(왼쪽부터) 연세대 화공생명공학과 김대우 교수, 강준혁 박사 후 연구원(제1저자), 이화용 석사 졸업생(제1저자)

연세대학교(총장 윤동섭) 화공생명공학과 김대우 교수 연구팀이 유기금속 전구체 기반 구조 제어 기술을 적용한 나노다공성 그래핀 분리막을 개발해, 유기용매 나노여과 공정에서 높은 투과도와 정밀한 분리 성능을 동시에 구현하는 데 성공했다.

분리 공정은 제약, 정유, 석유화학, 반도체 등 다양한 산업에서 핵심 공정으로 활용되고 있으나, 현재 사용되는 증류 및 결정화 기반 공정은 에너지 소모가 크고 공정 비용이 높아 산업 전반의 부담 요인으로 작용하고 있다. 특히 유기용매 사용량이 급증함에 따라, 유기용매를 효율적으로 정제·재사용할 수 있는 저에너지 분리 기술의 필요성이 지속적으로 제기돼 왔다.

연구팀은 나노다공성 그래핀(multilayer nanoporous graphene)을 기반으로 한 유기용매 나노여과막(OSN)에 주목했다. 그래핀은 sp² 탄소 결합으로 이루어진 2차원 소재로, 화학적 안정성과 기계적 강도가 뛰어나 분리막 소재로 큰 잠재력을 지닌다. 그러나 기존 나노다공성 그래핀 분리막은 기공 형성 과정에서 비 선택적 결함이 함께 생성되고, 유기용매 환경에서는 층간 구조가 과도하게 팽윤 돼 분리 정밀도가 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 유기 금속 전구체를 이용한 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 공정을 분리막 후처리 단계에 도입했다. 이 공정을 통해 그래핀 분리막 표면의 과도하게 큰 기공과 비 선택적 결함을 정밀하게 봉인하는 동시에, 분리막 상부에서 하부로 이어지는 ‘그래디언트(gradient) 구조’의 알루미나층을 형성하는 데 성공했다.

특히 이번 연구에서 구현된 그래디언트 구조는 표면 기공 크기 미세화와 그래핀 층간 구조 보강이라는 두 가지 기능을 동시에 수행한다. 그 결과, 유기용매에 노출되었을 때 발생하는 층간 팽윤을 효과적으로 억제하면서도, 그래핀 고유의 빠른 용매 이동 특성은 유지할 수 있었다.

실험 결과 ALD 처리를 적용한 나노다공성 그래핀 분리막은 에탄올 기준 136.5LMH/bar의 높은 투과도를 유지하면서도, 분획 분자량(MWCO)을 640Da 수준까지 정밀하게 제어하는 데 성공했다. 이는 기존 보고된 유기용매 나노여과막의 성능 한계를 넘어서는 수치로, 선택성과 투과도의 트레이드 오프를 구조 설계를 통해 극복한 사례로 평가된다.

또한 연구팀은 단일 물질 분리 실험을 넘어 이성분 유기 혼합물 및 농도 변화 조건에서도 분리막의 거동을 체계적으로 분석했다. 그 결과 낮은 농도 조건에서는 분획 분자량 이하의 분자도 선택적으로 차단되는 반면 고농도 조건에서는 용질 간 상호작용에 의해 분리 거동이 달라지는 현상을 규명했다. 이는 실제 산업 공정 조건에서의 분리막 성능을 더욱 현실적으로 이해하는 데 중요한 시사점을 제공한다.

김대우 교수는 “이번 연구는 나노다공성 그래핀 분리막의 구조를 원자 수준에서 정밀하게 제어함으로써, 기존 분리막 기술의 한계를 구조 설계로 극복했다는 점에서 의미가 크다”라며, “본 기술은 제약·정밀화학 공정의 용매 정제뿐 아니라, 반도체 산업에서의 고순도 유기용매 전처리·재사용 등 다양한 산업 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 개인기초연구사업 및 국제협력 네트워크 전략 강화 사업, 산업자원통상부의 산업기술거점센터육성시범사업 및 소재부품기술개발 사업의 지원으로 김대우 교수 연구팀의 강준혁 연구원(제1 저자), 이화용 연구원(제1 저자)을 포함한 공동 연구진에 의해 수행됐다. 이후 연구 성과는 2026년 4월 재료과학 분야 세계적 권위지인 Advanced Functional Materials(IF=19.0)에 게재됐다.