화학에너지공학과 강상욱 교수 연구팀, 친환경 셀룰로오스 활용해 균일한 다공성 분리막 개발
우리 대학 화학에너지공학과 강상욱 교수 연구팀이 친환경 바이오 기반 고분자인 하이드록시에틸셀룰로오스(Hydroxyethyl Cellulose, HEC)를 활용해 기존 고분자 분리막에서 발생하는 불균일한 기공 구조를 개선하고, 기체 투과 성능을 향상시키는 새로운 다공성 분리막 제조 기술을 개발하는 데 성공했다.
일반적으로 고분자 분리막은 내부에 미세한 기공을 형성해 기체나 액체를 통과시키는 소재로, 수처리, 기체 분리 및 환경·에너지 분야에서 널리 활용되고 있다. 특히, 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate)는 식물 유래 셀룰로오스를 기반으로 하는 고분자로, 우수한 가공성과 비교적 안정적인 물성을 갖추고 있어 친환경 분리막 소재로 주목받고 있다. 그러나 기존 CA 분리막은 제조 과정에서 용매와 비용매가 빠르게 교환되면서 내부에 크고 길쭉한 기공인 매크로보이드(macrovoid)가 불균형하게 형성되는 문제가 있다. 이러한 기공은 분리막 내부의 구조적 불균일성을 증가시키며, 전체 기공률이 높더라도 실제 물질 이동에 효과적으로 기여하지 못할 수 있다는 한계가 있다.
강 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 친수성이 높은 셀룰로오스 유래 고분자인 HEC를 CA에 소량 첨가하는 새로운 접근법을 제시했다. 특히 물을 이용한 ‘비용매 유도 상분리(Non-solvent Induced Phase Separation, NIPS)’ 공정에서 HEC가 용매와 비용매의 교환 거동에 영항을 미쳐 기공 형성 과정을 조절할 수 있다는 점에 주목했다.
HEC를 첨가한 경우, 분리막의 기공률은 기존 77.3%에서 87.3%로 증가했으며, 기체 100cc가 분리막을 통과하는 데 걸리는 시간인 ‘걸리값(Gurley value)’은 질소 기체의 경우 120.1초에서 72.6초로 약 40% 감소했다. 이는 기존 분리막보다 기체가 더욱 원활하게 통과할 수 있음을 의미한다. 또한 이산화탄소의 걸리값도 감소해 질소뿐 아니라 이산화탄소에서도 기체 투과 성능이 향상되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 단순히 기공의 크기를 증가시키는 것이 아니라, 분리막 내부에 균일하고 서로 연결된 기공 구조를 형성하는 것이 물질 이동 성능을 향상시키는 데 중요하다는 점을 시사한다. 아울러 높은 기공률에도 불구하고 분리막은 배터리용으로 활용할 수 있는 수준의 열적·화학적 안정성을 유지하는 것으로 확인됐다.
강상욱 교수는 “기존에는 고분자 분리막의 투과 성능을 높이기 위해 기공을 많이 형성하는 데 주목했지만, 이번 연구에서는 기공의 양뿐 아니라 기공이 얼마나 균일하고 효과적으로 연결되어 있는지가 중요하다는 사실을 확인했다”라며, “특히 친환경 셀룰로오스 유래 고분자인 HEC를 소량 첨가하는 것만으로 상분리 과정과 기공 구조를 조절할 수 있다는 점에서 의미가 큰 연구”라고 설명했다.
강 교수 연구팀은 이번 연구가 친환경 다공성 분리막의 구조를 정밀하게 제어하는 새로운 소재 설계 전략으로 활용될 것으로 내다봤다. 특히, 배터리 세퍼레이터, 수처리용 분리막, 기체 투과 소재 및 환경·에너지 분야의 기능성 고분자막 개발에 기초 기술로 활용될 가능성이 있다고 전망했다.
한편, 이번 연구 결과는 『International Journal of Biological Macromolecules』 2026년 10월호 377권에 게재됐다. 이 학술지는 피인용지수 8.7, JCR(Journal Citation Reports, 저널 인용 보고서) 분야별 상위 6.3%에 해당하는 저명한 국제학술지로 평가받고 있다. 논문 제목은 「Regulating phase inversion behavior in cellulose acetate membranes using hydroxyethyl cellulose: Suppression of macrovoids and development of uniform sponge-like porous structures」이다(제1저자: 유하람).
