메뉴 건너띄기
본문 바로가기 상단메뉴 바로가기

KIST 과학기술연구원

최신연구성과

제목, 부서 첨부파일, 등록일, 조회수에 따른 게시판 내용을 나타낸 표입니다.
제목 초미세먼지, 재활용 가능한 첨단 세라믹 필터로 잡는다
연구팀 복합소재기술연구소 장세규 박사팀 조회수 484
파일첨부
- 나노필터에 걸린 초미세입자를 고온의 열로 태워 재사용 가능한 필터 개발

- 향후, 기존의 일회용 필터를 대체할 재활용 가능한 첨단 세라믹 필터로 활용 기대


최근 미세먼지가 한국을 강타해 역대 최악의 공기상태를 보이고 있다. 미세먼지*는 주로 공장, 자동차, 가정 등에서 사용하는 화석연료를 태우면서 발생하는 유기 탄화물로 폐 기능 장애 등 인체 유해성이 큰 것으로 알려졌다. 
*미세먼지 : 지름이 10μm(마이크로미터, 머리카락 굵기의 약 백분의 일) 이하인 입자, 특히 지름이 100nm(나노미터, 머리카락 굵기의 약 십 만분의 일) 이하인 입자는 초미세먼지로 분리되나 국내에서는 2.5μm 이하의 입자를 초미세먼지라 통칭함  

미세먼지는 화석 에너지 소비에 따라 발생원의 수가 지속적으로 증가하고 있다.  대기 중의 미세먼지를 제거할 수 있는 필터 개발에 대한 연구가 활발히 진행되어왔으나 기존 미세먼지 필터를 구성하는 섬유 자체의 굵기가 굵고, 기공 크기가 커 초미세먼지를 걸러내는 데 한계가 있었다. 또한, 대부분 일회용으로 제조되고 있으며, 주원료가 플라스틱 섬유이어서 또 다른 환경오염 문제를 야기하는 문제가 있었다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원을 받아 2017년부터 우주 승강기용 극한환경소재 개발을 목표로 KIST 개방형 연구 프로그램(Open Research Program) 4U** 복합소재 프로젝트(단장: KIST 전북분원 홍재민 분원장, 포항공대 이건홍 교수)를 수행해 왔다.
**4U 개념 : 우주 환경용 4가지 극한 물성 - 초경량, 초고강도, 초고전기전도도, 초고열전도도 (Ultra-light, Ultra-strong, Ultra-high electrical conductivity, Ultra-high thermal conductivity) 

최근 KIST 연구진은 4U 프로젝트의 핵심 소재 중 하나인 질화붕소 나노튜브(boron nitride nanotube, BNNT)를 이용하여 재활용이 가능한 첨단 세라믹 필터 제조기술을 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다. 미세먼지를 포함한 일반적인 유기 미립자들은 350℃ 이상으로 가열하면 연소되어 이산화탄소와 물로 분해된다. 연구진은 초고온(레이저, 플라즈마)에서 성장되어 900℃까지 타지 않는 고품질의 질화붕소 나노튜브로 필터를 제조하여 기공에 걸린 미립자를 태워서 제거하고 필터를 재활용하는 것이 가능한 기술을 개발했다. 

개발된 필터는 매우 얇은 막의 형태로 제조가 가능하여 커피콩 1개 무게(약 100mg) 의 소량 나노튜브만으로도 명함 크기의 필터 제조가 가능하며, 초미세입자를 99.9% 이상 제거할 수 있다. 또한, 미세입자를 제거하는데 가장 중요한 요소인 기공의 크기를 손쉽게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 미립자에 의해 막힌 필터를 태워서 재생하는 반복 공정 후에도 우수한 입자의 제거 효율이 유지된다. 이는 대형 (초)미세먼지 발생원 등 대량 입자 제거 설비에 활용되어 필터 교체 비용 등을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.  

