- 대면적화와 패턴 제조기술 개발, 향후 늘어나는 디스플레이 등에 응용 - 휘어있는 은 나노와이어 네트워크의 신축 기판 위 범용 제작 기술 개발 국내 연구진이 휘어지고, 늘어나기도 하는 투명전극의 대형화에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 광전하이브리드연구센터 이상수, 손정곤 박사 연구팀이 높은 투명도에서도 신축성과 전기전도성을 유지할 수 있는 은 나노와이어 전극을 A4용지 크기 이상의 대면적으로 제작하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 투명전극은 전기가 흐르는 전극이면서 투명하므로 태양전지, 터치스크린 기반의 디스플레이 장치 등에 필수적인 요소이다. 현재 상용화되어 활용되고 있는 것은 인듐주석산화물(ITO) 기반의 투명전극인데, ITO기반의 투명전극은 금속 산화물 성분이기에 유연성이 매우 낮아, 향후 휴대형 전자기기의 주류를 이룰 것으로 예측되는 플렉서블 및 웨어러블 기기에는 활용할 수 없어 유연성이 특화된 새로운 투명전극 개발이 필요하다. 은 나노와이어는 단면 지름이 수십 나노미터인, 가늘고 긴 막대 형태의 은(Ag) 성분의 나노소재이다. 매우 미세한 크기로 인해 외부에서 가해지는 힘에 따라 구부러질 수 있으며, 은 고유의 뛰어난 전기전도성과 함께 나노와이어가 엉켜있는 형태인 나노 네트워크를 구성하여 투명도 높은 필름을 만들 수 있어서, 차세대 유연 투명전극 소재로 주목받고 있다. 하지만, 은 나노와이어는 구부러질 수 있어서 유연하기는 하지만 늘어나는 소재로 활용할 수는 없었다. 기존 유연전극 연구그룹들은 신축성 기판을 늘려놓은 뒤 그 위에 은 나노와이어를 배치한 후 원래 크기로 돌려놓는 과정을 통해 구부러진 구조의 은 나노와이어를 구현하는 연구를 진행해 왔지만, 이 경우 늘임-이완을 몇 회만 반복해도 쉽게 끊어진다. 이를 보완하고자 나노와이어의 양을 증가시켜 높은 밀도의 나노와이어 네트워크를 제작하면 나노와이어가 부분적으로 끊어지더라도 전기적 연결이 계속 유지되도록 할 수 있어서 신축 전극으로 활용할 수 있으나, 이 경우에는 투명도가 크게 저하되기에 투명도와 전도도를 동시에 가지면서 신축 변형이 가능한 투명전극을 제조하는 것은 매우 어려웠다. KIST 이상수, 손정곤 박사팀은 미리 늘려놓은 기판 위에 나노와이어를 배치한 다음 늘어난 기판을 다시 이완시킬 때 나노와이어가 부러지거나 손상되는 현상을 극복하고자 나노와이어 네트워크에 용매를 접촉한 상태에서 늘임-이완을 진행하는 공정을 새롭게 제안하였다. 용매에 접촉하면 나노와이어가 젖으면서 나노와이어 사이의 마찰 저항이 감소하게 되어 기판과 함께 안정적으로 변형될 수 있게 되어, 나노와이어 네트워크가 부러지거나 나노와이어 층이 벗겨지는 불안정한 상태가 만들어지지 않을 수 있었다. 이렇게 제조된 은 나노와이어 네트워크 필름은 50% 이상 늘어날 수 있었으며, 5000번 이상의 반복적인 늘임에도 투명성과 전도성을 안정적으로 유지했다. 또한, 마찰저항을 경감시키는 용매로서 에탄올 등과 함께 물이 좋은 결과를 보임으로써 저렴하고 친환경적인 공정의 구성이 가능함을 입증하였다. KIST 연구진은 개발된 제작 공정으로 A4 종이 크기의 기판에도 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 필름을 형성 할 수 있었고, 이를 통해 어른 손바닥 크기의 신축성 투명 디스플레이를 구현할 수 있었다. 다양한 기계적 변형을 가함에도 불구하고 디스플레이 소자의 발광효율은 일정하게 유지되었으며 빛을 내는 발광체 층 이외에는 모두 투명한 투명 디스플레이로서의 적용 가능성 또한 입증하였다. KIST 이상수 박사는 “본 연구를 통해 개발된 휘어있는 은 나노와이어 신축 투명전극 제작 기술은 어떠한 변형에도 전기전도도가 변하지 않는 특성을 가진다.”라고 밝혔으며, KIST 손정곤 박사는 “대면적화 양산 공정에도 사용될 수 있으므로 고기능성 스마트웨어를 포함한 웨어러블 전자기기 산업 및 의료기기 분야에 새로운 파급력을 가져올 것으로 기대한다.”