300℃ 열처리 후 강도 114% 증가…원통형 카트리지 등 입체 필터 제작 가능
TEOS·PVP 최적 비율 도출…인장강도 114.3% 향상, 미세입자 98.6% 포집
은종현·설인환 교수팀 연구, 분리막 분야 Top 5% 'JMS' 논문 게재
국립금오공과대학교 연구진이 제철·반도체 등 가혹 환경의 공정용 필터에 활용할 수 있는 실리카(초미세 유리가루 기반) 나노섬유의 최적 제조 공정을 규명했다.
금오공대는 은종현·설인환 화학소재공학부 교수 연구팀이 실리카 나노섬유 제조 과정에서 화학반응 속도와 고분자 사슬 얽힘의 균형점을 찾아 구조적으로 안정한 실리카 나노섬유 공정 조건을 확립했다고 4일 밝혔다.
실리카 나노섬유는 열과 화학물질에 강해 기존 고분자 필터를 적용하기 어려운 고온 배기가스 집진이나 화학 공정에 필수적이다. 그러나 실리카 원료인 TEOS와 고분자 성분인 PVP의 최적 혼합 비율을 도출하는 것이 기술적 난제로 꼽혔다.
연구팀은 TEOS 농도와 PVP 함량, 용액 숙성 시간을 단계별로 분석해 TEOS 18wt%, PVP 2.4g 조성에서 결함 없는 균일한 나노섬유가 형성되는 점을 확인했다. 이 조성을 적용한 섬유를 300℃에서 열처리한 결과, 형태 유지는 물론 인장강도가 0.14MPa에서 0.30MPa로 114.3% 향상됐다. 필터 성능 평가에서는 2~4㎛ 크기의 미세입자를 98.6% 걸러냈다.
특히 연구팀이 개발한 나노섬유 매트는 3D 프린팅으로 제작된 상·하부 금형 성형 과정에서도 파손 없이 입체 형상으로 가공됐다. 원하는 가공이 까다로웠던 실리카 기반 나노섬유를 원통형 카트리지 등 장비 형상에 맞춘 맞춤형 필터 모듈로 제작할 수 있게 됐다.
이번 연구는 이선빈 석사과정생이 제1저자로 참여했으며, 엘스비어(Elsevier)가 발행하는 분리막 분야 학술지 '저널 오브 멤브레인 사이언스'(Journal of Membrane Science)에 지난달 24일 온라인 게재됐다. 연구는 금오공대 앵커사업단의 2026 산학연 공동 기술개발과제 지원으로 수행됐다.
은 교수는 "실리카 나노섬유 제조의 핵심이었던 반응 속도와 고분자 사슬 얽힘 간의 균형을 규명해 열적 안정성이 요구되는 필터 분야의 무기물 나노섬유 설계 지침을 제시했다"고 평가했다.
