이온 및 분자 이송제어를 위한 기능성 나노채널의 구현을 통하여 이온/분자의 상대적 크기에 의존하는 기존 분리 및 이송 기술의 선택효율, 투과도, 에너지 소비 측면에서의 기존 분리 기술의 한계를 극복하기 위한 새로운 개념의 분리 기술을 제시 하고자 하였다. 이를 위해 나노채널 플랫폼 가공 기술 개발, 나노채널 표면 기능화 기술 개발 등의 연구를 수행하였으며, 나노채널에 대한 전압인가 및 유량 조절이 가능한 이온이송제어 측정 시스템을 제작하고, 다층 금속 멤브레인을 이용하여 선택적으로 특정 이온($Cl^-$)의 이송을 95% 이상 차단하였다. 본 연구를 통하여 세포막에 존재하며 물분자만을 매우 효율적으로 투과시키는 채널인 아쿠아포린의 기능 및 특성을 모방한 신개념의 분리기술 구현을 위한 기반 기술 개발을 수행하였으며, 향후 지속적인 연구를 통하여 차세대 정수/담수, 휴대형 인공신장, 인공 감각 기관 등의 핵심 기반 기술이 될 것으로 예상한다.
이온 및 분자 이송제어를 위한 기능성 나노채널의 구현을 통하여 이온/분자의 상대적 크기에 의존하는 기존 분리 및 이송 기술의 선택효율, 투과도, 에너지 소비 측면에서의 기존 분리 기술의 한계를 극복하기 위한 새로운 개념의 분리 기술을 제시 하고자 하였다. 이를 위해 나노채널 플랫폼 가공 기술 개발, 나노채널 표면 기능화 기술 개발 등의 연구를 수행하였으며, 나노채널에 대한 전압인가 및 유량 조절이 가능한 이온이송제어 측정 시스템을 제작하고, 다층 금속 멤브레인을 이용하여 선택적으로 특정 이온($Cl^-$)의 이송을 95% 이상 차단하였다. 본 연구를 통하여 세포막에 존재하며 물분자만을 매우 효율적으로 투과시키는 채널인 아쿠아포린의 기능 및 특성을 모방한 신개념의 분리기술 구현을 위한 기반 기술 개발을 수행하였으며, 향후 지속적인 연구를 통하여 차세대 정수/담수, 휴대형 인공신장, 인공 감각 기관 등의 핵심 기반 기술이 될 것으로 예상한다.
Functional nanochannels were fabricated in order to control selective ion transportation with high permeability and low energy consumption. In this research, nanochannel platform fabrication process and surface functionalization process were developed. In addition, selective ion transportation and c...
Functional nanochannels were fabricated in order to control selective ion transportation with high permeability and low energy consumption. In this research, nanochannel platform fabrication process and surface functionalization process were developed. In addition, selective ion transportation and concentration measurement system was also set-up. By using fabricated multilayer metal membrane with electrical bias, 95% of ion ($Cl^-$) was blocked. This developed process is new-conceptional membrane fabrication technology and is expected to be applied to next-generation water purification/desalination, portable artifical kidney, and artificial sense organ.
Functional nanochannels were fabricated in order to control selective ion transportation with high permeability and low energy consumption. In this research, nanochannel platform fabrication process and surface functionalization process were developed. In addition, selective ion transportation and concentration measurement system was also set-up. By using fabricated multilayer metal membrane with electrical bias, 95% of ion ($Cl^-$) was blocked. This developed process is new-conceptional membrane fabrication technology and is expected to be applied to next-generation water purification/desalination, portable artifical kidney, and artificial sense organ.
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문제 정의
본문에서는 문헌 조사를 통해 국내외 수처리 시장 현황 및 기술동향을 살펴보고자 한다. 또한 생체막의 기능 및 특성을 모방하여 이온/분자 이송의 효율적 제어가 가능한 이온 인식형 기능성 나노채널 개발을 위한 기반 연구 수행 결과를 제시하였다.
