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멤브레인의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 기술

<KISTI의 과학향기> 제3300호

미 에너지부의 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 연구진은 액체를 더 잘 여과하며 산업공정상에서 발생하는 화학물질과 생물 폐기물로부터 분해되지 않는 새로운 멤브레인을 개발했다. 이 멤브레인은 화학적 구성과 기공 크기를 효과적으로 제어하는 순차적인 침투 합성(sequential infiltration synthesis, SIS) 기술을 사용함으로써 이런 성과를 달성할 수 있게 되었다.
 
수돗물이나 커피 등의 우리가 마시는 모든 액체는 일종의 필터를 통과한다. 이런 식으로 필터링하는 것은 일상생활에서 필수적이지만, 종종 막히거나 성능이 저하되는 비교적 약한 멤브레인을 사용한다.
 
SIS는 반도체 제조, 광학 코팅, 기름을 제거하는 스펀지 등에 사용될 수 있다. 이 방법은 원자층 증착과 유사하게 물질의 계면을 변화시키는데 화학적 증기를 사용한다. 그러나 이 방법은 원자층 증착이 가지고 있는 멤브레인 기공 코팅 시에 발생하는 수축 현상을 막을 수 있다.
 
원자층 증착은 멤브레인 위에 층을 추가하기 때문에 기공 직경이 서서히 줄어드는 단점이 존재한다. 반면에 SIS는 멤브레인 구조 자체를 성장시키기 때문에 기공 모양에 큰 영향을 끼치지 않으면서 화학적 특성을 변화시킨다.
 
거의 모든 상용 멤브레인은 폴리머로 구성되어 있다. 폴리머는 큰 분자들이 작은 분자의 반복적인 사슬로 형성된다. SIS는 이런 분자들 간의 공간을 활용하기 때문에 멤브레인 표면을 관통해서 무기물을 가진 액체를 확산시킬 수 있다. SIS는 알루미늄 산화물을 기반으로 폴리에테르술폰(polyethersulfone) 멤브레인을 성장시킴으로써 여과 능력을 손상시키는 일 없이 보다 큰 회복성을 가지게 할 수 있었다.
 
SIS 기술은 멤브레인의 기능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 오염원이 표면에 부착되는 것을 막거나 용매에 내성을 가지면서 다양한 산업적 분야에 적용할 수 있게 한다.
 
이러한 방식으로 멤브레인을 설계하는 능력은 멤브레인의 교체 비용과 가동 중지 시간을 줄임으로써 수처리 설비 또는 화학물질 및 제약 산업에서 비용을 절감하는데 도움을 줄 수 있다. 이번 연구진은 SIS 기술을 사용해서 물에서 기름을 포획하는 올레오 스펀지(Oleo Sponge)를 만들었다. 이 경우에, 스펀지 표면 속에서 성장된 금속 산화물은 기름을 좋아하는 분자를 결합시키는 역할을 한다.
 
이 연구결과는 journal of The Minerals에 “Sequential Infiltration Synthesis of Al2O3 in Polyethersulfone Membranes” 라는 제목으로 게재되었다(https://doi.org/10.1142/S1793292018501345).

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