조계용 부경대 교수팀, MOF 기반 고성능 복합막 개발

Kaiyun Zhang 석사과정, 조계용 교수, 최경민 석사과정, 배지우 석사과정, 권영제 박사과정.(왼쪽 위부터 시계방향)/사진제공=부경대

국립부경대학교는 최근 조계용 공업화학전공 교수 연구팀이 금속 유기 골격체(MOF)를 기반으로 한 고성능 복합막을 개발했다고 16일 밝혔다.

조 교수팀은 조 교수를 비롯해 권영제 박사과정, 배지우·최경민·Kaiyun Zhang 석사과정 등으로 구성됐다. 이들은 MOF 중 하나인 UiO-66 나노입자에 의도적으로 결함을 유도하고, 결함이 복합막 제조와 성능에 미치는 영향을 분석했다.

MOF 소재는 금속과 유기물이 합성돼 만들어진 다공성·결정성 입자다. 다양한 조합이 가능하고 높은 비표면적과 조정성, 균일한 기공크기 등의 성질을 지닌다. 하지만 이 소재는 고분자 소재와의 상용성이 좋지 않다. 입자 뭉침 등으로 막 안정성과 분리 성능이 크게 떨어지며, 복합막을 얇게 제조할 경우 분리 구동 조건에 따라 형태 안정성이 낮아진다.

조 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 반응조절제(modulator) 등 반응물 농도를 조절해 UiO-66 입자에 의도적으로 결함을 유도하는 합성법을 개발했다. 또 입자의 계면 특성을 쉽고 간단한 방법으로 제어하면서 고용량 합성에 유리한 반응 조건을 찾아 박막형 분리막에서도 안정적인 구동 성능을 보이는 복합막을 만들었다.

UiO-66 입자에 유도된 결함은 고분자와의 상호작용을 강화해 분산성의 문제를 최소화했다. 그 결과 분리 대상인 물과의 상호작용은 증가했고 분리 성능은 큰 폭으로 개선됐다. 기존 고분자의 투과증발분리지수(PSI)와 비교해 약 16배 향상된 것이다.

제1저자인 최경민 석사과정은 "MOF 소재의 결함을 의도적으로 조절·제어할 수 있다면 다양한 산업분야에서 활용할 수 있을 것"이라며 "앞으로도 신소재 개발과 활용, 상용화 연구에 더욱 매진하겠다"고 말했다.

한편 조 교수팀은 권혁택 부경대 화학공학전공 교수, 손민영 공업화학전공 교수, 여정구 한국에너지기술연구원 박사 연구팀 등과 함께 이번 연구를 수행했으며, 한국연구재단 우수 신진 연구 사업의 지원을 받았다.


연구결과는 'Thin selective layered mixed matrix membranes (MMMs) with defective UiO-66 induced interface engineering toward highly enhanced pervaporation performance'라는 제목으로 화학·공학 분야 국제학술지 '화학공학저널'(Chemical Engineering Journal, IF=15.1)에 게재됐다.

조계용 부경대 공업화학전공 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=부경대