매끈한 세라믹 막, 공업 폐수 염료 99.8% 제거한다

시사위크=박설민 기자  한국재료연구원(재료연) 나노재료연구본부 이홍주, 송인혁 박사팀은 세라믹 분리막의 표면을 나노 단위에서 매끄럽게 제어하는 제조 공정 기술과 낮은 압력에서도 오염물질을 정밀하게 걸러내는 분리막 소재 기술을 동시 개발했다고 3일 밝혔다.

세라믹 분리막은 화학적·열적 안정성이 뛰어나다. 때문에 산업 폐수 처리, 해수 담수화, 반도체 공정용 초순수 제조 등 극한 환경의 수처리에 필수 소재다. 이때 분리막의 성능은 거름망 역할을 하는 기공 크기를 얼마나 정밀하게 잘 제어하는지, 이를 지탱하는 지지체 표면이 얼마나 매끄럽게 형성되는지에 따라 결정된다.

하지만 기존의 제조 방식은 지지체 위에 여러 분리막 층을 반복해서 코팅하고 고온에서 소결하는 복잡한 공정까지 거쳐야한다. 때문에 에너지 소모가 크고 표면이 거칠게 변형된다. 때문에 분리막층에서 미세 균열이 발생, 성능 저하가 일어난다.

이에 연구팀은 서로 다른 층의 입자를 섞어 결합력을 높이는 ‘상호 도핑(Mutual Doping)’ 기술과 모든 층을 한 번에 굽는 ‘동시 소결(Co-sintering)’ 기술을 새롭게 개발했다. 이 기술을 통해 기존의 약 1,300도에 달하던 소결 온도를 1,000도 수준으로 낮췄다. 동시에 입자 간 소결성을 높여 낮은 온도에서도 단단하고 견고한 세라믹 구조를 구현했다.

특히, 표면의 거칠기(Rq, ㎚)를 기존 대비 절반 이하(24.49㎚→11.74㎚)로 낮추는데 성공했다. 이를 통해 기존 다단계 공정으로는 달성하기 어려웠던 수준의 초평탄(11.74㎚) 표면을 구현해 분리막 균열 발생을 근본적으로 억제하는 제조 공정을 완성했다.

또한 연구팀은 낮은 압력에서도 높은 분리 성능을 구현할 수 있는 ‘지르코니아(ZrO2) 기반 루즈 나노여과막’ 소재 기술을 함께 확보했다. 상호 도핑 공정으로 형성된 매끄러운 기판 위에 자체 개발한 친환경 수계 지르코니아(ZrO2) 졸(Sol)을 코팅했다. 이를 통해 미세 기공에 의한 체 거름 효과와 정전기적 반발력이 동시에 작용하는 분리막을 구현했다.

이 분리막은 수돗물 수준의 낮은 압력(2bar)에서도 염색 폐수 속 염료를 99.8% 이상 제거한다. 하지만 소금(이온) 성분은 선택적으로 통과시킨다. 기존 상용 분리막의 한계였던 이온과 염료의 분리 난제를 해결한 것이다.

재료연은 입너 기술이 섬유 산업의 염색 폐수 처리, 반도체 공정의 초순수 제조 등 고도의 정밀 정수가 요구되는 분야에 폭넓게 활용할 것으로 기대하고 있다. 특히, 대형 수처리 플랜트의 에너지 비용과 탄소 배출을 획기적으로 줄이는 것 또한 가능할 것으로 보고있다.

이홍주 재료연 선임연구원은 “저압 구동형 소재 기술과 이를 결함 없이 구현할 수 있는 제조 공정 기술을 동시에 확보했다”며 “전량 수입에 의존하던 고부가가치 세라믹 분리막의 국산화를 넘어 향후 글로벌 시장을 선도하는 기술로 발전할 수 있도록 지속해서 노력할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 국제학술지 ‘Desalination’와 ‘Journal of Membrane Science’에 동시 게재됐다.