한국생산기술연구원

물 속 미세플라스틱 제거하는 친환경 입자 제거기술 개발

- 마찰대전 소자 통해 물 속 미세플라스틱 제거 효과 5배 이상 높여

- 생기원, DGIST 공동연구 성과, 국제학술지 '나노 에너지' 게재

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 DGIST(총장 국양)와 공동으로 물 속 마이크로(㎛)~나노미터(㎚) 크기의 미세플라스틱을 걸러내는 친환경 미세플라스틱 제거기술을 개발했다.

□ 미세플라스틱은 지름이 5㎜ 미만인 플라스틱 입자를 가리키며, 처음부터 작게 만들어진 ‘1차 미세플라스틱’과 잘게 부서지고 쪼개진 ‘2차 미세플라스틱’으로 분류된다.

ㅇ 결국 바다로 유입되어 해양생태계를 오염시키는데, 최상위 포식자인 인체에도 영향을 줄 수 있어 이를 걸러내는 제거기술 개발이 요구되고 있다.

ㅇ 그러나 크기가 작은 미세플라스틱을 물속에서 필터로 처리하기 어렵고, 특히 나노미터 크기 초미세 플라스틱의 경우 필터가 막히거나 필터 자체의 해양오염 문제가 제기되어 왔다. 

□ 이에 생기원 정밀기계공정제어연구그룹 조한철 박사 연구팀과 DGIST 에너지공학과 이주혁 교수 연구팀이 공동연구를 통해 물 속 미세 플라스틱 입자를 처리할 수 있는 친환경 입자 제거기술 개발에 성공했다.

ㅇ 생기원 조한철 박사팀은 높은 전압을 통해 전기영동* 증착 효율을 높일 수 있다는 점에 주목하고, DGIST 이주혁 교수팀이 개발한 3차원 다공성 미세구조 ‘마찰대전** 에너지 발전소자’(Triboelectric Nagogenerator, 이하 TENG)에 전기영동기술을 접목했다.

ㅇ 높은 전압을 이용해 물속에서 강한 전기장을 발생시키면 물 속 마이크로·나노입자가 빠르게 전극 쪽으로 이동해 전극에 달라붙는 방식으로 미세플라스틱 입자를 제거하는 원리다.

 * 전기영동 : 전극 사이의 전기장 하에서 용액 속 전하를 띤 입자가 반대 전하를 가지는 전극을 향해 이동하는 현상

** 마찰대전 : 서로 다른 재료가 마찰, 또는 접촉 후 분리되었을 때 물체 표면이 각각 양과 음의 전하로 대전되는 현상

□ TENG는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키기 때문에 친환경적인 미세플라스틱 필터 제작이 가능하다.

ㅇ 또한 마찰대전 에너지의 높은 전압특성을 활용하기 때문에 별도의 외부 전원이 필요하지 않아 장소에 구애받지 않고 운용 가능한 장점도 있다. 

□ 특히 이번 연구를 통해 새롭게 개발된 3차원 다공성 미세구조 TENG는 일반적으로 사용되는 평면 구조의 TENG보다 3배*** 이상 높은 출력을 보이는 것으로 나타났다. 

ㅇ 이를 활용한 마이크로 사이즈의 미세플라스틱 입자 제거율은 21.4%로, 기존 TENG 입자 제거율 3.8%보다 5배 이상 높은 수치다.

ㅇ 또한 마이크로 단위의 미세플라스틱 뿐만 아니라 나노 사이즈의 산화아연, 이산화규소 등 다양한 종류의 미세 독성 입자까지 제거 가능한 것으로 확인되었다.

*** ‘2cm x 2cm’ 샘플 기준으로 평면구조 TENG의 출력량은 8V, 다공성 미세구조 기반 3차원 TENG는 25V

□ 한편 한국연구재단 지원으로 진행된 이번 연구는 생기원 조한철 박사 연구팀, DGIST 이주혁 교수 연구팀 외에 성균관대학교 김상우 교수팀이 참여했으며, 6월 11일 에너지공학 분야 국제 학술지‘Nano Energy’온라인 판에 게재된 데 이어 오는 9월 출판될 예정이다. 

ㅇ 해당 논문은 생기원 박병건 박사과정생(부산대학교 기계공학부), DGIST 에너지공학과 이철재 석박사통합과정생이 제1 저자로 참여했다.

ㅇ 박병건 박사과정생은 “운동에너지를 통해 생성된 전기에너지로 입자를 제거하기 때문에 친환경적인 기술”이라며 “강, 하수처리시설, 정수장 등 다양한 물 속 미세플라스틱 제거에 활용할 수 있고, 가정용 전기로도 작동 가능해 생활용 정수장치에도 이용할 수 있다”고 설명했다.