초미세먼지, 재활용 가능한 첨단 세라믹 필터로 잡는다


 - 나노필터에 걸린 초미세입자를 고온의 열로 태워 재사용 가능한 필터 개발
 - 향후, 기존 일회용 필터를 대체할 재활용 가능한 첨단 세라믹 필터로 활용 기대

 

최근 미세먼지가 한국을 강타해 역대 최악의 공기상태를 보이고 있다. 미세먼지*는 주로 공장, 자동차, 가정 등에서 사용하는 화석연료를 태우면서 발생하는 유기 탄화물로 폐 기능 장애 등 인체 유해성이 큰 것으로 알려졌다.
*미세먼지 : 지름이 10μm(마이크로미터, 머리카락 굵기의 약 백분의 일) 이하인 입자, 특히 지름이 100nm(나노미터, 머리카락 굵기의 약 십 만분의 일) 이하인 입자는 초미세먼지로 분리되나 국내에서는 2.5μm 이하의 입자를 초미세먼지라 통칭함 

 

미세먼지는 화석 에너지 소비에 따라 발생원의 수가 지속적으로 증가하고 있다.  대기 중의 미세먼지를 제거할 수 있는 필터 개발에 대한 연구가 활발히 진행되어왔으나 기존 미세먼지 필터를 구성하는 섬유 자체의 굵기가 굵고, 기공 크기가 커 초미세먼지를 걸러내는 데 한계가 있었다. 또한, 대부분 일회용으로 제조되고 있으며, 주원료가 플라스틱 섬유이어서 또 다른 환경오염 문제를 야기하는 문제가 있었다.

 

장세규 박사

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원을 받아 2017년부터 우주 승강기용 극한환경소재 개발을 목표로 KIST 개방형 연구 프로그램(Open Research Program) 4U** 복합소재 프로젝트(단장: KIST 전북분원 홍재민 분원장, 포항공대 이건홍 교수)를 수행해 왔다.
**4U 개념 : 우주 환경용 4가지 극한 물성-초경량, 초고강도, 초고전기전도도, 초고열전도도(Ultra-light, Ultra-strong, Ultra-high electrical conductivity, Ultra-high thermal conductivity)

 

 

그림 1 BNNT 활용 분리막을 이용한 초미세먼지 포집 및 재생 공정의 모식도. 분리막을 이용해 대기 중 초미세먼지를 포집한 후 섭씨 400도로 가열하여 포집된 미세먼지를 태워 재생함으로 반영구적으로 사용할 수 있음

 

최근 KIST 연구진은 4U 프로젝트의 핵심 소재 중 하나인 질화붕소 나노튜브(boron nitride nanotube, BNNT)를 이용하여 재활용이 가능한 첨단 세라믹 필터 제조기술을 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다. 미세먼지를 포함한 일반적인 유기 미립자들은 350℃ 이상으로 가열하면 연소되어 이산화탄소와 물로 분해된다. 연구진은 초고온(레이저, 플라즈마)에서 성장되어 900℃까지 타지 않는 고품질의 질화붕소 나노튜브로 필터를 제조하여 기공에 걸린 미립자를 태워서 제거하고 필터를 재활용하는 것이 가능한 기술을 개발했다.

개발된 필터는 매우 얇은 막의 형태로 제조가 가능하여 커피콩 1개 무게(약 100mg) 의 소량 나노튜브만으로도 명함 크기의 필터 제조가 가능하며, 초미세입자를 99.9% 이상 제거할 수 있다. 또한, 미세입자를 제거하는데 가장 중요한 요소인 기공의 크기를 손쉽게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 미립자에 의해 막힌 필터를 태워서 재생하는 반복 공정 후에도 우수한 입자의 제거 효율이 유지된다. 이는 대형 (초)미세먼지 발생원 등 대량 입자 제거 설비에 활용되어 필터 교체 비용 등을 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 

