▲ 아민 조절제에 의해 구조 결함 제어된 AZIF8 입자의 모식도(1), 주사전자현미경 사진(2), 그리고 기공 제한 직경 (Pore Limiting Diameter, PLD) 분포도(3). / 아민 조절제에 의해 구조 결함 제어된 AZIF8 나노입자는 약 60 ㎚의 균일한 크기를 나타내며 분자동역학 시뮬레이션 결과 기존 ZIF-8에 비해 더욱 작고 좁은 크기 분포의 기공 구조를 갖고 있음을 증명하였다. (그림설명 및 그림제공 : 서강대학교 이종석 부교수)  © 특허뉴스

머리카락 두께 500만분의 1(~0.02nm)에 해당하는 아주 미세한 차이의 기체 분자를 구별하는 분리막이 개발됐다. 내부에 초미세 기공을 가진 나노입자가 체(sieve)가 되어 선택적으로 기체 분자를 통과시키거나 차단하는 원리다.

한국연구재단은 서강대학교 이종석 교수 연구팀이 프로필렌(C3H6)과 프로판(C3H8) 기체 분자를 서로 분리할 수 있는 다공성 금속-유기 골격체 기반 분리막을 개발했다고 7일 밝혔다.

금속-유기 골격체는 금속 이온과 유기리간드 간의 배위결합으로 이루어진 다공성 물질로 대표적으로 ZIF-8(zeolitic imidazolate framework-8)을 이번 연구에서 이용했다. 표면적이 넓고 세공 부피가 큰데다 다양한 기능성 구조를 첨가할 수 있어 흡착제 등에 널리 활용된다.

크기와 끓는점이 매우 비슷한 프로필렌과 프로판을 분리하기 위해 기존에는 많은 에너지가 소모되는 고압의 액화증류공정이 이용됐다.

증류공정 대신 분리막을 이용하면 10배 가량 에너지를 절감할 수 있지만 기존 금속-유기 골격체 기반 분리막은 입자들의 뭉침현상으로 제조가 쉽지 않은데다, 0.01~0.02nm 수준의 기공 크기를 조절하는 것은 매우 도전적이다.

연구팀은 아민 조절제를 이용해 금속-유기 골격체로 된 결정성 나노입자의 초미세 기공의 크기를 손쉽고 정밀하게 제어하는 신규 합성법을 개발했다.

아민 조절제는 염기성 특성을 지녀 금속 이온과 유기리간드의 배위 결합을 촉진시키는 기능을 갖는 물질로 ZIF 나노입자 합성 등에 쓰이고 있다.

이를 통해 투과도와 선택도가 높은, 즉 작은 프로필렌은 잘 통과시키면서 조금 더 큰 프로판은 통과시키지 않는 최고 수준의 분리성능을 지닌 분리막을 얻는데 성공했다.

아연과 결합한 아민 조절제가 전자분포의 치우침으로 인한 척력을 유도, 나노입자간 뭉침은 막고 고분자와의 친밀성은 높인 결과다.

균일한 크기(60nm)로 합성된 ZIF-8 입자가 골격체를 탄탄하게 해 체거름 기능을 높일 수 있었다. 특히 상용 고분자 내 고농도 입자함량(>40 wt%)에서도 우수한 분산성 및 친밀성을 나타내었다.

연구팀은 에틸렌과 에탄, 이산화탄소와 일산화탄소, 이산화탄소와 메탄 등 다양한 기체의 분리에도 이 분리막 제조법이 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

특히 플라스틱과 합성섬유의 원료로 산업의 쌀이라고 불리는 에틸렌 역시 에탄으로부터 분리하여 얻는데 이 둘 크기 차이 역시 프로필렌과 프로판의 차이와 비슷한 수준이라는 설명이다.

한편 연구팀은 분리막을 다공성 지지체에 코팅, 분리막을 대면적화하는 연구를 지속할 계획이다.

이번 연구의 성과는 재료물리 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 8월 26일 게재되었다.