본 연구에서는 이온 및 분자 이송제어를 위한 기능성 나노채널의 구현을 통하여 이온/분자의 상대적 크기에 의존하는 기존 분리 및 이송 기술의 선택효율, 투과도, 에너지 소비 등에서의 한계를 극복한 새로운 분리막 기술을 제시 및 개발하고자 하였다. 이를 위하여 2nm급 나노크랙 및 5nm급 나노채널 제작 기술을 개발하였으며, 표면 기능화를 위해 표면 양성화 및 친수화 공정을 개발하였다.
본 연구에서는 이온 이송 제어 기능성 나노채널 제작을 위해 나노채널 플랫폼 가공 기술 개발, 나노 채널 표면 기능화 기술 개발 등의 연구를 수행하였으며, 이를 통하여 Fig. 5 와 같이 고분자/산화물 기반에 표면 금속층을 코팅하여 선택적 이온 투과가 가능한 분리막 응용 능동 소자를 개발하고자 하였다.
본문에서는 문헌 조사를 통해 국내외 수처리 시장 현황 및 기술동향을 살펴보고자 한다. 또한 생체막의 기능 및 특성을 모방하여 이온/분자 이송의 효율적 제어가 가능한 이온 인식형 기능성 나노채널 개발을 위한 기반 연구 수행 결과를 제시하였다.
제안 방법
다음으로 나노채널 표면의 기능화를 위해, 펩타이드(Peptide)를 이용한 표면 양성화 공정 및 산화알루미늄(Al2O3) 코팅을 이용한 표면 친수화 공정을 고안하였다. 먼저 나노채널 내부 표면에 펩타이드를 부착할 경우 표면 양성화를 통해 음이온이 선택적으로 투과된다.
먼저 나노채널 내부 표면에 펩타이드를 부착할 경우 표면 양성화를 통해 음이온이 선택적으로 투과된다. 또한 산화알루미늄 박막을 원자층 증착법을 이용해 약 2nm 두께로 코팅하여 Fig. 7 과 같이 Polytetrafluoroethylene (PTFE)의 소수성 표면을 친수성 표면으로 전환하였다.
먼저 나노채널 플랫폼 가공을 위해 양극산화 알루미늄(Anodic Aluminum Oxide; AAO) 나노 기공을 이용하여, 여기에 자외선 경화수지 를 코팅 및 주입 한 후, 경화조건을 조절함으로서 2nm급 크랙을 제작하였다. 또한 양극산화 알루미늄에 진공 박막 증착인 원자층 증착법(Atomic layer deposition; ALD)을 통해 산화알루미늄(Al2O3) 박막을 코팅하여 나노기공의 크기를 5nm까지 축소하였다. Fig.
또한 양극산화 알루미늄에 최적화된 나노입자를 주입 공정을 통해 나노채널 제작하는 방법도 고안하였다.
이를 위하여 2nm급 나노크랙 및 5nm급 나노채널 제작 기술을 개발하였으며, 표면 기능화를 위해 표면 양성화 및 친수화 공정을 개발하였다. 또한 전압인가 및 유량조절이 가능한 이온이송제어 측정 시스템을 제작하고, 다층 금속 멤브레인을 이용하여 선택적으로 특정 이온(Cl-)의 이송을 95% 이상 차단하였다. 본 연구의 개발 기술은 아쿠아포린의 기능 및 특성을 모방하여, 고생산성 및 저에너지 소비의 신개념의 혁신적인 분리막 제작 기술로서, 차세대 정수/담수, 휴대형 인공신장, 인공 감각 기관 등의 기반 기술이 될 것으로 예상한다.
먼저 나노채널 플랫폼 가공을 위해 양극산화 알루미늄(Anodic Aluminum Oxide; AAO) 나노 기공을 이용하여, 여기에 자외선 경화수지 를 코팅 및 주입 한 후, 경화조건을 조절함으로서 2nm급 크랙을 제작하였다. 또한 양극산화 알루미늄에 진공 박막 증착인 원자층 증착법(Atomic layer deposition; ALD)을 통해 산화알루미늄(Al2O3) 박막을 코팅하여 나노기공의 크기를 5nm까지 축소하였다.
