실리카 나노섬유 제조 과정에서 화학반응 속도와 고분자 사슬 얽힘의 균형점을 찾아 구조적으로 안정한 실리카 나노섬유를 만드는 공정 조건을 국내 연구진이 확립했다. 국립금오공대 화학소재공학부 은종현·설인환 교수 연구팀의 연구 성과다.

4일 국립금오공대에 따르면 열과 화학물질에 강한 실리카 나노섬유는 제철·발전·소각 시설의 고온이나 화학공정 등 기존 고분자 필터를 쓰기 어려운 환경에서 필요하다. 그러나 실리카 나노섬유를 구성하는 실리카 원료(TEOS)와 고분자(PVP) 성분의 비율을 최적으로 맞추는 것이 주요한 난제였다.

연구팀은 실리카 원료 농도(8~24wt%)와 고분자 함량, 용액 숙성 시간을 체계적으로 바꿔가며 섬유 형태와 화학 구조의 변화를 분석했다. 그 결과 실리카 원료 18wt%, PVP 2.4g 조성에서 결함 없이 균일한 나노섬유가 만들어짐을 확인했다.

이렇게 만든 섬유를 300도에서 열처리하자 섬유 형태를 유지하면서 인장강도가 약 0.14 MPa에서 0.30 MPa로 114.3% 향상됐다. 필터 성능 평가에서는 2~4㎛ 크기의 미세입자를 98.6% 걸러냈다.

특히 나노섬유 매트는 3D 프린터로 제작한 상하부 금형 사이에 넣고 눌러도 찢어지거나 구멍이 나지 않고 입체 형상으로 성형됐다. 연구팀은 이번 기술이 다양한 산업 현장의 필터 소재로 활용될 수 있을 것으로 내다봤다.

고온의 배기가스를 비롯해 부식과 침식 등 화학적 자극이 강한 환경의 집진 필터에 적용할 수 있다. 반도체·디스플레이·이차전지 등 첨단 제조 공정의 클린룸 및 공정 배기 필터 활용도 기대된다. 무엇보다 금형으로 원하는 형태를 만들 수 있어 원통형 카트리지처럼 장비 형상에 맞춘 입체 필터 모듈로 제작할 수 있다는 점도 장점이다.

이번 연구는 지난 10월24일 엘스비어(Elsevier)가 발행하는 분리막 분야 대표 학술지인 ‘저널 오브 멤브레인 사이언스(Journal of Membrane Science·JCR 상위 5%)’에 온라인 게재됐다. 이선빈 학생이 제1저자로 참여했고 설인환·은종현 교수가 공동 교신저자를 맡았다.

은 교수는 “실리카 나노섬유 제조의 핵심 난제였던 반응 속도와 고분자 사슬 얽힘 사이의 균형점을 찾아 열적 안정성이 요구되는 필터 분야에 폭넓게 활용할 수 있는 무기물 나노섬유의 설계 지침을 제시했다”고 말했다.