라고 연구의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원 사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 15.621) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Buckling Instability Control of 1D Nanowire Networks for a Large-Area Stretchable and Transparent Electrode - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김병수 박사 (현재, U. Michigan Postdoc) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권효원 석사 (현재, LG Display) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 기존의 미리 잡아당기는 방법을 사용하여 탄성체 기판에서 은 나노와이어를 코팅시 용매 접촉을 했을 때와 안했을 때 만들어지는 구조의 도식 이미지와 전자 현미경 사진. 직선으로 곧은 나노와이어 네트워크와 뾰족하게 접혀지고 깨진 나노와이어 네트워크, 마지막으로 물을 통해서 형성되는 큰 곡률반경으로 굽어진 은나노와이어 네트워크 [그림 2] 큰 곡률반경으로 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 기반 신축 투명 전극을 기반으로 한 KIST 로고 패턴의 ZnS:Cu 기반 신축/투명 교류 전자 발광 (ACEL) 장치의 도식 이미지 및 사진 이미지. 신축성 및 투명한 ZnS:Cu ACEL 소자의 전자 발광 이미지 및 40% 인장시 및 비틀림 및 롤링을 포함한 다양한 기계적 변형에서 작동하는 사진 이미지

- 대면적화와 패턴 제조기술 개발, 향후 늘어나는 디스플레이 등에 응용 - 휘어있는 은 나노와이어 네트워크의 신축 기판 위 범용 제작 기술 개발 국내 연구진이 휘어지고, 늘어나기도 하는 투명전극의 대형화에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 광전하이브리드연구센터 이상수, 손정곤 박사 연구팀이 높은 투명도에서도 신축성과 전기전도성을 유지할 수 있는 은 나노와이어 전극을 A4용지 크기 이상의 대면적으로 제작하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 투명전극은 전기가 흐르는 전극이면서 투명하므로 태양전지, 터치스크린 기반의 디스플레이 장치 등에 필수적인 요소이다. 현재 상용화되어 활용되고 있는 것은 인듐주석산화물(ITO) 기반의 투명전극인데, ITO기반의 투명전극은 금속 산화물 성분이기에 유연성이 매우 낮아, 향후 휴대형 전자기기의 주류를 이룰 것으로 예측되는 플렉서블 및 웨어러블 기기에는 활용할 수 없어 유연성이 특화된 새로운 투명전극 개발이 필요하다. 은 나노와이어는 단면 지름이 수십 나노미터인, 가늘고 긴 막대 형태의 은(Ag) 성분의 나노소재이다. 매우 미세한 크기로 인해 외부에서 가해지는 힘에 따라 구부러질 수 있으며, 은 고유의 뛰어난 전기전도성과 함께 나노와이어가 엉켜있는 형태인 나노 네트워크를 구성하여 투명도 높은 필름을 만들 수 있어서, 차세대 유연 투명전극 소재로 주목받고 있다. 하지만, 은 나노와이어는 구부러질 수 있어서 유연하기는 하지만 늘어나는 소재로 활용할 수는 없었다. 기존 유연전극 연구그룹들은 신축성 기판을 늘려놓은 뒤 그 위에 은 나노와이어를 배치한 후 원래 크기로 돌려놓는 과정을 통해 구부러진 구조의 은 나노와이어를 구현하는 연구를 진행해 왔지만, 이 경우 늘임-이완을 몇 회만 반복해도 쉽게 끊어진다. 이를 보완하고자 나노와이어의 양을 증가시켜 높은 밀도의 나노와이어 네트워크를 제작하면 나노와이어가 부분적으로 끊어지더라도 전기적 연결이 계속 유지되도록 할 수 있어서 신축 전극으로 활용할 수 있으나, 이 경우에는 투명도가 크게 저하되기에 투명도와 전도도를 동시에 가지면서 신축 변형이 가능한 투명전극을 제조하는 것은 매우 어려웠다. KIST 이상수, 손정곤 박사팀은 미리 늘려놓은 기판 위에 나노와이어를 배치한 다음 늘어난 기판을 다시 이완시킬 때 나노와이어가 부러지거나 손상되는 현상을 극복하고자 나노와이어 네트워크에 용매를 접촉한 상태에서 늘임-이완을 진행하는 공정을 새롭게 제안하였다. 용매에 접촉하면 나노와이어가 젖으면서 나노와이어 사이의 마찰 저항이 감소하게 되어 기판과 함께 안정적으로 변형될 수 있게 되어, 나노와이어 네트워크가 부러지거나 나노와이어 층이 벗겨지는 불안정한 상태가 만들어지지 않을 수 있었다. 이렇게 제조된 은 나노와이어 네트워크 필름은 50% 이상 늘어날 수 있었으며, 5000번 이상의 반복적인 늘임에도 투명성과 전도성을 안정적으로 유지했다. 