물 속 미세 플라스틱 제거하는 친환경 필터 개발

KITECH의 전기영동법 기술과 DGIST의 TENG 기술의 합작

고전압 저전류의 특성으로 해양생태계의 안전과 환경을 보존

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 미세 플라스틱이란 지름 5mm 미만의 플라스틱 입자로 크게 처음부터 작게 설계된 1차 미세 플라스틱과 잘게 쪼개진 2차 미세 플라스틱으로 나뉜다. 두 미세 플라스틱은 거의 생분해가 되지 않아 해양 생태계에 큰 피해를 미치고 있다. 먹이 사슬의 관계로 최상위 포식자인 사람 또한 미세 플라스틱이 인체 내에 축적되기 때문에 미세 플라스틱에 대한 대책이 시급하다. 

기존에 불순물을 거르던 필터는 나노미터의 초미세 플라스틱을 걸러내기에는 큰 어려움이 있었다. 초미세 플라스틱이 기존 필터를 아예 막힐 수 있으며 몇몇 필터는 석탄과 석유를 소재로 만들어져 환경오염을 유발할 수 있다.

이러한 문제점들을 해결하고자 2022년 7월 6일, 한국 생산기술원(KITECH)과 대구경북과학기술원(DGIST) 공동 연구팀이 물속에 존재하는 나노 크기의 미세 플라스틱을 제거하는 친환경 필터를 개발했다고 발표했다. 이 연구는 에너지공학 분야 국제학술지 ‘나노에너지’에 6월 11일 자로 게재되었다. 

미세입자를 제거하는 기술로 전기영동법을 사용했다. 전기영동법은 전기적 성질을 활용해 유기물질을 분리하는 기법으로 물속에 강한 전기장을 발생시키면 미세 입자들이 전극 쪽으로 이동해 분리된다. 높은 전압일수록 효율성을 높일 수 있기에 이에 접합한 기술이 고접압 저전류의 출력이 가능한 마찰대전 발전소자이다. 

‘마찰대전 발전소자(Triboelectric nagogenerator, TENG)’는 서로 다른 물체를 마찰시켜 물체 표면이 양전하와 음전하로 대전되는 마찰대전을 이용해 발전한다. 물리 에너지에서 전기 에너지로 전환하기 때문에 친환경적이며 저전류의 특성 때문에 해양 생태계에 피해를 주지 않으면서 미세입자 제거가 가능하다. 

마찰대전 발전소자로 고전압을 출력해 물속 기판에 가하면 양전하와 음전하를 띠는 기판으로 나눠지는데, 전하를 띠는 미세입자들이 금속판으로 붙게 되면서 입자들을 걸러내는 것이다.

DGIST 연구진은 마찰대전 발전소자의 전압을 한층 더 발전시키고자 3차원 다공성 피라미드 미세구조를 개발했다. ‘2cm x 2cm’ 기준 평면 구조의 출력량은 8V인 반면 3차원 다공성 구조는 25V로 3배 이상이다. 3차원 다공성 구조를 사용한 결과 마이크로 사이즈의 미세 플라스틱 입자제거율은 기존 발전소자의 입자 제거율인 3.8%보다 약 5.6배 높은 21.4%를 달성했으며 미세 플라스틱 외에 나노 크기의 산화아연, 이산화규소, 카드뮴 화합물 등 다양한 미세 독성 입자들도 제거가 가능하다. 

미세 입자 제거 기술을 상용화하기 위해 마찰대전 발전소자에 지속적으로 물리 에너지를 공급하는 에너지원이 필요하다. 연구진은 부가적인 전원이 필요 없는 자가발전 마찰대전발전소자가 환경문제를 해결하는 수준에 도달하는 것이 목표라고 밝혔다. 또한 금속판에 모인 미세입자들은 한 곳에 모아 재처리하는 추가적인 기술이 필요하다는 전망이다.