[논문]산화그래핀 기반 나노여과막의 최신 연구동향

김대우

doi:10.14579/membrane_journal.2019.29.3.130

산화그래핀 기반 나노여과막의 최신 연구동향
Review on Graphene Oxide-based Nanofiltration Membrane 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.29 no.3, 2019년, pp.130 - 139

김대우 (연세대학교 화공생명공학과)

초록
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그래핀, 제올라이트, metal-organic frameworks (MOF)s 등 다양한 나노 소재를 이차원 나노쉬트 형태로 제조하고, 이를 이용한 초박막 고성능 분리막을 개발하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 산화그래핀의 경우, 2000년대 초반에 관련 연구가 시작된 이후, 다양한 합성 및 박막 코팅 기술이 축적되어 있어 빠른 속도로 분리막 분야에 응용되고 있다. 다층으로 적층된 산화그래핀 박막은 층간 거리를 조절함에 따라 물리적 거름막으로 작용할 수 있으며, 또한 표면의 기능기 및 삽입된 물질과 거르는 물질 간의 상호작용을 제어함에 따라 다양한 물질의 선택적 분리가 가능하다. 본 총설에서는 산화그래핀의 나노여과막 응용분야에 관하여 중점적으로 다루고자 한다. 본고에서는, 다양한 용매 내에서 산화그래핀 박막의 분리 기작 및 성능에 영향을 미치는 핵심 요소들에 대해 요약하였으며, 그 외 산화그래핀 기반 분리막의 실질적인 상용화에 필요한 핵심 기술요소 및 개발 동향에 대하여 논하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various two-dimensional nano materials such as graphene, zeolite, and metal-organic framework have been utilized to develop an ultra-thin high-performance membrane for water purification, gas separation, and so on. Particularly, in the case of graphene oxide, synthesis methods and thin film coating techniques have been accumulated and established since early 2000s, therefore graphene oxide has been rapidly applied to membrane field. The multi-layered graphene oxide thin film can filter molecules separately by the molecular sieving of interlayer spacing between adjacent layers, and it is also possible to separate various materials depending on the surface functional groups or the degree of interaction to intercalated materials. This review mainly focuses on the nanofiltration application of graphene oxide. The major factors affecting the separation performance of graphene oxide membrane in solvent are summarized and other technical elements required for the commercialization of graphene oxide membranes will be discussed including stability issue and fabrication method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 장점으로 인하여, 나노여과막[6,7], 가스 분리막[8,9], 배터리 분리막[10-13], 가스 차단막[14,15] 등 다양한 분야에 응용 연구가 진행 중이다. 본 총설에서는 산화그래핀기반 나노여과막의 연구 동향, 산화그래핀 기반 나노여과막의 실질적인 상업화를 위한 핵심 요소에 관하여 논하고자 한다.

이론/모형

연구실 수준의 산화그래핀 제조는 진공 여과 방법(vacuum filtration)을 이용하여 이루어진다. 미량의 산화그래핀을 물에 희석한 뒤 다공성 고분자 필터를 이용하여 거름으로써 초박막 산화그래핀 막을 제조할 수 있으며, 희석된 산화그래핀의 농도 및 양에 따라 층층이 쌓이는 박막의 두께를 나노미터 수준에서 정밀하게 조절할 수 있다.

