0.1 나노미터를 구분할 수 있는 제올라이트 분자분리막 세계 최초 개발

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등록 2011-12-16 11:09:00

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사이언스지 12월호에 게재

<자료문의> ☎ 원천연구과 오대현 과장, 정건영 사무관(02-2100-6834)

☎ 서강대학교 화학과·인공광합성연구센터 윤경병 교수(02-715-2569)

□ 크기가 0.1 나노미터(천만분의 1 밀리미터)만큼 차이가 나는 분자들을 분리할 수 있는 완벽한 제올라이트 분자분리막 제조법을 세계 최초로 개발하여 세계 최고 권위의 과학전문 학술지인 사이언스지 2011년 12월호에 게재 하였다.

○ 이는 교육과학기술부(장관 이주호)가 지원하는 기후변화대응 기술개발사업 일환으로 서강대 내에 설립된 인공광합성연구센터(센터장 윤경병)의 연구팀(윤경병, 김현성 교수, 팜퉁 연구원)의 지난 2년간의 연구를 통해 얻어낸 것이다.

□ 이번에 개발된 제조법은 지난 30년간 구현할 수 없었던 완벽한 제올라이트 분자분리막을 재현성 있게 제조할 수 있고, 제조방법이 간단하고, 친환경적이라는 점과 동시에 경제적이라는 점, 그리고 제올라이트 분자분리막을 이용한 저비용 저에너지 혼합물 분리공정이 기존의 화학 산업에서 사용되어온 고비용 고에너지 분리공정을 대체할 수 있는 길을 열게 되었다는 점에서 혁신적인 新녹색 기술로 평가된다.

○ 본 성과의 핵심기술은 제조된 제올라이트 분자분리막 내에 존재하는 무수한 수의 미세 나노파이프들이 1,000～10,000 나노미터 두께를 갖는 분자분리막의 상부부터 하부까지 수직으로 정렬되게 하되 이들 나노파이프들의 중간이 막히거나 끊어지지 않고 550도 이상의 고온 열처리 과정에서도 전혀 손상을 입지 않게 하며 나노파이프들의 직경보다 수십-수백 배 더 큰 기공들이 분자분리막 내에 생기지 않게 하는데 있다.

□ 본 성과의 또 다른 특징은 제조 방법의 재현성이 100%이며 분자분리막 제조에 사용된 원료의 100%가 모두 제올라이트 분자분리막을 제조하는데 사용되어 버리는 시약이 전혀 없다는데 있으며 기존의 혼합물 분리공정 및 기존 제올라이트 분자분리막 제조방법의 문제점, 새로 개발된 방법의 적용 예는 아래와 같다.

(1) 일반적으로 화학반응을 일으키면 원하는 생성물(분자)뿐만 아니라 원치 않는 다양한 부산물(분자)들이 동시에 생성되는데 이들 중 원하는 생성물(분자)만을 추출하기 위해 많은 시간과 에너지가 소모된다. 따라서, 얻어진 분자 혼합물로부터 원하는 분자만을 저렴하고 신속하게 추출하는 기술은 화학 및 관련 산업의 경제성과 친환경성을 좌우하는 매우 중요한 미래 핵심기술이다.

(2) 종래에 사용되어 온 분자 분리방법들은 많은 에너지와 시간을 소모하기 때문에 이러한 단점을 개선한 경제적 친환경적 새로운 분자분리 방법으로서 분자들을 크기에 따라 분리하는 방법을 개발하고자 수많은 화학자들이 노력하여 왔다. 이는 마치 콩가루를 ‘체’로 쳐서 아직 갈리

지 않은 굵은 콩가루를 분리해 내듯이 분자들을 크기에 의거해 분리하는 방법이다.

(3) 문제는 “1 나노미터 크기 전후의 매우 작은 분자들을 분리할 수 있는 분자전용 ‘체’가 있는가?"에 있으며, 화학자들은 분자크기의 나노파이프를 가지고 있는 제올라이트를 이용하여 분자들을 크기에 따라 거를 수 있는 ‘분자체’를 만들고자 많은 노력을 기울여왔다.

(4) 그러나 지난 30년간의 끊임없는 노력에도 불구하고 기존에 사용되어온 방법으로 제올라이트 분자분리막을 제조할 경우 생성된 나노파이프들이 수직으로 배열되지 않거나, 막히거나 끊어져 분자분리막으로서의 기능을 제대로 수행 할 수 없었다.

(5) 실례로 윤 교수 연구진은 이번에 개발한 방법으로 제조한 제올라이트 분자분리막을 사용하여 0.1 나노미터만큼 크기가 다른 두 분자를 99.99%의 이상의 순도로 분리할 수 있다.

(6) 이 기술은 공기 분자들로부터 이산화탄소만을 선택적으로 통과하는 초정밀 제올라이트 분자분리막을 개발하는 데에도 사용된다.

(7) 또한 윤 교수 연구진은 제조된 제올라이트 분리막의 나노파이프 속에 쌍극자형 분자들을 특정한 방향으로 삽입시켜 광컴퓨터, 광통신, 군사 및 의료진단 장비에 활발히 사용되는 고효율 첨단 광학 소재를 제조하는 데에도 사용됨을 보였다.

□ 지난 2년간 교과부 기후변화대응기술개발사업의 일환으로 서강대에 설립된 인공광합성연구센터를 이끌어온 윤경병 센터장은 “교과부의 장기적이고 안정적인 지원이 있었기에 이 기술을 개발할 수 있었다”며 “이러한 지원을 통해 앞으로도 많은 연구자들이 연구에 몰입할 수 있는 여건이 마련되기를 희망한다.“고 말했다.

□ 교육과학기술부는 앞으로도 전지구적 문제인 기후변화의 대응과 저탄소 녹색성장을 통한 국가 경쟁력 제고를 위해 전략적 기술개발을 지속 지원할 계획이다.

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