KIST 장세규 박사는 “본 필터는 미세입자의 제거뿐만 아니라 바이러스 정제, 수처리, 식품 등 대량 정제 공정 등에 적용할 수 있다.”라고 말하여, “질화붕소 나노튜브는 방열 및 방사선의 차폐 소재로도 응용 가능성이 높아 우주항공, 전자, 자동차, 원자력 등 고부가 가치가 높은 대형시장에 광범위하게 적용할 수 있다”라고 밝혔다. 

또한, KIST 4U 프로젝트를 이끌고 있는 홍재민 분원장은 “미국 NASA가 극한 우주환경 소재를 개발하는 과정에서 약 2,000 여건의 기술파급효과를 통해 실생활에 이용되는 기술을 개발한 것처럼, 이번 극한 소재개발 프로젝트는 기존 소재의 한계를 극복하는 신소재 개발과 실용화를 통해 국민 삶의 질을 높이는데 중요한 의미를 지닌다.”라고 말했다.  
 
이번 연구는 KIST의 주도하에 한국과학기술원(생명화학공학과 김범준, 김지한 교수)의 공동연구로 이루어졌으며, 연구결과는 국제학술지인 ‘Journal of Membrane Science’(IF : 6.035, JCR 분야 상위 4.070%) 최신호(4월 1일,Volume 551)에 게재되었다.  

 * (논문명) ‘High-Performance, Recyclable Ultrafiltration Membranes from P4VP-Assisted Dispersion of Flame-Resistive Boron Nitride Nanotubes’ 
 - (제1저자) 한국과학기술연구원 임홍진 연구원
 - (교신저자) 한국과학기술연구원 장세규 박사, 한국과학기술원 김범준, 김지한 교수


<그림설명>

1.JPG

<그림 1> 
질화붕소 나노튜브(BNNT) 필터의 재생을 보여주는 모식도, 기공을 막은 초미세입자를 고온의 열을 이용해 선택적으로 태워서 필터를 재사용할 수 있는 과정을 보여줌


2.JPG

<그림 2> 
BNNT 활용 분리막을 이용한 초미세먼지 포집 및 재생 공정의 모식도. 분리막을 이용해 대기 중 초미세먼지를 포집한 후 섭씨 400도로 가열하여 포집된 미세먼지를 태워 재생함으로 반영구적으로 사용할 수 있음

3.jpg

 <그림 3> 
BNNT 용액으로부터 제조된 필터 표면의 주사전자현미경 사진
(좌) 분산제를 활용한 고분산 BNNT 용액으로 제조된 필터, BNNT가 분산제에 의해 잘 풀어져 치밀한 구조의 미세기공이 형성됨
(우) 분산제를 사용하지 않은 저분산 BNNT 용액으로 제조된 필터, BNNT가 잘 풀어지지 않아 엉성하고 큰 기공이 형성됨 


4.JPG

<그림 4> 
유기 미립자를 정제한 후 태워서 필터를 재생하는 공정에 따른 미립자 제거율 변화를 보여주는 그래프, 10회의 정제 및 재생 공정에도 우수한 제거율이 유지됨

5.JPG

<그림 5> 
BNNT 필터를 이용하여 대기 중으로부터 걸러낸 초미세먼지 및 필터의 재활용성을 보여주는 주사전자현미경 사진
(좌) 대기 중의 미세먼지를 BNNT 필터로 걸러낸 후 촬영한 주사전자현미경 사진, 수십~수백 나노미터 수준의 미세먼지가 걸러짐 
(우) 포집한 미세먼지를 450℃로 태운 후 촬영한 주사전자현미경 사진, 유기탄화물로 이루어진 대부분의 미세먼지가 타서 제거됨을 확인하였으며 재생 가능


 
 
자료관리 담당
홍보팀 김남균
연락처
02-958-6170
e-mail
neoryan@kist.re.kr 이메일
페이지 만족도 조사

* 열람하신 정보에 대해 만족하십니까?