나노전기수력학 현상의 핵심 기작을 최초로 증명한 연구 결과가 나왔다. 해수담수화 장치에서 중요한 역할을 하는 나노 다공성 막의 성능 저하를 방지하거나 배터리에서 전력 효율을 극대화할 수 있어 세계적으로 주목받는 기술이다. 

서울대학교 공과대학은 전기·정보공학부 김성재 교수팀이 스탠퍼드 대학교 알리 마니(Ali Mani) 교수팀과의 공동 연구에서 비균일(nonuniform)하게 배치된 미세 구조물들 사이에서 생성되는 재순환 흐름이 나노 다공성 막을 통과하는 전해질 이온의 전달을 가속한다는 기작을 증명했다고 1일 밝혔다. 

연구진은 나노 다공성 막을 사이에 두고 두 개의 미세채널을 연결한 뒤, 미세 채널 내부에 비균일 간격으로 미세구조물을 설치함으로써(그림 a) 발생하는 재순환 흐름을 이론적/실험적으로 검증하고, 이 흐름을 응용해 이온 전류를 크게 증가시켰을 뿐만 아니라 다공성 막 근처에서 염 결정화(salt crystallization)를 막는 데 성공했다. 

나노 다공성 막은 100나노미터 이하 크기의 기공을 갖고 있어, 막의 표면전하와 반대되는 극성의 이온만을 투과시키는 선택적 이온 투과 특성(Perm-selectivity)을 나타낸다. 이러한 시스템에 외부 전기장을 가하면 일반적인 옴의 법칙(전류의 세기는 두 점 사이의 전위차에 비례하고, 전기저항에 반비례한다는 법칙)을 크게 벗어나는 비선형적 과한계 전류 현상이 발생하는데, 이번 연구는 과한계 전류를 유발하는 새로운 기작을 증명한 것이다. 

연구진은 자연의 비균일한 미세구조를 모사해 결합시키고 체계적으로 분석한 끝에 결과를 얻을 수 있었다. 이 연구 내용은 에너지 분야, 환경 분야에서 중요하게 활용될 수 있는데 특히 나노 다공성 막을 포함하고 있는 배터리, 해수담수화 장치에 유용할 것으로 기대된다. 

이번 연구를 응용하면 나노 다공성 막 전단에 기설치된 미세 구조물을 비균일하게 변경함으로써 배터리에서 충전 효율을 극대화할 수 있으며(그림 b), 해수담수화 장치에서는 나노 다공성 막의 성능을 저하시키는 원치 않는 염의 석출을 최소화해(그림 c) 분리막 오염(fouling) 방지에 활용할 수 있을 것으로 전망된다. 

서울대 김성재 교수는 “우연히 발견한 현상을 끈질기게 분석해 나노전기수력학 현상의 핵심 기작을 증명했다”며 “현재 공동 연구팀은 이 기술을 활용해 배터리와 해수담수화 장치에 응용하는 플랫폼을 개발 중”이라고 밝혔다. 

이번 연구 결과는 나노과학기술 분야 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 3월 31일 자로 온라인 게재됐고 표지 논문으로 선정됐다. 이 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원 사업과 기초연구실 사업의 지원으로 수행됐다.