국립부경대학교 조계용 교수(공업화학전공) 연구팀은 금속 유기 골격체(MOF) 가운데 하나인 UiO-66 나노입자에 의도적으로 결함(Defects)을 유도하고, 이 결함이 복합막의 제조 및 성능에 미치는 영향을 분석해 고성능 복합막을 개발하는 데 성공했다고 16일 밝혔다.

조계용 교수는 같은 대학 권혁택 교수(화학공학전공), 손민영 교수(공업화학전공)와 한국에너지기술연구원 여정구 박사 연구팀과 진행한 공동 연구를 통해 이번 연구 성과를 거뒀다.

금속-유기 골격체 소재는 금속과 유기물이 합성돼 만들어진 다공성·결정성 입자다. 다양한 조합이 가능하고 높은 비표면적, 균일한 기공크기 및 높은 조정성 등의 독특한 특성으로 촉매, 가스 분리 및 저장 등 다양한 분야에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

하지만 해당 소재는 고분자 소재와 상용성이 낮아 입자 뭉침 등으로 막 안정성 및 분리 성능이 크게 떨어지게 되는 단점이 있고, 이 소재로 복합막을 얇게 제조할 때 분리 구동 조건에 따라 형태 안정성이 낮아 박막 형태로 제조가 어려운 한계가 있었다.

조계용 교수 연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 반응 조절제(modulator) 등 반응물 농도 조절을 통해 UiO-66 입자에 의도적으로 결함을 유도하는 합성법을 개발하고, 입자의 계면 특성을 쉽고 간단한 방법으로 제어하면서 고용량 합성에 유리한 반응 조건을 개발해 박막형 분리막에서도 안정적인 구동 성능을 보이는 복합막을 개발해냈다.

UiO-66 입자에 유도된 결함은 고분자와의 상호 작용을 더 강하게 해 분산성의 문제를 최소화했고, 분리 대상인 물과의 상호 작용을 증가시켜 분리 성능을 큰 폭으로 향상시켰다.

연구팀이 결함에 따른 강한 상호 작용을 이용해 제조한 박막 형태의 복합막은 기존 고분자막 대비 투과증발분리지수(PSI)가 약 1664%(16배) 향상돼 분리 성능이 크게 높은 것으로 나타났다.

이번 연구 논문의 제1 저자 최경민 연구원은 "금속-유기 골격체 소재의 결함을 의도적으로 조절·제어할 수 있다면 다양한 분야에서 활용되고 있는 이 소재를 적용해 관련 산업이 점점 더 많아질 것으로 기대한다. 앞으로 신소재 개발과 활용, 상용화 연구에 더 힘쓸 계획"이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 우수 신진 연구 사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구 결과를 담은 논문은 화학 공학 분야 국제 학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF=15.1)에 15일 게재됐다.