한국에너지기술연구원은 해양융복합연구팀의 최지연·정남조 연구원 등이 오염에 강하고 스택 내부 압력 손실이 매우 적은 염분차 발전용 물결무늬 패턴형 이온교환막 개발에 성공했다고 13일 밝혔다.
염분차 발전 중 '역전기투석'은 교대로 적층된 이온교환막과 그 사이 유로 역할을 하는 스페이서로 구성된다. 스페이서는 해수와 담수가 흐르도록 하는데, 실로 천을 짜는 식의 직조방식으로 만든다. 문제는 내부 작은 공간에 콜로이드(원자보다는 커 반투막을 통과할 수 없는 물질) 형태 오염 물질이 쉽게 갇힌다는 점이다. 오염문제는 물론이고, 압력을 상승시켜 에너지 소모를 증가시킨다.
이 때문에 패턴형 이온교환막 개발 노력이 진행 중인데, 얇은 막을 만들기 어렵고 금속형 몰드(틀)에서 분리 시 균열이 생길 수 있어 이온교환막 성능 저하 문제가 대두된다.
연구팀은 3D 프린터로 패턴 구조물을 이온교환막 표면에 직접 인쇄해 120마이크로미터(㎛) 두께 패턴형 이온교환막 개발에 성공했다. 이 막은 압력을 3분의 1수준으로 줄이고 내오염성이 향상돼 스택 안정성을 획기적으로 높인다. 3D 프린터로 세공충진형 이온교환막(나노 크기 기공에 친수성 고분자를 채워 이온을 선택적으로 교환하는 분리막) 표면에 물결무늬 패턴을 적용, 유로를 만들어 이 문제를 해결했다. 해수와 담수는 물결무늬 패턴을 따라 막힘없이 흘러 오염 물질이 스택 내부에 쌓이지 않는다.
실제 해수와 하수방류수를 사용한 비교에서 기존 스택은 압력이 초기대비 3배 이상 상승해 6일 만에 운전이 중단됐으나 패턴막은 14일 이상 안정적으로 운전했다. 장기간 운전 시, 직조형 스페이서를 사용하는 역전기투석 유지비용은 전체 30~50%를 차지하는데 반해, 패턴형 이온교환막은 10~20% 수준이었다.
연구팀은 자체 개발 3D 프린터로 대면적화, 양산화 문제를 해결했고, 다양한 패턴 구조물을 구현할 수 있게 했다.
최지연 연구원은 “패턴형 이온교환막은 하수처리장 방류수를 재사용해 안정적인 전기 생산이 가능한 기술로, 탄소중립 실현 및 하수처리장 에너지 자립도를 높이는 데 기여할 수 있다”며, “특히, 이온교환막 기반 다양한 전기화학 공정 분야에 적용될 수 있어 국내 소재·부품 기술 경쟁력 강화에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
