DGIST·생산기술연구원 공동연구팀 연구성과
‘마찰대전 발전소자’ 통해 물속 미세플라스틱 제거 기술 개발

(왼쪽부터) DGIST에너지공학과 이주혁 교수, 이철재 석·박사통합과정생, 한국생산기술연구원 조한철 수석연구원, 박병건 박사과정생. DGIST 제공

[그림 1] 다공성 피라미드 구조 마찰대전발전소자를 통해 미세플라스틱을 제거하는 과정의 모식도 및 고출력 porous pyramid 기반 마찰대전 발전소자. (a)다공성 피라미드 구조 기반 마찰대전 발전소자를 통해 발전된 고전압의 출력이 정류기를 통해 정류되어 물속 기판에 가해지면 +와 –를 띄는 기판으로 나누어진다. 물속에서 전하를 띄는 미세 입자들은 금속판으로 가 붙게 된다. (b)다공성 피라미드 구조를 이용하여 마찰대전 발전소자를 개발하였으며 (c)다공성 피라미드 구조의 마찰대전 발전소자는 평평한 구조, 피라미드 구조 대비 고출력의 에너지를 발전한다. DGIST 제공 [그림 2] 마찰대전 발전소자를 이용한 미세 유해 물질 제거 기능 구현

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 국양) 에너지공학과 이주혁 교수 연구팀은 한국생산기술연구원(원장 이낙규) 조한철 박사 연구팀과의 공동연구로 물속에 존재하는 마이크로~나노 크기의 미세플라스틱 제거가 가능한 친환경 미세플라스틱 제거 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

미세플라스틱은 아주 작은 크기(통상적으로 5mm 미만)의 플라스틱으로, 체내에 축적되어 생체 기능을 교란하는 등 인체에 위협 요인으로 작용한다. 이같은 미세플라스틱은 주로 해양으로 유입되어 해양생물계의 내분비계 교란을 통해 최상위 포식자인 인류에게까지 영향을 미치는데, 이를 최소화하기 위해 미세플라스틱을 걸러내는 기술이 요구된다.

그러나, 미세플라스틱은 작은 크기로 인해 필터를 사용해 물속에서 분리하거나 처리하는데 어려움이 있다. 특히, 마이크론 미만 크기인 나노 입자의 경우 물리적인 방법의 필터를 통해 제거 하는 것은 필터 막힘 및 필터 자체의 환경오염 등 극복하기 어려운 문제들이 있다. 따라서 이러한 한계를 극복할 수 있는 새롭고도 친환경적인 방법이 필요하다.

이에 이주혁 교수 연구팀은 생산기술연구원 조한철 박사팀과 공동연구를 통해 물속의 미세입자를 제거하는 친환경 발전소자를 세계 최초로 개발했다. 이주혁 교수 연구팀의 ‘마찰대전 에너지 발전소자(Triboelectric nagogenerator, 이하 TENG)’와 조한철 박사팀의 전기영동법을 통한 입자제거 기술의 합작이다.

[그림 2] 마찰대전 발전소자를 이용한 미세 유해 물질 제거 기능 구현. (a)기존 평평한 구조, 피라미드 구조의 마찰대전 에너지 발전소자 대비 다공성 피라미드 구조의 마찰대전 에너지 발전소자의 미세 유해물질 제거 효율이 높다. (b)개발된 미세 유해물질 제거 시스템은 플라스틱 뿐만 아니라 CdZnS, ZnO, SiO2 등의 다양한 나노/마이크로 유해물질 제거가 가능하다. (c)제거된 미세입자의 패턴을 이용하여 구현한 형광 이미지. DGIST 제공

마찰대전은 서로 다른 재료를 마찰함으로써 반대 부호의 전하가 기계적으로 나뉘는 것이며, 전기영동법은 전기의 성질을 이용해 유기물질을 분리하는 기법이다.

TENG는 물리 에너지를 통해 전기 에너지를 발생시키기 때문에 친환경적인 미세플라스틱 필터 제작이 가능하다. 또한, 마찰대전 에너지의 높은 전압 특성을 활용하기 때문에 특별한 외부 전원이 필요하지 않아 장소에 구애받지 않고 운용이 가능한 장점도 있다.

이번 연구를 통해 새롭게 개발된 ‘다공성 미세구조 기반 TENG’는 기존 TENG보다 3배 이상의 높은 출력을 나타냈다. 이를 활용한 결과, 마이크로 사이즈의 미세플라스틱 입자 제거율은 기존 TENG의 입자 제거율인 3.8%보다 약 5.6배 높은 21.4%를 달성했다. 더불어 본 기술은 마이크로 단위의 미세플라스틱 뿐만 아니라 나노 사이즈의 산화아연, 이산화규소 등 다양한 미세 독성 입자들도 제거가 가능함이 확인됐다.

이번 연구는 DGIST 이주혁 교수 연구팀, 생산기술연구원 조한철 박사 연구팀 및 성균관대학교 김상우 교수팀이 공동으로 진행했으며, 에너지공학 분야의 저명 국제 학술지 중의 하나인 ‘Nano Energy’에 6월 11일 온라인으로 출판되었고, 학술지에는 9월 중 게재될 예정이다.

또한, 해당 논문은 DGIST 에너지공학과 이철재 석박통합과정생과 한국생산기술연구원(부산대학교 기계공학부) 박병건 박사과정생이 1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

송현수 기자 songh@busan.com