상명대 강상욱 교수팀, 성능 40% 높인 '친환경 다공성 분리막' 개발

- 식물 유래 고분자 'HEC' 첨가해 기존 분리막 내부 불균형 한계 극복

- 수처리·배터리 분리막 등 환경 및 에너지 산업 분야 폭넓은 활용 기대

[비욘드포스트 이봉진 기자] 상명대학교(총장 김종희)화학에너지공학과 강상욱 교수 연구팀이 친환경 바이오 기반 고분자를 활용해 기체 투과 성능을 크게 향상한 새로운 다공성 분리막 제조 기술을 개발하는 데 성공했다.

고분자 분리막은 내부에 미세한 기공을 형성해 기체나 액체를 통과시키는 소재로 수처리와 배터리, 기체 분리 등 환경·에너지 분야에서 폭넓게 활용된다. 특히 식물에서 유래한 셀룰로오스 아세테이트(CA)는 가공성과 안정성이 뛰어나 친환경 분리막 소재로 주목받아 왔다.
하지만 기존 CA 분리막은 제조 과정에서 용매와 비용매가 빠르게 교환되며 내부에 크고 길쭉한 형태의 불균일한 기공(매크로보이드)이 형성되는 문제가 있었다. 이러한 구조적 불균일성은 전체 기공률이 높아도 실제 물질 이동 효율을 떨어뜨리는 주요 원인으로 지적됐다.

강 교수 연구팀은 이 같은 한계를 극복하기 위해 친수성이 높은 하이드록시에틸셀룰로오스(HEC)를 기존 소재에 소량 첨가하는 새로운 접근법을 시도했다. 물을 이용한 상분리 공정에서 HEC가 용매 교환 거동에 영향을 미쳐 기공 형성 과정을 균일하게 조절하도록 유도한 것이다.

그 결과 HEC가 첨가된 분리막은 내부에 균일하고 서로 연결된 스펀지 형태의 기공 구조를 형성했다. 기공률은 기존 77.3%에서 87.3%로 상승했다. 특히 기체 100cc가 분리막을 통과하는 데 걸리는 시간인 '걸리값'은 질소 기체 기준 120.1초에서 72.6초로 약 40% 단축돼 물질 이동 성능이 개선된 것으로 나타났다.
이산화탄소 투과 성능 역시 향상됐으며, 높은 기공률에도 불구하고 배터리용으로 활용 가능한 열적·화학적 안정성을 확보했다.

강상욱 교수는 “기존에는 분리막의 투과 성능을 높이기 위해 기공을 많이 형성하는 데 집중했지만, 이번 연구를 통해 기공의 균일성과 연결성이 물질 이동에 더 중요하다는 사실을 확인했다”며 “친환경 고분자인 HEC를 소량 첨가하는 것만으로 분리막 구조를 정밀하게 제어할 수 있다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.

연구팀은 이번 기술이 향후 배터리 세퍼레이터, 수처리용 분리막 등 다양한 기능성 고분자막 개발을 위한 기초 소재 설계 전략으로 활용될 것으로 전망했다.

한편, 유하람 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 생물학적 고분자 분야 국제학술지인 '인터내셔널 저널 오브 바이오로지칼 매크로몰레큘스(International Journal of Biological Macromolecules)' 2026년 10월호(377권)에 게재됐다.

bjlee@beyondpost.co.kr