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생기원의 ‘전기영동법’과 DGIST의 ‘마찰대전 발전소자’, 두 기술의 합작 물 속 미세 플라스틱 없애는 친환경 필터 한국생산기술연구원(생기원,KITECH)과 대구경북과학기술원(DIGIST) 공동연구팀이 마이크로뿐 아니라 나노 크기의 미세플라스틱까지 물에서 제거할 수 있는 친환경 필터를 최초로 개발했다고 6일 밝혔다. 환경오염 없이 미세플라스틱을 제거하는 세계 최초의 친환경 필터로, 큰 환경문제로 대두되는 미세플라스틱 문제를 해결하는 데에 기여할 것으로 기대된다. 해당 성과는 에너지공학 분야 국제학술지인 ‘나노에너지’ 온라인 판 6월 11자에 게재되었고, 오는 9월에 출판 예정이다.
미세플라스틱은 지름 5mm 미만의 작은 플라스틱 입자를 말한다.
미세플라스틱 문제의 심각성과 인체 위험성은 오랫동안 꾸준히 경고되어왔다. 그러나 미세플라스틱은 그 크기가 너무 작아 기존에 불순물을 거르는 데에 이용하던 필터로는 분리하거나 처리하는 데에 어려움이 있다.
이런 한계를 극복할 수 있는 새로운 방법의 친환경적인 미세플라스틱 제거 기술이 필요하던 와중, 물 속 미세입자를 제거하는 친환경 발전소자가 최초로 개발되었다. 한국생산기술연구원 정밀기계공정제어 연구그룹 조한철 박사 연구팀과 DGIST 에너지공학과 이주혁 교수 연구팀이 이끄는 공동연구팀은 세계 최초로 물 속 미세플라스틱 입자를 처리할 수 있는 친환경 입자 제거기술 개발에 성공했다.
친환경 미세플라스틱 필터의 원리는? 전기영동법과 TENG
미세입자 제거기술로는 ‘전기영동법’ 기술이 활용되었다. 전기적 성질을 이용해 유기물질을 분리하는 기법으로, 물속에서 강한 전기장을 발생시키면 물속의 마이크로 및 나노입자가 빠르게 전극(기판)쪽으로 이동해 달라붙는 방식으로 미세플라스틱 입자를 제거할 수 있다. 연구팀은 높은 전압을 통해 전기영동의 효율을 높일 수 있다는 점에 주목했다. 그리고 고전압 저전류의 출력이 가능한 마찰대전 발전소자를 접목시켜 미세플라스틱을 제거하는 새로운 미세입자 제거기술을 개발해낸 것이다.
‘마찰대전 발전소자(Triboelectric nagogenerator, TENG)’는 일상에서 정전기를 일으키는 것과 같은 원리로, 서로 다른 물체를 마찰시킴으로써 물체 표면이 각각 양전하와 음전하로 대전되는 마찰대전을 이용해 발전한다. 물리에너지를 전기에너지로 변환시키기에 친환경적인 미세플라스틱 필터 제작이 가능하며, 고전압 저전류의 특성으로 해양 생태계를 해치지 않는 미세입자 제거가 가능하다. 또한 마찰대전 에너지의 높은 전압특성은 별도의 외부 전원이 필요하지 않아 장소에 구애받지 않고 안정적으로 운용이 가능한 장점이 있다.
연구팀에서 개발한 친환경 미세플라스틱 제거기술은 한국생산기술연구원 조한철 박사 연구팀의 전기영동법과 DGIST 이주혁 교수 연구팀의 마찰대전 에너지 발전소자의 합작이라 할 수 있다. 마찰대전 발전소자를 통해 만들어낸 고전압의 출력을 물 속 기판에 가하면 양전하(+)와 음전하(-)를 띠는 기판으로 나눠지는데, 물속에서 전하를 띠는 미세입자들이 금속판으로 붙게 되면서 입자들을 걸러낼 수 있는 것이다.
마찰대전 발전소자에 기반한 미세입자 제거 기술의 개발로 물속 미세입자를 제거하는 친환경 기술 상용화에 한발 더 나아간 것으로 보인다. 연구의 1저자인 부산대 기계공학부 박사과정의 박병건 학생은 “운동에너지를 통해 생성된 전기에너지로 입자를 제거하기 때문에 친환경적인 기술”이라 소개하며 “강, 하수처리시설, 정수장 등 다양한 물 속 미세플라스틱 제거에 활용할 수 있고, 가정용 전기로도 작동 가능해 생활용 정수장치에도 이용할 수 있다”고 설명했다.
친환경 미세입자 제거 기술이 실용화되기 위해서는 마찰대전 발전소자로 발전시키기 위한 지속적인 물리에너지를 공급할 수 있는 에너지원이 필요하다. 연구팀은 부가적인 전원이 필요 없는 자가발전 마찰대전발전소자가 환경문제 해결에 상용화될 수 있는 수준에 도달하는 것이 목표라고 밝혔다. 또한 상용화를 위해서는 금속판에 수집된 미세입자들은 한곳에 모아 재처리할 수 있는 추가적인 기술개발이 필요할 것으로 전망된다.
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