그림 2 유기 미립자를 정제한 후 태워서 필터를 재생하는 공정에 따른 미립자 제거율 변화를 보여주는 그래프, 10회의 정제 및 재생 공정에도 우수한 제거율이 유지됨

 

그림 3 BNNT 용액으로부터 제조된 필터 표면의 주사전자현미경 사진 (좌) 분산제를 활용한 고분산 BNNT 용액으로 제조된 필터, BNNT가 분산제에 의해 잘 풀어져 치밀한 구조의 미세기공이 형성됨 (우) 분산제를 사용하지 않은 저분산 BNNT 용액으로 제조된 필터, BNNT가 잘 풀어지지 않아 엉성하고 큰 기공이 형성됨

KIST 장세규 박사는 “본 필터는 미세입자의 제거뿐만 아니라 바이러스 정제, 수처리, 식품 등 대량 정제 공정 등에 적용할 수 있다.”라고 말하여, “질화붕소 나노튜브는 방열 및 방사선의 차폐 소재로도 응용 가능성이 높아 우주항공, 전자, 자동차, 원자력 등 고부가 가치가 높은 대형시장에 광범위하게 적용할 수 있다”라고 밝혔다.

또한, KIST 4U 프로젝트를 이끌고 있는 홍재민 분원장은 “미국 NASA가 극한 우주환경 소재를 개발하는 과정에서 약 2,000 여건의 기술파급효과를 통해 실생활에 이용되는 기술을 개발한 것처럼, 이번 극한 소재개발 프로젝트는 기존 소재의 한계를 극복하는 신소재 개발과 실용화를 통해 국민 삶의 질을 높이는데 중요한 의미를 지닌다.”라고 말했다. 
 
이번 연구는 KIST의 주도하에 한국과학기술원(생명화학공학과 김범준, 김지한 교수)의 공동연구로 이루어졌으며, 연구결과는 국제학술지인 ‘Journal of Membrane Science’(IF : 6.035, JCR 분야 상위 4.070%) 최신호(4월 1일,Volume 551)에 게재되었다. 

 

(논문명) ‘High-Performance, Recyclable Ultrafiltration Membranes from P4VP-

            Assisted Dispersion of Flame-Resistive Boron Nitride Nanotubes’ 
            - (제1저자) 한국과학기술연구원 임홍진 연구원
            - (교신저자) 한국과학기술연구원 장세규 박사, 한국과학기술원 김범준,

                            김지한 교수

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[시론] 미세먼지 대책, 전문가 지혜 모아야

 

배귀남 박사

2002년 봄, 극심한 황사가 우리나라 전역을 뒤덮어 초등학교는 집단 휴교를 하고, 비행기 운항이 일부 중지되는 사태가 발생했다. 이후 정부는 '황사피해방지종합대책'을 만들어 시행해 왔지만, 10여년이 지난 최근까지도 미세먼지로 인해 가까운 건물이 보이지 않을 만큼 시야가 뿌옇게 되는 날들이 잦아지고 있다. 국민들이 미세먼지 공포에 시달리고, 대중매체에서는 연일 미세먼지를 기사로 다루기 위해 단편적이고 자극적인 뉴스를 생산하고 있다. 급기야 정부에서는 지난해 6월 3일 '미세먼지 특별대책'을 발표하기에 이르렀다.
   근래 중국을 중심으로 동북아시아에서 발생되는 고농도 미세먼지 오염현상은 런던형 스모그, 로스엔젤레스형 스모그에 이은 신형 스모그로 아직 그 정체가 뚜렷하게 밝혀지지 않았다. 스모그의 정체가 밝혀지기까지 많은 사람들이 영문도 모른 채 호흡기 질환 등에 시달리고, 심지어 사망에까지 이르는 경우도 발생했다. 지금은 런던형 스모그와 로스엔젤레스형 스모그에 대한 원인이 파악됐지만, 중국을 중심으로 빈번하게 발생하고 있는 신형 스모그의 정체는 우리가 밝혀내야 하는 현재 진행형의 문제다.