또한, 마찰저항을 경감시키는 용매로서 에탄올 등과 함께 물이 좋은 결과를 보임으로써 저렴하고 친환경적인 공정의 구성이 가능함을 입증하였다. KIST 연구진은 개발된 제작 공정으로 A4 종이 크기의 기판에도 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 필름을 형성 할 수 있었고, 이를 통해 어른 손바닥 크기의 신축성 투명 디스플레이를 구현할 수 있었다. 다양한 기계적 변형을 가함에도 불구하고 디스플레이 소자의 발광효율은 일정하게 유지되었으며 빛을 내는 발광체 층 이외에는 모두 투명한 투명 디스플레이로서의 적용 가능성 또한 입증하였다. KIST 이상수 박사는 “본 연구를 통해 개발된 휘어있는 은 나노와이어 신축 투명전극 제작 기술은 어떠한 변형에도 전기전도도가 변하지 않는 특성을 가진다.”라고 밝혔으며, KIST 손정곤 박사는 “대면적화 양산 공정에도 사용될 수 있으므로 고기능성 스마트웨어를 포함한 웨어러블 전자기기 산업 및 의료기기 분야에 새로운 파급력을 가져올 것으로 기대한다.”라고 연구의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원 사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 15.621) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Buckling Instability Control of 1D Nanowire Networks for a Large-Area Stretchable and Transparent Electrode - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김병수 박사 (현재, U. Michigan Postdoc) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권효원 석사 (현재, LG Display) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 기존의 미리 잡아당기는 방법을 사용하여 탄성체 기판에서 은 나노와이어를 코팅시 용매 접촉을 했을 때와 안했을 때 만들어지는 구조의 도식 이미지와 전자 현미경 사진. 직선으로 곧은 나노와이어 네트워크와 뾰족하게 접혀지고 깨진 나노와이어 네트워크, 마지막으로 물을 통해서 형성되는 큰 곡률반경으로 굽어진 은나노와이어 네트워크 [그림 2] 큰 곡률반경으로 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 기반 신축 투명 전극을 기반으로 한 KIST 로고 패턴의 ZnS:Cu 기반 신축/투명 교류 전자 발광 (ACEL) 장치의 도식 이미지 및 사진 이미지. 신축성 및 투명한 ZnS:Cu ACEL 소자의 전자 발광 이미지 및 40% 인장시 및 비틀림 및 롤링을 포함한 다양한 기계적 변형에서 작동하는 사진 이미지

- 대면적화와 패턴 제조기술 개발, 향후 늘어나는 디스플레이 등에 응용 - 휘어있는 은 나노와이어 네트워크의 신축 기판 위 범용 제작 기술 개발 국내 연구진이 휘어지고, 늘어나기도 하는 투명전극의 대형화에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 광전하이브리드연구센터 이상수, 손정곤 박사 연구팀이 높은 투명도에서도 신축성과 전기전도성을 유지할 수 있는 은 나노와이어 전극을 A4용지 크기 이상의 대면적으로 제작하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 투명전극은 전기가 흐르는 전극이면서 투명하므로 태양전지, 터치스크린 기반의 디스플레이 장치 등에 필수적인 요소이다. 현재 상용화되어 활용되고 있는 것은 인듐주석산화물(ITO) 기반의 투명전극인데, ITO기반의 투명전극은 금속 산화물 성분이기에 유연성이 매우 낮아, 향후 휴대형 전자기기의 주류를 이룰 것으로 예측되는 플렉서블 및 웨어러블 기기에는 활용할 수 없어 유연성이 특화된 새로운 투명전극 개발이 필요하다. 은 나노와이어는 단면 지름이 수십 나노미터인, 가늘고 긴 막대 형태의 은(Ag) 성분의 나노소재이다. 매우 미세한 크기로 인해 외부에서 가해지는 힘에 따라 구부러질 수 있으며, 은 고유의 뛰어난 전기전도성과 함께 나노와이어가 엉켜있는 형태인 나노 네트워크를 구성하여 투명도 높은 필름을 만들 수 있어서, 차세대 유연 투명전극 소재로 주목받고 있다. 하지만, 은 나노와이어는 구부러질 수 있어서 유연하기는 하지만 늘어나는 소재로 활용할 수는 없었다. 기존 유연전극 연구그룹들은 신축성 기판을 늘려놓은 뒤 그 위에 은 나노와이어를 배치한 후 원래 크기로 돌려놓는 과정을 통해 구부러진 구조의 은 나노와이어를 구현하는 연구를 진행해 왔지만, 이 경우 늘임-이완을 몇 회만 반복해도 쉽게 끊어진다. 