바이러스 나노실 이용한 고성능 수처링용 분리막 제작

유필진 교수팀, 산화 그래핀 기판 위 바이러스 정렬 나노 구조체 만들어

유필진 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 바이러스 나노실을 이용한 고성능 수처리용 분리막을 개발했다.

미래창조과학부는 유필진 성균관대 화학공학부 및 나노과학기술원 교수와 이용만 박사과정 연구원(1저자)이 주도하고 삼성종합기술원이 참여한 국내 연구진이 대량으로 쉽게 생산이 가능하고 인체에도 무해한 바이러스 나노실을 이용해 고성능 수처리용 분리막에 활용할 수 있는 초박막 나노 그물망 구조체 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

이 소재는 기존 수처리 분리막에 비해 뛰어난 정수 처리특성과 오염물질 제거능력을 갖춰 저비용 고효율 수처리 분리막 제작에 활용될 것으로 기대된다.

바이러스 나노실은 머리카락 두께의 약 7000분의 1의 나노단위 크기를 가지는 극미세 1차원 섬유 모양의 생체 바이러스 재료를 말한다.

연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업 등의 지원으로 수행돼 재료 분야 학술지 어드밴스드 머티리얼스지 지난달 20일자 온라인판에 게재됐다.

수처리용 분리막은 가능한 많은 물질이 빠르고 정확하게 분리될 수 있도록 처리용량과 분리효율을 높이는 것이 중요하지만 기존의 수처리용 분리막 소재는 기공의 크기가 불균일하고 막 표면 기공 밀도가 낮아 처리용량과 분리효율에 한계가 있었다.

연구팀은 인체 감염 또는 독성의 위험이 없는 박테리아 숙주의 선형구조 M13 바이러스를 재료로 삼아 산화 그래핀 기판 위에서 한쪽 방향으로 정렬시켜 나노 구조체를 제작하고 이를 격자처럼 쌓아 올려 나노그물망 형태의 분리막을 개발했다.

연구진은 선형 바이러스의 꼬리 부분을 산화 그래핀의 기판에 결합시켜 고정하고 물 또는 공기를 흘리면 바이러스가 흐르는 방향에 따라 일정하게 정렬되도록 했다.

정렬된 바이러스들을 격자방향으로 교차시켜 쌓아 기공이 나노 크기인 그물망 구조의 분리막을 제조했다.

이 분리막은 간단하게 바이러스 막을 쌓는 횟수를 변화시키면 기공의 크기 조절이 가능하고 분리하고자 하는 물질에 따라 특화시킬 수 있는 특징으로 기공 크기가 균일하면서도 두께 10～30nm의 초박막 형태여서 높은 처리용량 및 분리효율 특성을 동시에 만족시킨다.

상용 분리막과 비교하면 1㎡ 면적에 대해 단위 시간당 1000리터 이상의 물을 통과시켜 2～4배 투과 특성을 가지고 10nm 크기 입자를 95% 이상의 정확도로 분리해 분리효율도 3～4 배 수준이다.

연구진은 “바이러스를 분리막 소재로 이용하는 경우 수용액 공정에 기초해 친환경적이면서 대면적화가 쉬운 장점이 있고 비교적 쉽게 만들 수 있는 산화그래핀을 기판으로 활용해 이 기술은 분리막 제조뿐 아니라 다양한 소재 제작에 적용될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

바이러스 정렬구조체의 나노그물망 구조체 제작 모식도. 연구팀은 바이러스 2차원 정렬구조체를 격자 방향으로 적층 조립해 3차원의 나노그물망 구조로 집적시켰다