  우리 속담에 호랑이를 잡으려면 호랑이굴에 들어가야 한다는 말이 있다. 호랑이라는 말만 듣고 놀라 도망가듯이, 많은 사람들이 혹여 미세먼지라는 말에 지레 겁을 먹고 허둥대고 있는 것은 아닌지 생각해 볼 일이다. 대기오염을 한마디로 표현하면 미세먼지라고 할 수 있다. 미세먼지는 단순히 십 마이크론(micron, μ) 크기보다 작은 먼지라고 단정 지으면 안된다. 대기 중 온갖 오염물질들이 복잡한 과정을 거쳐 최종적으로 미세먼지가 된다고 할 수 있다. 미세먼지는 변장술이 매우 능해 섣불리 건들기 힘들다. 그동안 전문적이고 과학적인 지식이 부족한 상태에서 미세먼지를 잡기 위해 백방으로 노력했지만, 국민들이 보기에 미덥지 못한 결과만을 얻은 이유가 여기에 있다.

  미세먼지라는 호랑이를 잡기 위해서는 사냥꾼 역할인 전문가들이 앞장서야 한다. K-POP 등 한류 문화가 세계로 성공적으로 확산될 수 있었던 것은 영화, 노래, 드라마 등 다양한 분야의 문화예술인들이 발 벗고 나서서 전문가로서 실력을 유감없이 발휘하고 있기 때문이다. 미세먼지는 우리 주변 환경에 다양한 형태로 존재하고 건강, 산업, 기후변화, 생태계 등에 영향을 미치므로, 여러 분야의 전문가들이 지혜를 모아 미세먼지 대응전략을 모색해야 우리에게 승산이 있다. 섣불리 얕잡아보고 단편적으로 대응하다가는 큰 코를 다칠 수 있다. 

  다행히 정부에서는 작년 6월부터 각 분야의 전문가들로 연구기획위원회를 구성해 과학기술을 이용한 미세먼지 대응방안을 수립했다. 정부 차원의 종합적인 대응전략이 마련됐고, 국가전략프로젝트를 통해 이를 지원하게 됐다. 이제 전문가들이 모여 능력을 발휘해 사회적 책임을 다할 때다. 장기적인 비전을 갖고 국민에게 믿음과 희망을 줄 수 있도록 연구개발을 통해 국민, 기업, 정부가 필요로 하는 성과물을 제시해야 할 것이다. 또한 우리 모두가 다 함께 실천해야 할 역할도 알기 쉽게 제안해야 한다. 

  그동안 우리 정부와 기업은 세계 최고 수준의 배출가스 기준을 제시하고, 저감 기술을 통해 배출가스를 줄이고 있다고 자부해 왔다. 그러나 독일 폭스바겐의 '디젤 게이트'에서와 같이 실제 도로 주행 시 질소산화물 과다 배출 문제나, 2000년대 초반부터 조사된 미국 등에서 발생한 화력발전소의 응축성 미세먼지 문제 등을 고려해볼 때, 미세먼지의 국내 발생 및 외부 유입에 대한 과학적 근거를 토대로 민관협의체 운영에 의해 현행 미세먼지 배출원의 규제를 보다 합리적으로 강화하고 관리할 필요가 있다.

  미세먼지 관리에는 다양한 융복합 기술이 필요한데, KIST를 비롯한 정부출연연구소에서는 다행히 미세먼지의 생성 및 외부 유입을 규명할 수 있는 정밀 측정분석 기술, 방대한 관측자료 수집결과를 예보에 활용할 수 있는 빅 데이터 정보 분석 기술 등을 보유하고 있다. 또한, 산업단지 사업장의 배기가스 중 미세먼지를 생성하는 원인물질인 질소산화물을 낮은 온도에서도 효과적으로 분해할 수 있는 촉매기술을 개발해 제철소, 선박 배연가스 처리 분야에 이미 적용한 바 있으며, 추가적인 연구를 통해 국민적 관심이 큰 대형 화력발전소에도 적용할 수 있다. 이외에 기존 사업장의 협소한 공간에도 바로 적용할 수 있는 특수 미세먼지 집진(集塵) 기술도 확보하고 있다.