이를 보완하고자 나노와이어의 양을 증가시켜 높은 밀도의 나노와이어 네트워크를 제작하면 나노와이어가 부분적으로 끊어지더라도 전기적 연결이 계속 유지되도록 할 수 있어서 신축 전극으로 활용할 수 있으나, 이 경우에는 투명도가 크게 저하되기에 투명도와 전도도를 동시에 가지면서 신축 변형이 가능한 투명전극을 제조하는 것은 매우 어려웠다. KIST 이상수, 손정곤 박사팀은 미리 늘려놓은 기판 위에 나노와이어를 배치한 다음 늘어난 기판을 다시 이완시킬 때 나노와이어가 부러지거나 손상되는 현상을 극복하고자 나노와이어 네트워크에 용매를 접촉한 상태에서 늘임-이완을 진행하는 공정을 새롭게 제안하였다. 용매에 접촉하면 나노와이어가 젖으면서 나노와이어 사이의 마찰 저항이 감소하게 되어 기판과 함께 안정적으로 변형될 수 있게 되어, 나노와이어 네트워크가 부러지거나 나노와이어 층이 벗겨지는 불안정한 상태가 만들어지지 않을 수 있었다. 이렇게 제조된 은 나노와이어 네트워크 필름은 50% 이상 늘어날 수 있었으며, 5000번 이상의 반복적인 늘임에도 투명성과 전도성을 안정적으로 유지했다. 또한, 마찰저항을 경감시키는 용매로서 에탄올 등과 함께 물이 좋은 결과를 보임으로써 저렴하고 친환경적인 공정의 구성이 가능함을 입증하였다. KIST 연구진은 개발된 제작 공정으로 A4 종이 크기의 기판에도 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 필름을 형성 할 수 있었고, 이를 통해 어른 손바닥 크기의 신축성 투명 디스플레이를 구현할 수 있었다. 다양한 기계적 변형을 가함에도 불구하고 디스플레이 소자의 발광효율은 일정하게 유지되었으며 빛을 내는 발광체 층 이외에는 모두 투명한 투명 디스플레이로서의 적용 가능성 또한 입증하였다. KIST 이상수 박사는 “본 연구를 통해 개발된 휘어있는 은 나노와이어 신축 투명전극 제작 기술은 어떠한 변형에도 전기전도도가 변하지 않는 특성을 가진다.”라고 밝혔으며, KIST 손정곤 박사는 “대면적화 양산 공정에도 사용될 수 있으므로 고기능성 스마트웨어를 포함한 웨어러블 전자기기 산업 및 의료기기 분야에 새로운 파급력을 가져올 것으로 기대한다.”라고 연구의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원 사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 15.621) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Buckling Instability Control of 1D Nanowire Networks for a Large-Area Stretchable and Transparent Electrode - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김병수 박사 (현재, U. Michigan Postdoc) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권효원 석사 (현재, LG Display) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 기존의 미리 잡아당기는 방법을 사용하여 탄성체 기판에서 은 나노와이어를 코팅시 용매 접촉을 했을 때와 안했을 때 만들어지는 구조의 도식 이미지와 전자 현미경 사진. 직선으로 곧은 나노와이어 네트워크와 뾰족하게 접혀지고 깨진 나노와이어 네트워크, 마지막으로 물을 통해서 형성되는 큰 곡률반경으로 굽어진 은나노와이어 네트워크 [그림 2] 큰 곡률반경으로 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 기반 신축 투명 전극을 기반으로 한 KIST 로고 패턴의 ZnS:Cu 기반 신축/투명 교류 전자 발광 (ACEL) 장치의 도식 이미지 및 사진 이미지. 신축성 및 투명한 ZnS:Cu ACEL 소자의 전자 발광 이미지 및 40% 인장시 및 비틀림 및 롤링을 포함한 다양한 기계적 변형에서 작동하는 사진 이미지