본 연구를 통해 제작한 기능성 나노채널의 이온투과/차단 특성실험을 수행하기 위해 Fig. 8 과 같이 전압인가 및 유량조절이 가능한 이온이송제어 측정 시스템을 제작하였으며, 개별 이온의 농도를 측정할 수 있는 전극을 이용하여 멤브레인 통과 전/후 용액의 전도도 뿐만 아니라 Cl- 등의 특정 이온 농도를 정밀하게 측정하였다.
본 연구에서 제작된 고분자 공중합체 (Block copolymer; BCP) 멤브레인 및 상용 PTFE 멤브레인 등에 대해서, 상술한 금속 박막을 증착 공정을 이용하여 전기적 기능층을 제작하였으며, 여기에 전기장을 인가하여 이온 수용액의 투과 특성을 실험하였으며, Fig. 9 와 같이 투과 전후의 용액 전기 전도도를 측정한 결과, 아래와 같이 약 3~8 %의 전도도 감소를 확인하였다.
본 연구에서는 이온 및 분자 이송제어를 위한 기능성 나노채널의 구현을 통하여 이온/분자의 상대적 크기에 의존하는 기존 분리 및 이송 기술의 선택효율, 투과도, 에너지 소비 등에서의 한계를 극복한 새로운 분리막 기술을 제시 및 개발하고자 하였다. 이를 위하여 2nm급 나노크랙 및 5nm급 나노채널 제작 기술을 개발하였으며, 표면 기능화를 위해 표면 양성화 및 친수화 공정을 개발하였다. 또한 전압인가 및 유량조절이 가능한 이온이송제어 측정 시스템을 제작하고, 다층 금속 멤브레인을 이용하여 선택적으로 특정 이온(Cl-)의 이송을 95% 이상 차단하였다.
이 외에도 나노포어 플랫폼 가공을 위해 여러 공정기술을 개발하고 있다. 한 예로, 블록공중합체(Block-copolymer) 자기조립 거동을 이용하여 polystyrene-b-poly(acrylic acid) (PS-b-PAA) 블록공중합체에 poly(ethylene oxide) (PEO) 단일중합체를 첨가한 후, 스핀코팅(Spin Coating) 공정과 어닐링(Annealing) 과정을 통해서 박막을 제조하고 그 후 PEO를 박막에서 제거하여, 대면적에 걸쳐 균일한 크기와 규칙적인 패턴을 갖는 나노채널을 제조하였다.
성능/효과
상기 결과를 바탕으로, 다층의 멤브레인(stack)을 모사한 실험을 수행하였으며, 그 결과 Fig. 10 과 같이 전기장 인가시 적정한 포어길이/직경 비에 대해서 특정 이온(Cl-)에 대해 선택적으로 95% 이상 이송 차단이 가능함을 확인하였다.
후속연구
(5) 아쿠아포린은 이온채널/수송체(Ion channel/transporter)이자 물 채널(Water channel)로서, 현 분리막 대비 수십 배의 투수성을 보이는 것으로 보고되고 있어, 공학적으로 활용되는 경우 현 기술의 한계를 획기적으로 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 획기적인 저항 및 구동 압력 감소로 인해 전통적인 역삼투압 분리막을 적용하는 경우 대비 70 ~ 80%의 에너지 절감이 가능한 것으로 보고되었다.
이러한 신개념의 분리막 기술은 유동 저항을 감소시켜 여과 생산량을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 소모를 감소시키고, 이온의 분리 정밀도 또한 향상시킬 것으로 예상된다. 게다가 기존 분리막의 단순 분리 기능을 뛰어넘어 이온의 저장 및 흐름을 제어함으로써, 능동 소자로의 응용이 가능해질 것으로 예상된다.
