외산에 의존하던 세라믹 필터 국산화…"폐수 염료 99.8%제거"

한국재료연구원(KIMS)는 나노재료연구본부 이홍주 선임연구원과 송인혁 책임연구원이 세라믹 분리막 표면을 나노 단위에서 매끄럽게 제어하는 제조 공정과 낮은 압력에서도 오염물질을 정밀하게 걸러내는 분리막 소재 기술을 업그레이드했다고 3일 밝혔다. 이 기술은 지난 2023년 개발, 공개된바 있다. 이번엔 에너지 소모가 크고 공정이 복잡했던 기존 수처리 분리막 한계를 개선한 것이 특징이다. 세라믹 분리막은 화학적·열적 안정성이 뛰어나 산업 폐수 처리, 해수 담수화, 반도체 공정용 초순수 제조 등 극한 환경 수처리에 필수 소재이다. 하지만, 기존 제조 방식은 지지체 위에 여러 분리막 층을 반복해서 코팅하고 고온에서 소결하는 복잡한 공정까지 거쳐야 하기 때문에 에너지 소모가 컸다. 또한 이 과정에서 발생하는 표면 거칠기로 인해, 상부 분리층에서 미세 균열이 생겨 성능 저하로 이어지는 문제가 빈발했다. 더욱이 나노여과 분리막은 고압(10bar)에서만 작동, 운영 비용이 많이 들어 산업 현장 적용에 어려움이 있었다. 연구팀은 서로 다른 층의 입자를 섞어 결합력을 높이는 '상호 도핑(Mutual Doping)' 기술과 모든 층을 한 번에 굽는 '동시 소결(Co-sintering)' 기술로 이같은 어려움을 극복했다. 기존에 1300℃에 달하던 소결 온도를 1000℃ 수준으로 낮추면서도, 입자 간 소결성을 높여 낮은 온도에서도 단단하고 견고한 세라믹 구조를 구현했다. 특히 표면 거칠기를 기존 대비 절반 이하(24.49㎚ → 11.74㎚)로 낮추는 등, 기존 다단계 공정으로는 달성하기 어려웠던 수준으로 초평탄(Rq 11.74㎚) 표면을 구현해 분리막 균열 발생을 근본적으로 억제하는 제조 공정을 완성했다. 연구팀은 또 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 코팅, 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 제거하면서, 소금 (이온) 성분은 선택적으로 통과시키는 것이 특징이다. 이 기술은 기존 상용 분리막의 한계였던 이온과 염료 분리 난제를 해결, 수처리 패러다임을 단순 오염 제거에서 '자원 회수'로까지 확장했다. 특히 높은 수투과도를 바탕으로 처리 효율을 크게 높여, 세라믹의 뛰어난 화학적 안정성과 우수한 유량 회복 특성을 통해 분리막의 수명과 경제성을 함께 향상시켰다. 이홍주 선임연구원은 "소재 기술과 제조 공정 기술을 결합, 미세 기공과 공정 결함을 동시에 제어하는 차세대 수처리 통합 솔루션을 완성했다는 데 큰 의미가 있다"며 "특히 무결점에 가까운 표면 제어와 높은 에너지 효율 달성은 기존 수처리 분리막 기술의 한계를 넘어선 새로운 접근"이라고 말했다. 이 기술은 섬유 염색 폐수 처리, 반도체 공정 초순수 제조 등 고도의 정밀 정수가 요구되는 분야에 폭넓게 활용 가능하다. 특히 고효율 구동으로, 대형 수처리 플랜트 에너지 비용과 탄소 배출을 획기적으로 줄이는 것 또한 가능할 것으로 전망됐다. 이홍주 선임연구원은 “전량 수입에 의존하던 고부가가치 세라믹 분리막 국산화를 넘어 향후 글로벌 시장을 선도하는 기술로 갈 수 있을 것"이라며 " 파일럿 규모 실증을 통해 산업 현장 적용 가능성을 검증하고, 관련 기업으로 기술이전을 추진할 계획"이라고 말했다. 연구결과는 수처리 분야 국제학술지 탈염(Desalination, JCR 상위 2%)과 막과학저널(Journal of Membrane Science, JCR 상위 5%)에 온라인으로 게재됐다.