성균관대 백정민 교수팀, 50㎚이하 나노플라스틱 99% 걸러내는 무전원 여과기술 세계 최초 개발

성균관대학교는 신소재공학부 백정민 교수 연구팀이 세계 최초로 재사용할 수 있는 전기동역학적 여과 시스템을 개발했다고 8일 밝혔다.

연구팀은 이 여과 시스템을 통해 산업현장에서 요구하는 수준의 빠른 유속에서도 50나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1m) 이하의 초미세 나노플라스틱을 99% 이상 걸러내는 데 성공했다.

최근 산업화와 팬데믹을 거치며 급증한 플라스틱 오염은 인류의 건강을 직접적으로 위협하고 있다. 100㎚ 이하의 나노플라스틱은 머리카락 굵기의 수천 분의 1쯤으로 작아 우리 몸의 생체막을 쉽게 통과하며, 면역장애나 내분비계 교란 등 심각한 질병을 유발할 수 있다는 우려가 적잖다. 하지만 기존 정수 시스템은 나노플라스틱을 효과적으로 제거하지 못한다. 생수 한 병에서도 수십만 개의 입자가 발견되는 등 기술적 한계가 지적돼 왔다.

백 교수 연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 미세한 구멍이 있는 금속 필터에 전기적 성질을 부여하는 방식을 도입했다. 연구팀은 마그네슘 옥사이드(MgO)와 특수 고분자 화합물을 코팅하고 전압을 걸어주어 물속에서 음의 전기를 띠는 나노플라스틱을 자석처럼 강력하게 끌어당기는 필터 기술을 구현했다. 물이 아주 빠르게 흐르는 환경에서도 50㎚ 크기의 나노플라스틱을 99% 이상 걸러내는 성과를 거뒀다.

특히 이번 연구는 외부의 배터리나 전원 공급 없이도 스스로 작동할 수 있다는 점이 큰 특징이다. 연구팀은 일상적인 움직임에서 발생하는 마찰 에너지를 전기로 바꾸는 '마찰대전 발전기'를 시스템에 결합해 에너지 자급자족을 실현했다. 또한 전기장의 방향을 반대로 조절하면 필터에 붙은 플라스틱 입자를 떼어낼 수 있어 20회 이상 필터를 재사용해도 성능이 유지되는 경제성까지 확보했다.

이 시스템은 수돗물이나 강물 등 다양한 수질 환경에서 일정한 성능을 유지했으며, 세계보건기구(WHO)의 음용수 기준에 맞는 수준의 정화 능력을 보였다.

백 교수는 "이번 연구는 나노플라스틱의 전기적 여과 원리를 수학적으로 명확히 규명했다는 점에서 학술적 의미가 크다"며 "앞으로 박테리아 제거, 유용한 금속 자원을 걸러내는 기술 등 다양한 수중 정화 분야에 활용될 수 있을 것"이라고 했다.

이번 연구 결과는 재료 과학 분야의 세계적 권위지 '머티리얼즈 투데이(Materials Today·현대 재료)'에 지난해 12월 18일 온라인 게재됐다. 성균관대 김도헌, 박지영 석사과정생이 공동 제1저자, 한국과학기술연구원(KIST) 홍석원 박사가 공동저자, 백정민 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

연구팀은 현재 관련 기술에 대한 국내 특허 출원을 마치고 상용화를 위한 후속 연구를 진행 중이다.

이번 연구는 미래개척융합과학기술개발사업과 과학기술정보통신부 개인기초연구사업의 지원으로 이뤄졌다.