- 대면적화와 패턴 제조기술 개발, 향후 늘어나는 디스플레이 등에 응용 - 휘어있는 은 나노와이어 네트워크의 신축 기판 위 범용 제작 기술 개발 국내 연구진이 휘어지고, 늘어나기도 하는 투명전극의 대형화에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 광전하이브리드연구센터 이상수, 손정곤 박사 연구팀이 높은 투명도에서도 신축성과 전기전도성을 유지할 수 있는 은 나노와이어 전극을 A4용지 크기 이상의 대면적으로 제작하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 투명전극은 전기가 흐르는 전극이면서 투명하므로 태양전지, 터치스크린 기반의 디스플레이 장치 등에 필수적인 요소이다. 현재 상용화되어 활용되고 있는 것은 인듐주석산화물(ITO) 기반의 투명전극인데, ITO기반의 투명전극은 금속 산화물 성분이기에 유연성이 매우 낮아, 향후 휴대형 전자기기의 주류를 이룰 것으로 예측되는 플렉서블 및 웨어러블 기기에는 활용할 수 없어 유연성이 특화된 새로운 투명전극 개발이 필요하다. 은 나노와이어는 단면 지름이 수십 나노미터인, 가늘고 긴 막대 형태의 은(Ag) 성분의 나노소재이다. 매우 미세한 크기로 인해 외부에서 가해지는 힘에 따라 구부러질 수 있으며, 은 고유의 뛰어난 전기전도성과 함께 나노와이어가 엉켜있는 형태인 나노 네트워크를 구성하여 투명도 높은 필름을 만들 수 있어서, 차세대 유연 투명전극 소재로 주목받고 있다. 하지만, 은 나노와이어는 구부러질 수 있어서 유연하기는 하지만 늘어나는 소재로 활용할 수는 없었다. 기존 유연전극 연구그룹들은 신축성 기판을 늘려놓은 뒤 그 위에 은 나노와이어를 배치한 후 원래 크기로 돌려놓는 과정을 통해 구부러진 구조의 은 나노와이어를 구현하는 연구를 진행해 왔지만, 이 경우 늘임-이완을 몇 회만 반복해도 쉽게 끊어진다. 이를 보완하고자 나노와이어의 양을 증가시켜 높은 밀도의 나노와이어 네트워크를 제작하면 나노와이어가 부분적으로 끊어지더라도 전기적 연결이 계속 유지되도록 할 수 있어서 신축 전극으로 활용할 수 있으나, 이 경우에는 투명도가 크게 저하되기에 투명도와 전도도를 동시에 가지면서 신축 변형이 가능한 투명전극을 제조하는 것은 매우 어려웠다. KIST 이상수, 손정곤 박사팀은 미리 늘려놓은 기판 위에 나노와이어를 배치한 다음 늘어난 기판을 다시 이완시킬 때 나노와이어가 부러지거나 손상되는 현상을 극복하고자 나노와이어 네트워크에 용매를 접촉한 상태에서 늘임-이완을 진행하는 공정을 새롭게 제안하였다. 용매에 접촉하면 나노와이어가 젖으면서 나노와이어 사이의 마찰 저항이 감소하게 되어 기판과 함께 안정적으로 변형될 수 있게 되어, 나노와이어 네트워크가 부러지거나 나노와이어 층이 벗겨지는 불안정한 상태가 만들어지지 않을 수 있었다. 이렇게 제조된 은 나노와이어 네트워크 필름은 50% 이상 늘어날 수 있었으며, 5000번 이상의 반복적인 늘임에도 투명성과 전도성을 안정적으로 유지했다. 또한, 마찰저항을 경감시키는 용매로서 에탄올 등과 함께 물이 좋은 결과를 보임으로써 저렴하고 친환경적인 공정의 구성이 가능함을 입증하였다. KIST 연구진은 개발된 제작 공정으로 A4 종이 크기의 기판에도 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 필름을 형성 할 수 있었고, 이를 통해 어른 손바닥 크기의 신축성 투명 디스플레이를 구현할 수 있었다. 다양한 기계적 변형을 가함에도 불구하고 디스플레이 소자의 발광효율은 일정하게 유지되었으며 빛을 내는 발광체 층 이외에는 모두 투명한 투명 디스플레이로서의 적용 가능성 또한 입증하였다. KIST 이상수 박사는 “본 연구를 통해 개발된 휘어있는 은 나노와이어 신축 투명전극 제작 기술은 어떠한 변형에도 전기전도도가 변하지 않는 특성을 가진다.”라고 밝혔으며, KIST 손정곤 박사는 “대면적화 양산 공정에도 사용될 수 있으므로 고기능성 스마트웨어를 포함한 웨어러블 전자기기 산업 및 의료기기 분야에 새로운 파급력을 가져올 것으로 기대한다.”라고 연구의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원 사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 15.621) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Buckling Instability Control of 1D Nanowire Networks for a Large-Area Stretchable and Transparent Electrode - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김병수 박사 (현재, U. Michigan Postdoc) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권효원 석사 (현재, LG Display) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 기존의 미리 잡아당기는 방법을 사용하여 탄성체 기판에서 은 나노와이어를 코팅시 용매 접촉을 했을 때와 안했을 때 만들어지는 구조의 도식 이미지와 전자 현미경 사진. 