재료硏, 세라믹 분리막 표면 초평탄 제조기술 개발 성공

나노재료연구본부 이홍주·송인혁 박사 연구팀 고부가가치 세라믹 분리막 시장 원천기술 확보

[창원=뉴시스]세라믹 분리막의 표면 초평탄 제조공정 기술과 낮은 압력에서도 오염물질을 정밀하게 걸러내는 분리막 소재 기술을 개발 한국재료연구원 나노재료연구본부 이홍주(왼쪽) 선임연구원과 송인혁 책임연구원.(사진=한국재료연구원 제공) 2026.02.03. photo@newsis.com

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 나노재료연구본부 이홍주·송인혁 박사 연구팀이 세라믹 분리막의 표면을 나노 단위에서 매끄럽게 제어하는(초평탄) 제조공정 기술과 낮은 압력에서도 오염물질을 정밀하게 걸러내는 분리막 소재 기술 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.

두 기술의 특징은 에너지 소모가 크고 공정이 복잡했던 기존 수처리 분리막의 한계를 개선했다는 점이다.

'세라믹 분리막'은 화학적·열적 안정성이 뛰어나 산업 폐수 처리, 해수 담수화, 반도체 공정용 초순수 제조 등 극한 환경의 수처리에 필수적인 소재다.

분리막 성능은 거름망 역할을 하는 기공 크기를 얼마나 정밀하게 잘 제어하는지와 이를 지탱하는 지지체 표면이 얼마나 매끄럽게 형성되는지에 따라 결정된다.

기존의 제조 방식은 지지체 위에 여러 분리막층을 반복해서 코팅한 후 고온에서 소결하는 복잡한 공정까지 거쳐야 하기 때문에 에너지 소모가 컸고, 이 과정에서 발생하는 표면의 거칠기로 인해 상부의 분리층에서 미세 균열이 생겨 성능 저하로 이어지는 문제가 빈번했다.

아울러 나노여과 분리막은 고압(10bar)에서만 작동해 운영 비용이 높은 단점으로 인해 산업 현장 적용에 제약이 있었다.

이홍주·송인혁 박사 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 서로 다른 층의 입자를 섞어 결합력을 높이는 '상호 도핑(Mutual Doping)' 기술과 모든 층을 한 번에 굽는 '동시 소결(Co-sintering)' 기술을 새롭게 개발했다.

이들 기술을 통해 기존의 1300도에 달하던 소결 온도를 1000도 수준으로 낮추면서도 입자 간 소결성을 높여 낮은 온도에서도 단단하고 견고한 세라믹 구조를 구현하는데 성공했다.

특히 표면 거칠기를 기존 24.49㎚ 대비 절반 이하인 11.74㎚로 낮추는 등 기존의 다단계 공정으로는 달성하기 어려웠던 수준의 초평탄(Rq 11.74㎚) 표면을 구현해 분리막 균열 발생을 근본적으로 억제하는 제조공정을 완성했다.

연구팀은 또, 낮은 압력에서도 높은 분리 성능을 구현할 수 있는 '지르코니아(ZrO2) 기반 루즈 나노여과막' 소재 기술을 함께 확보했다.

상호 도핑 공정으로 형성된 매끄러운 기판 위에 자체 개발한 친환경 수계 지르코니아(ZrO2) 졸(Sol)을 코팅해 미세 기공에 의한 체거름 효과와 정전기적 반발력이 동시에 작용하는 분리막을 구현한 것이다.

이 분리막은 수돗물 수준의 낮은 압력(2bar)에서도 염색 폐수 속 염료를 99.8% 이상 제거하면서 소금 (이온) 성분은 선택적으로 통과시키는 것이 특징이다.

[창원=뉴시스]한국재료연구원 나노재료연구본부 이홍주·송인혁 박사 연구팀이 개발한 ‘초평탄·무결점’ 나노 여과막 제조 기술을 적용한 세라믹 분리막 구조(오른쪽)와 기존 방식의 세라믹 분리막 구조 비교.(자료=한국재료연구원 제공)2026.02.03. photo@newsis.com

본 기술은 기존 상용 분리막의 한계였던 이온과 염료의 분리 난제를 해결해 수처리의 패러다임을 단순 오염 제거에서 자원 회수로까지 확장했다.

특히 세라믹의 뛰어난 화학적 안정성과 우수한 유량 회복 특성을 통해 분리막의 수명과 경제성을 함께 향상시켰다.

이번 연구 성과는 소재 기술과 제조공정 기술을 결합해 미세 기공과 공정 결함을 동시에 제어하는 차세대 수처리 통합 솔루션을 완성했다는 점에서 의미가 있다.

공정의 단순화와 저압 구동이라는 두 가지 난제를 동시에 해결해 경제성과 성능을 모두 고려한 자원 순환형 친환경 수처리 기술을 구현했다고 볼 수 있다.

특히 무결점에 가까운 표면 제어와 높은 에너지 효율 달성은 기존의 수처리 분리막 기술의 한계를 넘어선 새로운 접근으로 평가된다.

개발된 기술은 섬유 산업의 염색 폐수 처리, 반도체 공정의 초순수 제조 등 고도의 정밀 정수가 요구되는 분야에 폭넓게 활용할 수 있으며, 고효율 구동으로 대형 수처리 플랜트의 에너지 비용과 탄소 배출을 획기적으로 줄이는 것 또한 가능하다.

특히 그동안 해외 선진국이 주도해 온 고부가가치 세라믹 분리막 시장에서 원천 기술을 확보함으로서 수입 의존도를 완화하고 글로벌 환경 규제에 대응하는 기술로의 활용 확대도 기대된다.

연구책임자인 KIMS 이홍주 선임연구원은 "저압 구동형 소재 기술과 이를 결함 없이 구현할 수 있는 제조공정 기술을 동시에 확보했다는 점에서 큰 의미가 있다"면서 "전량 수입에 의존하던 고부가가치 세라믹 분리막의 국산화를 넘어 향후 글로벌 시장을 선도하는 기술로 발전할 수 있도록 지속해서 노력하겠다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단 '나노 및 소재기술개발사업'과 산업통상부 산하 한국산업기술기획평가원 '소재부품기술개발사업' 지원으로 수행됐다.