	한국생산기술연구원 보 도 자 료
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물 속 미세플라스틱 제거하는 친환경 입자 제거기술 개발

마찰대전 소자 통해 물 속 미세플라스틱 제거 효과 5배 이상 높여

생기원·DGIST 공동연구팀 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.

[참고1] 자료사진 및 설명

참고1		자료사진 및 설명

[그림 1] 다공성 피라미드 구조 마찰대전 발전소자를 통해 미세플라스틱을 제거하는 과정의 모식도 및 고출력 Porous Pyramid 기반 마찰대전 발전소자

(그림설명)

(a) 다공성 피라미드 구조 기반 마찰대전 발전소자를 통해 발전된 고전압의 출력이 정류기를 통해 정류되어 물속 기판에 가해지면 +와 –를 띄는 기판으로 나누어진다. 물속에서 전하를 띄는 미세 입자들은 금속판으로 가 붙게 된다. (b) 다공성 피라미드 구조를 이용하여 마찰대전 발전소자를 개발하였으며 (c)다공성 피라미드 구조의 마찰대전 발전소자는 평평한 구조, 피라미드 구조 대비 고출력의 에너지를 발전한다.

[그림 2] 마찰대전 발전소자를 이용한 미세 유해 물질 제거 기능 구현

(그림설명)

(a) 기존 평평한 구조, 피라미드 구조의 마찰대전 에너지 발전소자 대비 다공성 피라미드 구조의 마찰대전 에너지 발전소자의 미세 유해물질 제거 효율이 높다. (b) 개발된 미세 유해물질 제거 시스템은 플라스틱뿐만 아니라 CdZnS, ZnO, SiO2 등의 다양한 나노/마이크로 유해물질 제거가 가능하다. (c) 제거된 미세입자의 패턴을 이용하여 구현한 형광 이미지

*  (좌측부터) 생기원 조한철 박사, DGIST 이주혁 교수

* (왼쪽부터) DGIST 에너지공학과 이주혁 교수, 이철재 석·박사통합과정생,

한국생산기술연구원 조한철 수석연구원, 박병건 박사과정생