  정부출연연구소와 대학, 기업 등의 전문가들이 힘을 합쳐 우수한 기술에 대한 현장 실증을 거쳐 대형 사업장에 적용해 미세먼지 배출량을 저감시키고, 나아가 중국, 동남아 등 글로벌 시장 진출을 통해 침체된 환경기업의 새로운 활로를 개척하는데 기여할 때다.

  우리는 다양한 의견과 이해가 인정되는 매우 성숙한 시대에 살고 있다. 정부, 기업, 국민이 함께 토론과 공감을 통해 합리적 대안을 도출해야 하고, 이를 위해 전문가들의 조정 역할이 무엇보다 중요하다. 전문가들은 과학적 지식과 기술적 도구를 근거로 다양한 대안을 제시하고, 이에 대한 논의를 이끌어 가는데 사회적 책임을 다해야 할 것이다. 이것이 우리 사회가 미세먼지 전문가에게 기대하는 역할이 될 것이다.

 

[디지털타임스 기고 보기]

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[KTV 국민방송] <경제인사이드>

"과학기술로 미세먼지 잡는다."

 

KTV 국민방송에서 KIST 환경복지연구단 배귀남 단장님의 인터뷰가 있었습니다. 현대인의 호흡 등 건강을 위협하는 초미세먼지에 대한 대응책은 결국 과학기술일 수 밖에 없는데요 배귀남 단장님의 의견 함께 보시죠

 

[방송보기]


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전기협회, 화력발전 미세먼지 대책 논의의 장 마련…

'2016 KEPIC 환경기술 세미나' 개최

 

미세먼지 정말 지긋지긋합니다. 그렇지만 대책 마련도 쉽지가 않은데요. 전기 협회에서 화력발전으로 인해 발생하는 미세먼지 대책에 관한 논의의 장으로 환경기술 세미나를 개최하였습니다. 여기에 KIST 환경복지 연구단 배귀남 단장님이 주제 발표를 하셨습니다. 그 내용 아래 링크에서 확인해보세요

[아주경제 기사보기]

 

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"2023년까지 초미세먼지 절반으로"

 

정부에서 초미세먼지를 잡기위한 계획을 발표하고나서 우리 KIST 환경복지연구단으로도 많은 문의가 들어오고 있습니다.  이번에는 KBS 에서 김화진 박사님과 인터뷰를 진행했는데요. 아래 링크에서 그 내용 확인해보세요

 

[KBS 뉴스 다시보기]

 

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"미세먼지 잡는다"…범부처 R&D에 3년간 423억 투자

 

초미세먼지가 초미의 관심사가 되고 있는 요즘. 정부에서도 이 문제를 방치할 수만은 없을 것 같네요. 그래서인지 미래창조과학부가 범부처적인 R&D에 3년간 423억원을 투자하기로 했습니다. 물론 이 사업에는 KIST의 환경복지연구단이 포함되어있지요. 관련된 기사 아래 링크에서 확인해 보세요

 

[연합뉴스 기사보기]

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[과학산책] 초미세먼지, 열쇠는 과학 지식이다

 

중국발 황사에, 초미세먼지까지.. 대한민국의 대기오염의 수준이 점점 심해지고 있습니다. 미세먼지문제 어떻게 해결해야 할까요?  KIST의 배귀남 환경복지연구단장님은 과학지식이 바로 열쇠라고 합니다. 그 내용 아래 링크에서확인해 보세요

 

[전자신문 기사보기]

 

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