또한 전압인가 및 유량조절이 가능한 이온이송제어 측정 시스템을 제작하고, 다층 금속 멤브레인을 이용하여 선택적으로 특정 이온(Cl-)의 이송을 95% 이상 차단하였다. 본 연구의 개발 기술은 아쿠아포린의 기능 및 특성을 모방하여, 고생산성 및 저에너지 소비의 신개념의 혁신적인 분리막 제작 기술로서, 차세대 정수/담수, 휴대형 인공신장, 인공 감각 기관 등의 기반 기술이 될 것으로 예상한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기능성 나노채널 분리막 기술 개발의 기대 효과는 무엇인가?
(2~4) 생체막에 존재하는 이온 채널 혹은 수송체의 경우 이온이나 분자를 크기 및 표면 특성에 의해 매우 효율적으로 통과시키거나 차단할 수 있으며, 생체 에너지를 소비하여 농도가 낮은 영역에서 높은 영역으로 물질을 능동적으로 이송하여 신경 신호 전달, 전기적 특성을 띄는 이온 물질의 저장/방출에 의한 축/방전 및 신체 항상성 조절 등의 기능을 수행하고 있다. 이러한 기능을 구현할 수 있는 기능성 나노채널 분리막 기술의 개발은 분자/이온의 분리 및 이송에 적용하여 차세대 정수/담수, 휴대형 인공신장, 인공 감각 기관 등으로의 적용이 가능하여 광범위하고 막대한 기술적, 산업적 파급 효과가 기대된다.
분리막 기술의 한계점은 무엇인가?
분리막 기술의 획기적인 발달에도 불구하고 선택성을 위해 매우 작은 크기의 기공 즉 이송 통로를 이용할 수밖에 없으며, 분자/이온 이송은 농도 차이에 의한 확산 현상에 의존하고 있어 항상 농도가 높은 영역에서 낮은 영역으로의 이송만이 가능할 뿐만 아니라 농도 차가 존재하면 항상 이송이 발생하여 농도에 상관없이 원하는 방향으로 필요한 경우에 만의 제어된 형태의 이송은 불가능하다.
분리막 기술의 단점을 극복하기 위해 고려되는 기술은 무엇인가?
이에 대한 근본적인 해결 방안으로 생체막의 기능 및 특성을 모사한 기능성 나노채널에 의한 분리 기술을 고려할 수 있다.(2~4) 생체막에 존재하는 이온 채널 혹은 수송체의 경우 이온이나 분자를 크기 및 표면 특성에 의해 매우 효율적으로 통과시키거나 차단할 수 있으며, 생체 에너지를 소비하여 농도가 낮은 영역에서 높은 영역으로 물질을 능동적으로 이송하여 신경 신호 전달, 전기적 특성을 띄는 이온 물질의 저장/방출에 의한 축/방전 및 신체 항상성 조절 등의 기능을 수행하고 있다.
참고문헌 (6)
Global Water Intelligence, 2014, "Global Water Market 2015:Meeting the World's Water and Wastewater Needs Until 2018," Media Analytics Ltd., Oxford, pp. 2-31.
Jirage, K. B., Hulteen, J. C. and Martin, C. R., 1997, "Nanotubule-Based Molecular-Filtration Membranes," Science, Vol. 278, pp. 655-658.
Park, H. B., Jung, C. H., Lee, Y. M., Hill, A. J., Pas, S. J., Mudie, S. T., Van Wagner, E., Freeman, B. D. and Cookson, D. J., 2007, "Polymers with Cavities Tuned For Fast Selective Transport Of Small Molecules And Ions," Science, Vol. 318, pp. 254-258.
Agre, P. and MacKinnon, R., 2003, "Membrane Channels," Advanced Information on the Nobel Prize in Chemistry, pp. 2-5.
Global Water Intelligence, 2011, "Global Water Market 2011:Meeting the World's Water and Wastewater Needs Until 2016," Media Analytics Ltd., Oxford, p. 106.
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