와 물로 분해된다. 연구진은 초고온(레이저, 플라즈마)에서 성장되어 900℃까지 타지 않는 고품질의 질화붕소 나노튜브로 필터를 제조하여 기공에 걸린 미립자를 태워서 제거하고 필터를 재활용하는 것이 가능한 기술을 개발했다.

▲ 질화붕소 나노튜브(BNNT) 필터의 재생을 보여주는 모식도, 기공을 막은 초미세입자를 고온의 열을 이용해 선택적으로 태워서 필터를 재사용할 수 있는 과정을 보여주고 있다.

이번 연구는 KIST의 주도하에 한국과학기술원(생명화학공학과 김범준, 김지한 교수)의 공동연구로 이루어졌으며, 연구결과는 국제학술지인 ‘Journal of Membrane Science’(IF : 6.035, JCR 분야 상위 4.070%) 최신호(4월 1일,Volume 551)에 게재됐다. 논문명 <High-Performance, Recyclable Ultrafiltration Membranes from P4VP-Assisted Dispersion of Flame-Resistive Boron Nitride Nanotube> 제1저자- 한국과학기술연구원 임홍진 연구원, 교신저자- 한국과학기술연구원 장세규 박사, 한국과학기술원 김범준, 김지한 교수. 

개발된 필터는 매우 얇은 막의 형태로 제조가 가능하여 커피콩 1개 무게(약 100mg) 의 소량 나노튜브만으로도 명함 크기의 필터 제조가 가능하며, 초미세입자를 99.9% 이상 제거할 수 있다. 또한, 미세입자를 제거하는데 가장 중요한 요소인 기공의 크기를 손쉽게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 미립자에 의해 막힌 필터를 태워서 재생하는 반복 공정 후에도 우수한 입자의 제거 효율이 유지된다. 이는 대형 (초)미세먼지 발생원 등 대량 입자 제거 설비에 활용되어 필터 교체 비용 등을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

▲ BNNT 활용 분리막을 이용한 초미세먼지 포집 및 재생 공정의 모식도. 분리막을 이용해 대기 중 초미세먼지를 포집한 후 섭씨 400도로 가열하여 포집된 미세먼지를 태워 재생함으로 반영구적으로 사용할 수 있다.

KIST 장세규 박사는 “본 필터는 미세입자의 제거뿐만 아니라 바이러스 정제, 수처리, 식품 등 대량 정제 공정 등에 적용할 수 있다.”라고 말하여, “질화붕소 나노튜브는 방열 및 방사선의 차폐 소재로도 응용 가능성이 높아 우주항공, 전자, 자동차, 원자력 등 고부가 가치가 높은 대형시장에 광범위하게 적용할 수 있다”라고 밝혔다.

또한, KIST 4U 프로젝트를 이끌고 있는 홍재민 분원장은 “미국 NASA가 극한 우주환경 소재를 개발하는 과정에서 약 2,000 여건의 기술파급효과를 통해 실생활에 이용되는 기술을 개발한 것처럼, 이번 극한 소재개발 프로젝트는 기존 소재의 한계를 극복하는 신소재 개발과 실용화를 통해 국민 삶의 질을 높이는데 중요한 의미를 지닌다.”라고 말했다.

[김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]