직선으로 곧은 나노와이어 네트워크와 뾰족하게 접혀지고 깨진 나노와이어 네트워크, 마지막으로 물을 통해서 형성되는 큰 곡률반경으로 굽어진 은나노와이어 네트워크 [그림 2] 큰 곡률반경으로 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 기반 신축 투명 전극을 기반으로 한 KIST 로고 패턴의 ZnS:Cu 기반 신축/투명 교류 전자 발광 (ACEL) 장치의 도식 이미지 및 사진 이미지. 신축성 및 투명한 ZnS:Cu ACEL 소자의 전자 발광 이미지 및 40% 인장시 및 비틀림 및 롤링을 포함한 다양한 기계적 변형에서 작동하는 사진 이미지

- 대면적화와 패턴 제조기술 개발, 향후 늘어나는 디스플레이 등에 응용 - 휘어있는 은 나노와이어 네트워크의 신축 기판 위 범용 제작 기술 개발 국내 연구진이 휘어지고, 늘어나기도 하는 투명전극의 대형화에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진)은 광전하이브리드연구센터 이상수, 손정곤 박사 연구팀이 높은 투명도에서도 신축성과 전기전도성을 유지할 수 있는 은 나노와이어 전극을 A4용지 크기 이상의 대면적으로 제작하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 투명전극은 전기가 흐르는 전극이면서 투명하므로 태양전지, 터치스크린 기반의 디스플레이 장치 등에 필수적인 요소이다. 현재 상용화되어 활용되고 있는 것은 인듐주석산화물(ITO) 기반의 투명전극인데, ITO기반의 투명전극은 금속 산화물 성분이기에 유연성이 매우 낮아, 향후 휴대형 전자기기의 주류를 이룰 것으로 예측되는 플렉서블 및 웨어러블 기기에는 활용할 수 없어 유연성이 특화된 새로운 투명전극 개발이 필요하다. 은 나노와이어는 단면 지름이 수십 나노미터인, 가늘고 긴 막대 형태의 은(Ag) 성분의 나노소재이다. 매우 미세한 크기로 인해 외부에서 가해지는 힘에 따라 구부러질 수 있으며, 은 고유의 뛰어난 전기전도성과 함께 나노와이어가 엉켜있는 형태인 나노 네트워크를 구성하여 투명도 높은 필름을 만들 수 있어서, 차세대 유연 투명전극 소재로 주목받고 있다. 하지만, 은 나노와이어는 구부러질 수 있어서 유연하기는 하지만 늘어나는 소재로 활용할 수는 없었다. 기존 유연전극 연구그룹들은 신축성 기판을 늘려놓은 뒤 그 위에 은 나노와이어를 배치한 후 원래 크기로 돌려놓는 과정을 통해 구부러진 구조의 은 나노와이어를 구현하는 연구를 진행해 왔지만, 이 경우 늘임-이완을 몇 회만 반복해도 쉽게 끊어진다. 이를 보완하고자 나노와이어의 양을 증가시켜 높은 밀도의 나노와이어 네트워크를 제작하면 나노와이어가 부분적으로 끊어지더라도 전기적 연결이 계속 유지되도록 할 수 있어서 신축 전극으로 활용할 수 있으나, 이 경우에는 투명도가 크게 저하되기에 투명도와 전도도를 동시에 가지면서 신축 변형이 가능한 투명전극을 제조하는 것은 매우 어려웠다. KIST 이상수, 손정곤 박사팀은 미리 늘려놓은 기판 위에 나노와이어를 배치한 다음 늘어난 기판을 다시 이완시킬 때 나노와이어가 부러지거나 손상되는 현상을 극복하고자 나노와이어 네트워크에 용매를 접촉한 상태에서 늘임-이완을 진행하는 공정을 새롭게 제안하였다. 용매에 접촉하면 나노와이어가 젖으면서 나노와이어 사이의 마찰 저항이 감소하게 되어 기판과 함께 안정적으로 변형될 수 있게 되어, 나노와이어 네트워크가 부러지거나 나노와이어 층이 벗겨지는 불안정한 상태가 만들어지지 않을 수 있었다. 이렇게 제조된 은 나노와이어 네트워크 필름은 50% 이상 늘어날 수 있었으며, 5000번 이상의 반복적인 늘임에도 투명성과 전도성을 안정적으로 유지했다. 또한, 마찰저항을 경감시키는 용매로서 에탄올 등과 함께 물이 좋은 결과를 보임으로써 저렴하고 친환경적인 공정의 구성이 가능함을 입증하였다. KIST 연구진은 개발된 제작 공정으로 A4 종이 크기의 기판에도 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 필름을 형성 할 수 있었고, 이를 통해 어른 손바닥 크기의 신축성 투명 디스플레이를 구현할 수 있었다. 