▲ (左부터)재료연 송인혁 책임연구원과 이홍주 선임연구원이 세라믹 분리막 특성평가 실험 중이다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)이 무결점·초평탄 세라믹 분리막 제조 공정과 저압 구동형 고효율 분리막 소재 기술을 동시에 확보하며, 전량 수입에 의존하던 고부가가치 세라믹 분리막의 국산화와 산업 적용 가능성을 넓혔다.

한국재료연구원은 나노재료연구본부 이홍주·송인혁 박사 연구팀이 무결점·초평탄 세라믹 분리막 제조 공정 기술과 저압 구동형 고효율 분리막 소재 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

이번 성과는 공정 복잡도와 에너지 소모가 컸던 기존 수처리 분리막 기술의 한계를 개선한 것으로 평가된다.

세라믹 분리막은 산업 폐수 처리, 해수 담수화, 반도체 공정용 초순수 제조 등 고난도 수처리 환경에 필수적인 소재다. 그러나 기존 제조 방식은 다층 코팅과 고온 소결을 반복해야 해 에너지 소모가 크고, 표면 거칠기로 인한 미세 균열과 성능 저하 문제가 지속적으로 제기돼 왔다. 나노여과 분리막 역시 고압 조건에서만 구동돼 운영 비용 부담이 컸다.

연구팀은 서로 다른 층의 입자를 결합하는 ‘상호 도핑(Mutual Doping)’과 모든 층을 한 번에 소결하는 ‘동시 소결(Co-sintering)’ 공정을 도입해 제조 공정을 단순화했다. 이를 통해 소결 온도를 기존 약 1,300℃에서 1,000℃ 수준으로 낮추면서도 구조적 안정성을 확보했으며, 표면 거칠기를 기존 대비 절반 이하(Rq 11.74㎚)로 낮춘 초평탄 세라믹 지지체를 구현했다. 이로 인해 분리막 균열 발생을 근본적으로 억제할 수 있게 됐다.

또한 연구팀은 지르코니아(ZrO₂) 기반 루즈 나노여과막 소재를 개발해 수돗물 수준의 저압(2bar)에서도 염색 폐수 내 염료를 99.8% 이상 제거하면서 이온 성분은 선택적으로 통과시키는 분리 성능을 확보했다. 이는 기존 상용 분리막이 해결하지 못했던 이온·염료 분리 문제를 극복한 것으로, 수처리 기술의 활용 범위를 자원 회수 영역까지 확장할 수 있는 기반으로 평가된다.

이번 연구는 소재 기술과 제조 공정 기술을 결합해 공정 결함과 에너지 효율 문제를 동시에 해결한 통합 솔루션이라는 점에서 의미가 크다. 특히 저압 구동과 공정 단순화를 통해 경제성과 성능을 함께 확보했다는 점이 산업 적용 측면에서 강점으로 꼽힌다.

해당 기술은 섬유 산업 염색 폐수 처리, 반도체 공정용 초순수 제조 등 고정밀 수처리 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 대형 수처리 플랜트 적용 시 에너지 비용과 탄소 배출 저감 효과도 클 것으로 전망된다. 나아가 해외 선진국이 주도해 온 고부가가치 세라믹 분리막 시장에서 기술 자립과 글로벌 진출 기반을 마련했다는 점에서 의미가 있다는 평가다.

이홍주 선임연구원은 “저압 구동형 분리막 소재와 이를 결함 없이 구현할 수 있는 제조 공정을 동시에 확보했다는 데 연구의 의의가 있다”며 “국산화를 넘어 글로벌 수처리 시장을 선도할 수 있는 기술로 발전시켜 나가겠다”고 말했다.