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Research

바다를 통해 인간을 위협하는‘물 속 미세플라스틱’, 환경오염 없이 제거하는 친환경 필터 세계 최초 개발

  • 조회. 293
  • 등록일. 2022.07.06
  • 작성자. 대외협력팀

- DGIST·한국생산기술연구원 공동연구팀, 마찰대전 발전소자를 통해 물 속 미세플라스틱을 제거하는 기술 최초 개발

- 큰 환경 문제로 대두되는 미세플라스틱을 비롯한 물 속 다양한 미세 독성 입자 문제 해결 기대

 

 DGIST(총장 국양) 에너지공학과 이주혁 교수 연구팀은 한국생산기술연구원(원장 이낙규) 조한철 박사 연구팀과의 공동연구로 물속에 존재하는 마이크로~나노 크기의 미세플라스틱 제거가 가능한 친환경 미세플라스틱 제거 기술을 개발했다고 6()밝혔다.

 미세플라스틱은 아주 작은 크기(통상적으로 5mm 미만)의 플라스틱으로, 체내에 축적되어 생체 기능을 교란하는 등 인체에 위협 요인으로 작용한다. 이같은 미세플라스틱은 주로 해양으로 유입되어 해양생물계의 내분비계 교란을 통해 최상위 포식자인 인류에게까지 영향을 미치는데, 이를 최소화하기 위해 미세플라스틱을 걸러내는 기술이 요구된다.

 그러나, 미세플라스틱은 작은 크기로 인해 필터를 사용해 물속에서 분리하거나 처리하는데 어려움이 있다. 특히, 마이크론 미만 크기인 나노 입자의 경우 물리적인 방법의 필터를 통해 제거 하는 것은 필터 막힘 및 필터 자체의 환경오염 등 극복하기 어려운 문제들이 있다. 따라서 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로우며 친환경적인 방법이 필요하다.

 이에 이주혁 교수 연구팀은 한국생산기술연구원 조한철 박사팀과 공동연구를 통해 물속의 미세입자를 제거하는 친환경 발전소자를 세계 최초로 개발했다. 이주혁 교수 연구팀의 마찰대전 에너지 발전소자(Triboelectric nagogenerator, 이하 TENG)와 조한철 박사팀의 전기영동법을 통한 입자제거 기술의 합작이다.

 TENG는 물리 에너지를 통해 전기 에너지를 발생시키기 때문에 친환경적인 미세플라스틱 필터 제작이 가능하다. 또한, 마찰대전 에너지의 높은 전압 특성을 활용하기 때문에 특별한 외부 전원이 필요하지 않아 장소에 구애받지 않고 운용이 가능한 장점도 있다. 이번 연구를 통해 새롭게 개발된 다공성 미세구조 기반 TENG는 기존 TENG보다 3배 이상의 높은 출력을 나타냈다. 이를 활용한 결과, 마이크로사이즈의 미세플라스틱 입자제거율은 기존 TENG의 입자 제거율인 3.8%보다 약 5.6배 높은 21.4%를 달성했다. 더불어 본 기술은 마이크로 단위의 미세플라스틱 뿐만 아니라 나노사이즈의 산화아연, 이산화규소 등 다양한 미세 독성 입자들도 제거가 가능함이 확인됐다.

 한편, 이번 연구는 대구경북과학기술원 이주혁 교수 연구팀, 한국생산기술연구원 조한철 박사 연구팀 및 성균관대학교 김상우 교수팀이 공동으로 진행했으며 에너지공학분야의 저명 국제 학술지 중의 하나인 ‘Nano Energy’611일 온라인으로 출판되었고, 학술지에는 9월 중 게재될 예정이다. 또한, 해당 논문은 DGIST 에너지공학과 이철재 석박통합과정생과 한국생산기술연구원(부산대학교 기계공학부) 박병건 박사과정생이 1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

 

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연구결과개요

Toxic micro/nano particles removal in water via triboelectric nanogenerator

(박병건, 이철재, 김영준, 박진영, 김혁, 정영, 고종수, 김상우*, 이주혁*, 조한철*)

(Nano energy, on-line published on 06.11, 2022)

 