다양한 기계적 변형을 가함에도 불구하고 디스플레이 소자의 발광효율은 일정하게 유지되었으며 빛을 내는 발광체 층 이외에는 모두 투명한 투명 디스플레이로서의 적용 가능성 또한 입증하였다. KIST 이상수 박사는 “본 연구를 통해 개발된 휘어있는 은 나노와이어 신축 투명전극 제작 기술은 어떠한 변형에도 전기전도도가 변하지 않는 특성을 가진다.”라고 밝혔으며, KIST 손정곤 박사는 “대면적화 양산 공정에도 사용될 수 있으므로 고기능성 스마트웨어를 포함한 웨어러블 전자기기 산업 및 의료기기 분야에 새로운 파급력을 가져올 것으로 기대한다.”라고 연구의의를 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원 사업으로 수행되었다. 이번 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF: 15.621) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Buckling Instability Control of 1D Nanowire Networks for a Large-Area Stretchable and Transparent Electrode - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김병수 박사 (현재, U. Michigan Postdoc) - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권현정 박사과정 - (제 1저자) 한국과학기술연구원 권효원 석사 (현재, LG Display) - (교신저자) 한국과학기술연구원 이상수 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손정곤 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 기존의 미리 잡아당기는 방법을 사용하여 탄성체 기판에서 은 나노와이어를 코팅시 용매 접촉을 했을 때와 안했을 때 만들어지는 구조의 도식 이미지와 전자 현미경 사진. 직선으로 곧은 나노와이어 네트워크와 뾰족하게 접혀지고 깨진 나노와이어 네트워크, 마지막으로 물을 통해서 형성되는 큰 곡률반경으로 굽어진 은나노와이어 네트워크 [그림 2] 큰 곡률반경으로 휘어있는 은 나노와이어 네트워크 기반 신축 투명 전극을 기반으로 한 KIST 로고 패턴의 ZnS:Cu 기반 신축/투명 교류 전자 발광 (ACEL) 장치의 도식 이미지 및 사진 이미지. 신축성 및 투명한 ZnS:Cu ACEL 소자의 전자 발광 이미지 및 40% 인장시 및 비틀림 및 롤링을 포함한 다양한 기계적 변형에서 작동하는 사진 이미지

- 마그네슘을 투입하여 해수담수화 분리막 오염을 억제하는 공정 개발 - 해수담수화 안정성을 확보하여 공정 효율 및 분리막 수명 연장 기대 국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다. 해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만, 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다. KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안하였다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다. KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.913, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이석헌 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도

- 마그네슘을 투입하여 해수담수화 분리막 오염을 억제하는 공정 개발 - 해수담수화 안정성을 확보하여 공정 효율 및 분리막 수명 연장 기대 국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다. 해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만, 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다. KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안하였다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다. KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.913, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이석헌 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도

