KAIST, 고성능 유기용매 나노여과 분리막 개발

by강민구 기자
2024.04.29 09:38:46

[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 기존에 분리하기 어려웠던 크기의 활성 제약 분자들을 분리할 수 있는 초박막 분리 기술을 개발했다.

고동연 교수(왼쪽)와 임성갑 교수(오른쪽).(사진=KAIST)

KAIST는 고동연, 임성갑 생명화학공학과 교수 공동연구팀이 이같은 연구결과를 국제 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난달 30일자로 게재했다고 29일 밝혔다.

분자 크기와 모양에 따라 분자를 구별할 수 있는 분리막 공정은 기존 열 분리 공정 보다 에너지를 적게 쓰고, 화학 산업의 탄소 배출량을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

분리막은 물질 크기나 흡수력에 따라 특정 물질을 선택해 통과시키거나 배제하는 역할을 하는 장애물이다. 분리막을 이용한 분리 공정은 기존 공정과 달리 많은 에너지를 사용하지 않고도 화합물들을 효율적으로 분리할 수 있다.

분리막은 산업계 전반에 사용되는 유기용매들을 분리하는데 저에너지, 저탄소 해결법을 제공할 수 있어 짧은 상업화 역사에도 석유화학, 반도체, 재생합성연료, 바이오 제약 분야에서 응용되고 있다.

iCVD 기법을 통해 기상 화학 증착 방식으로 만들어지는 고분자 박막 설명 그림.(자료=KAIST)

하지만 분리막이 고부가가치의 화합물을 선택적으로 분리하려면 기존 소재 한계를 뛰어넘을 수 있는 혁신적인 고분자 소재를 개발해야 한다. 이에 연구팀은 반도체 제조 공정에 쓰이는 고분자 박막 증착 기술로 분리막을 제조하고, 이를 이용해 고부가가치의 제약 혼합물을 선택적으로 정제할 수 있는 기술을 개발했다.



연구팀은 개시제를 이용한 화학 기상 증착법(iCVD) 기술을 이용해 기존에 박막으로 만들기 어렵다고 알려진 유기 실록산 고분자를 초박막으로 합성하고 활성 제약 분자를 선택해 정제할 수 있는 분리막 공정을 개발했다. 이 같은 방식을 이용해 극도로 얇으면서도 다중으로 연결된 고분자 분리막을 만들었다.

연구팀은 29나노미터(nm) 두께의 분리막을 이용해 다양한 활성 제약 성분, 석유 화합물, 연료 분자 등이 속하는 크기인 분자량 150~350g/mol 범위에 존재하는 분자들을 정제했다.

다양한 유기 물질이 섞인 복잡한 용매 환경에서 작동하도록 고안된 이 기술은 기존 분리막의 수명과 분자 선택도를 뛰어넘는 분리막 성능을 나타냈다.

또 헤르페스 바이러스 치료에 사용되는 주요 활성 제약 성분인 아시클로버(Acyclovir), 발라시클로버(Valacyclovir)처럼 비슷한 모양이나 크기를 가진 분자들이 섞여 있을때 순도 높게 아시클로버만 분리해냈다. 분리막 기술을 이용해 기존 제약 제조 공정보다 더 싸고 에너지 비용이 적은 방법으로 제약 물질을 정제할 수 있음을 확인한 셈이다.

고동연 교수는 “iCVD 방식을 사용한 초박막 제작은 불필요한 반응 없이 결함 없고 고품질의 밀도 높은 고분자 분리막을 합성할 수 있는 방법”이라며 “이전에 접근할 수 없었던 고분자 소재를 제공해 고성능 분리막의 정교한 설계를 촉진하겠다”라고 말했다.