플라스틱 사용량이 매년 증가하고 있는 현대 사회에서 최근 환경과 생물에 영향을 미친다고 알려진 미세 플라스틱에 대한 우려도 증가하고 있다. 이들은 거의 생분해되지 않으며 작은 크기로 인해 기존의 불순물들을 분리하던 필터로도 분리하는데 어려움이 존재한다. 해당 문제를 해결하기 위해 마찰대전 발전소자(Triboelectric nanogenerator, TENG)에서 발전되는 고전압, 저전류의 출력으로 전기영동법을 실시하여 미세플라스틱을 제거하는 새로운 미세입자 제거 기술을 개발하였다. 마찰대전 발전소자의 출력 최적화를 위해 다공성 피라미드 미세구조를 개발하였으며 미세구조가 적용된 마찰대전 발전소자의 출력은 평범한 평면 구조의 마찰대전 발전소자의 출력의 3배 이상을 보여주었으며 10000번의 작동 동안 출력의 감소 없이 안정하게 작동되었다. 또한 다공성 구멍 크기에 따른 출력도 연구되었으며 작은 구멍이 전체적으로 큰 표면적을 만들어 향상된 출력을 가짐을 확인하였다. 마찰대전 발전소자의 출력으로 물속에서 전기영동법을 실시해 미세플라스틱인 폴리스티렌 미세입자를 제거한 결과 다공성 미세구조 기반 마찰대전 발전소자의 입자 제거율은 21.4%로 평면 기반 마찰대전 발전소자의 제거율인 3.8% 보다 약 5.6배 높은 제거율을 달성하였다. 더하여 본 기술을 통해 제거될 수 있는 입자 종류의 연구를 통해 마이크로 단위의 미세플라스틱뿐만 아니라 나노 단위의 ZnO, SiO2, CdSe/CdZnS 등의 플라스틱이 아닌 다양한 미세 독성 입자들도 제거가 가능함을 확인하였다. 상기의 실험 결과들을 미루어 보았을 때, 마찰대전 발전소자 기반 미세입자 제거 기술을 통해 친환경적인 물속 미세입자 제거 기술의 상용화에 한발 더 다가갈 수 있다고 생각된다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

최근 물속에 있는 유독성 미세 입자(미세플라스틱 등)가 환경적 문제로 대두되고 있음. 이런 미세 입자들은 작은 크기로 인해 필터로 거르기 힘들어 제거하기가 힘들었음. 이번 연구에서는 본 연구팀은 마찰대전발전소자를 통해 물속에서 전기영동법을 실시하여 마이크로~나노 크기의 미세 입자들의 제거가 가능한 기술을 개발하였음.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

물속에 있는 마이크로~나노 단위의 매우 작은 독성 입자들을 수집하여 제거하는데 사용 가능함

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

해당 연구의 실용화를 위해서는 지속적인 물리적 에너지를 공급할 수 있는 에너지원이 필요하고, 금속판에 수집된 미세 입자들을 한곳에 모아 재처리 추가적인 기술 개발이 필요할 것으로 생각됨.

Q. 연구를 시작한 계기는?

해당 연구의 실용화를 위해서는 지속적인 물리적 에너지를 공급할 수 있는 에너지원이 필요하고, 금속판에 수집된 미세 입자들을 한곳에 모아 재처리 추가적인 기술 개발이 필요할 것으로 생각됨.

Q. 어떤 의미가 있는가?

마찰대전발전소자의 출력 특성은 고전압, 저전류의 특성을 가져 소형 전자기기에 사용되기엔 한계점이 있어 사용처가 제한되어 있었음. 이번에 개발된 전기영동법을 통한 미세플라스틱 제거 기술은 전기영동법의 출력을 위해 높은 전압이 필요한 동시에 물속 생물들의 환경과 안전성을 보존하기 위해 낮은 전류가 필요하였음. 따라서 본 연구실이 개발한 고전압 저전류의 TENG 기술을 통해 물속 미세플라스틱을 충분히 제거할 수 있는 친환경적이고 안전한 기술을 개발하였다는 의미가 있음.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

부가적인 전원이 필요없는 자가발전 마찰대전발전소자를 이용해 물속의 환경 문제를 해결할 수 있는 친환경적인 미세 입자 처리를 상용화 할 수 있는 수준의 연구를 진행하고자 함.
 

 

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그림설명

[그림 1] 다공성 피라미드 구조 마찰대전발전소자를 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 플라스틱 뿐만 아니라 CdZnS, ZnO, SiO2 등의 다양한 나노/마이크로 유해물질 제거가 가능하다. (c) 제거된 미세입자의 패턴을 이용하여 구현한 형광 이미지

 

 

 

 

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