- 마그네슘을 투입하여 해수담수화 분리막 오염을 억제하는 공정 개발 - 해수담수화 안정성을 확보하여 공정 효율 및 분리막 수명 연장 기대 국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다. 해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만, 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다. KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안하였다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다. KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.913, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이석헌 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도

- 마그네슘을 투입하여 해수담수화 분리막 오염을 억제하는 공정 개발 - 해수담수화 안정성을 확보하여 공정 효율 및 분리막 수명 연장 기대 국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다. 해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만, 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다. KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안하였다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다. KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.913, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이석헌 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도

- 마그네슘을 투입하여 해수담수화 분리막 오염을 억제하는 공정 개발 - 해수담수화 안정성을 확보하여 공정 효율 및 분리막 수명 연장 기대 국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 직무대행 윤석진) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 밝혔다. 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명하였다. 해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만, 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다. KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안하였다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다. KIST 정성필 박사는 “소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말하며, “무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부(장관 조명래) 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.913, JCR 분야 상위 0.549%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Retardation of wetting for membrane distillation by adjusting major components of seawater - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김혜원 연구원(박사과정) - (교신저자) 한국과학기술연구원 정성필 선임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 이석헌 책임연구원 <그림설명> [그림 1] 마그네슘이 추가 전처리가 적용된 경우, 막 증류 공정 분리막의 막오염이 제어되는 기작 개요도