성능/효과

-O-/-OH/-COOH등이 섞여 있는 산화그래핀, 수산화나트륨(NaOH)을 이용하여 부분적으로 환원이 된 산화그래핀, 표면 탄소의 45%가 -COOH로 산화된 그래핀을 이용하여 나노여과막특성을 비교한 결과, NaOH를 이용한 산화그래핀 분리막의 물 투과도가 10배 이상 증가함이 보고되었다[25]. 분자 모사를 이용한 시뮬레이션 결과, 부분적으로 환원된 산화그래핀 채널에서 산화그래핀 대비 10배 이상 빠른 물 투과 현상이 재현되었다. -COOH 등 크기가 큰산소 기능기의 경우 산화그래핀의 나노채널에서 차지하는 부피가 크므로 물 분자의 거동을 물리적으로 저해할 뿐만 아니라, -COOH에 있는 두 개의 산소 원자가물의 수소 원자와 강한 수소결합을 함으로써 물의 투과저항을 높이게 된다.
산화그래핀은 지난 15년간의 연구를 통하여 합성 및 박막 제조 기술이 축적되어 있으므로, 이에 기반한 분리막 응용이 짧은 시간에 이루어지고 있다. 특히, 산화그래핀의 1 nm 수준의 층간 거리는, 특별한 구조 제어를 하지 않더라도 우수한 나노여과 특성을 가지는 동시에, 10 nm 두께 수준의 초박막 제조 시 매우 빠른 물 투과도를 얻을 수 있다. 이러한 우수한 특성에도 불구하고, 산화그래핀 기반 나노여과막의 상용화를 위해서는 수용액 내 산화그래핀 박막의 안정성 확보, 대면적 초박막 제조 기술 개발, 모듈 제작 기술 개발 등이 추후 개선 및 개발되어야 할 것으로 보인다.
따라서 유사한 수직 기공 구조를 가지는 track-etched polycarbonate (TEPC) 필터가 연구실 연구 수준에서 AAO를 대체하여 주로 사용되고 있으며, 산화그래핀을 초박막으로 형성하고 층간이 높은 정렬이 요구될 때 효과적이다[25]. 하지만, TEPC 필터는표면 다공성이 15% 수준에 불가해 실질적인 물 투과가일어나는 기공의 넓이가 분리막 기공 넓이에 비해 작은문제가 있고, 그 결과 상전이로 제조된 고분자 다공성지지체 대비하여 얻어지는 산화그래핀의 물 투과 성능이 현저히 낮다.

후속연구

이러한 화학적 결합을 이용한 방법은 장시간 산화그래핀 박막의 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 지지체의 표면 개질을 통해 지지체와 산화그래핀의 접착력 향상 또한 가능하다[46]. 다만, 이용된 물질의 특성에 따라 분리막 지지체의 기계적 강도 등 물성과 분리막 성능이 급격히 달라질 수 있으므로, 첨가제에 따른 분리막 성능 검증이 필요하다.
특히, 산화그래핀의 1 nm 수준의 층간 거리는, 특별한 구조 제어를 하지 않더라도 우수한 나노여과 특성을 가지는 동시에, 10 nm 두께 수준의 초박막 제조 시 매우 빠른 물 투과도를 얻을 수 있다. 이러한 우수한 특성에도 불구하고, 산화그래핀 기반 나노여과막의 상용화를 위해서는 수용액 내 산화그래핀 박막의 안정성 확보, 대면적 초박막 제조 기술 개발, 모듈 제작 기술 개발 등이 추후 개선 및 개발되어야 할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화그래핀의 박리현상이 나타나는 이유는 무엇인가?	산화그래핀의 박리현상은 산소 기능기가 수화되었을때 전기적으로 음전하를 띄게 되고(-COOH → -COO-+ H+), 이렇게 음으로 하전된 산소 기능기 간의 전기 반발력에 의해 층간 결합이 약해지기 때문이다. 또한, 산화그래핀의 층간에 용매가 침투(intercalation)됨에 따라그래핀 층간이 넓어지게 된다[21,23].
	바코팅(bar-coating) 공정으로 제조한 막의 한계점는 무엇인가?	산화그래핀은 나노쉬트 형태의 구조적 특성와 산소 기능기 간의 전기적 반발력 및 물/산소 기능기 간의 수소결합과 같은 인력의 상호작용으로 인해 고농도(약 5 mg/mL 이상, 입자의 크기 등에 따라 달라짐)에서 유방성(lyotropic) 액정상을 띌 수 있으며, 높은 점도로 인해 점탄성 특성을 보인다[48,49]. 이러한 점탄성 액정 성질은 코팅 시에 발생하는 전단력(shear force)을 이용하여 산화그래핀을 배향하기에 유리하며, 100 nm 두께 수준의 결함 없는 박막의 코팅이 가능하지만, 10 nm 수준의 초박막 제조에는 도달하지 못하고 있다. 또한, 플랫 타입의 지지체에만 적용 가능한 방법이므로, 중공사 분리막의 제조에는 쓰이지 못하는 한계가 있다. 산화그래핀 및 이차원 소재 기반 분리막은 현재 고성능 분리막의 개발에 초점이 맞춰 있지만, 실질적인 상용화를 위해서는 대면적 제조 방법의 개발 또한 연구가 필요하다.
	산화그래핀이란 무엇인가?	그래핀 표면의 산소 기능기가 도입된 구조를 산화그래핀이라 통칭하지만, 실질적인 산화그래핀의 특성 및 구조는 산소 기능기의 조성비에 따라 크게 달라진다. 이러한 현상은 산화그래핀 기반 나노여과막의 수분 투과및 용질 분리 현상에서도 관찰된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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