그래핀 담수화 분리막 ‘내구성 한계’ 규명…금오공대, 열화 메커니즘 첫 체계화
해수담수화·반도체 초순수 등 첨단 산업 적용 가능성 확대
국립금오공과대학교 연구진이 차세대 해수담수화 핵심 소재로 주목받는 나노다공성 그래핀 분리막의 '내구성 한계'를 체계적으로 규명하고 극복 전략을 제시해 학계와 산업계의 주목을 받고 있다.
2일 금오공대에 따르면 기계공학부 김민석 교수 연구팀이 원자 한 층 두께의 그래핀에 극미세 나노공극을 형성한 '나노다공성 그래핀(NPG) 분리막'의 열화 메커니즘을 종합 분석한 리뷰 논문을 발표했다. NPG 분리막은 기존 고분자 역삼투(RO)막 대비 높은 물 투과도와 우수한 염 제거 성능을 동시에 구현할 수 있는 차세대 소재로 평가되지만, 실제 해수 환경에서는 고압·고염도·산화성 물질과 유기·무기 오염 등이 복합적으로 작용해 장기 운용 시 성능 저하가 발생하는 한계가 지적돼 왔다.
연구팀은 이러한 성능 저하의 원인을 기계적 파손, 그래핀–지지체 계면 박리, 생물학적 오염, 유기 오염 및 나노플라스틱 흡착, 무기 스케일링, 산화 열화, 나노공극 구조 재구성 등 7가지로 체계화했다. 특히 구조적으로 취약한 '나노공극 가장자리'와 '지지체와의 계면'에서 발생하는 고유 열화 특성을 규명하고, 장기 안정성 확보를 위한 '열화 중심 프레임워크(Failure-centric Framework)'를 제안했다.
구체적인 내구성 향상 방안으로는 지지체 기공 구조 최적화, 공극 가장자리 화학적 안정화, 계면 접착 및 실링 강화, 항균 기능 도입, 다층·하이브리드 구조 적용 등 5대 전략이 제시됐다. 연구진은 이를 통해 단순한 성능 개선을 넘어 상용화를 가로막던 내구성 문제 해결의 설계 지침을 마련했다고 설명했다.
이번 연구 성과는 수처리 및 해수담수화 기술은 물론 반도체 공정용 초순수 생산, 첨단 신소재, 친환경·탄소중립 산업 등 다양한 분야에서 파급 효과가 클 것으로 기대된다.
김민석 교수는 "그래핀 기반 담수화 분리막은 이론적 성능이 매우 뛰어나지만 실제 산업 현장에서는 장기 안정성이 핵심 변수"라며 "이번 연구는 그래핀 분리막 실용화를 위한 설계 기준을 제시했다는 점에서 의미가 있다"고 밝혔다.
해당 논문은 수자원 분야 세계적 학술지인 Desalination 2월호에 게재되며 학술적 가치를 인정받았다. 연구는 국립군산대학교 이종완 교수, 미국 매사추세츠공대 출신 김로현 박사(현 인텔 근무)와의 공동연구로 수행됐다.