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네펜데스를 모사한 섬모구조를 재생 셀룰로오스 등 친환경 소재에 구현
해수에서 고형화 된 저유황유도 잘 걸러지는 친환경 기름 뜰채 개발 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)는 대기오염의 주원인인 황산화물(SOx)의 발생을 억제하고 기후변화에 대응하기 위해 2020년부터 황 함량이 0.5% 이하인 저유황유만을 선박 연료유로 사용하는 IMO2020을 발표했다. 기존 연료유의 황 함유량 상한선이 3.5%인 것을 고려하면 환경오염을 줄이고자 하는 적극적 행보이다. 하지만 저유황유는 점도가 매우 높고, 특히 기름이 바다에 유출되면, 차가운 해수와 만나 고체처럼 딱딱해진다. 이렇게 고형화된 저유황유는 기존 기름 회수 장비로는 회수가 어려워 특화된 방제 기술의 개발이 필요한 상황이다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 극한소재연구센터 문명운 박사 연구팀과 고려대학교(총장 정진택) 기계공학과 정석 교수 연구팀은 이러한 저유황유 등 고점도 유출유에 대응하기 위해 셀룰로오스 소재를 이용해 기름을 떠서 제거하는 친환경 기름 뜰채를 개발했다고 밝혔다. 개발된 기름 뜰채는 식충식물인 네펜데스의 곤충채집 원리를 적용한 것이다. 네펜데스의 포충낭 표면에는 곤충을 채집하기 위한 섬모가 있는데, 이 섬모는 물을 쉽게 흡수해 물층을 견고하고 두껍게 유지하는 역할을 한다. 곤충들은 네펜데스의 화려한 색과 향기에 끌려 포충낭 입구로 이동하고, 입구에 있는 섬모에 미끄러져 내부로 들어가게 된다. 연구진은 셀룰로오스 소재의 막(멤브레인)에 네펜데스의 섬모구조를 모사한 나노섬모를 제작해 단단한 물 구조층(윤활층)을 소재 표면에 유지되도록 했다. 이렇게 만들어진 소재를 뜰채에 적용할 경우 물윤활(water lubricant) 원리 물윤활 원리 : 표면과 물질 사이에 물막을 형성하여 표면과 물질의 접촉에서 발생하는 마찰, 점착을 제어 하는 것에 의해 표면에서 기름이 쉽게 미끄러지고, 물은 잘 통과하는 현상을 확인할 수 있었다. 연구진은 실제 효과를 검증하기 위해 저유황유의 바다 기름 유출 현장의 기름회수 평가를 진행한 결과, 저유황 선박연료유 기준 1일 1톤 규모의 기름을 회수할 수 있음을 확인했다. 기존 소재의 경우 소수성 소재에 친수성 코팅을 해 수 회 사용 후에는 소재 표면이 기름에 쉽게 오염되는 현상을 보였으나, 개발된 소재는 견고한 물 윤활층을 유지함으로써 수백 회 이상 사용 시에도 성능 저하 없이 작동해 뛰어난 내구성을 보였다. KIST 극한소재연구센터 문명운 책임연구원은 “본 기술은 식물의 구조를 소재에 모사해 성능과 내구성을 모두 향상시켰다는 데 의의가 있다”라며, “기름 뜰채나 유출유 회수기와 같은 오염 방제기기 뿐만 아니라 기름제거용 장갑이나 작업 의류에 적용 범위를 넓힐 수 있다는 장점이 있다”라고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 해양경찰청 과제를 통해 수행되었으며, 연구 결과는 소재, 환경 분야 국제학술지 ‘Advanced Science*’ (IF 17.521)에 5월(5월 5일-온라인)에 표지논문으로 선정되었으며 및 환경 분야 국제학술지 ‘Environmental Pollution**’ (IF: 9.98)에 6월(온라인)에 잇따라 게재되었다. ■ 논문정보 1. 저널: Advanced Science *제목: Slippery, Water-infused Membrane with Grooved Nanotrichomes for Lubricating-induced Oil Repellency *제1저자: 한국과학기술연구원 이영아 학생연구원 교신저자-공동: 고려대학교 정 석 교수 교신저자-공동: 한국과학기술연구원 문명운 책임연구원 2. 저널: Environmental Pollution *제목: Hygroscopic Ramie Fabrics for Recovering Highly Viscous Low Sulfur Fuel Oil *제1저자-공동: 한국과학기술연구원 이영아 학생연구원 제1저자-공동: 한국과학기술연구원 박영철 학생연구원 교신저자: 한국과학기술연구원 문명운 책임연구원 ■ 그림설명 논문 1. Slippery, Water-infused Membrane with Grooved Nanotrichomes for Lubricating-induced Oil Repellency [그림 1] 식충식물의 변형잎 (포충낭)안에 개미들이 빠져 있는 모습. 잎내부의 기다란 섬모는 물층을 두껍게하고, 두꺼워진 물층은 매우 미끄러우며, 개미 등의 곤충이 쉽게 미끌어지게 되어 포충낭 속으로 빠짐. 포충낭에 빠진 개미들은 포충낭 속 소화액에 녹아서 식충식물의 부족한 영양분이 됨. [그림 2] 물 윤활층 형성 및 물윤활층 위의 기름 거동 이미지. A) 두꺼운 물 윤활층 위에서 기름이 분리되는 과정. C) 두꺼운 물층. B) 얇은물 윤활층 위에서 기름이 붙어 있는 과정. D) 얇은 물층. [그림 3] 나노기름뜰채 적용 이미지. A, B & C) 공기중에서 기름이 씻겨나가는 과정. D) 저유황유용 기름뜰채에서 기름제거 모습. 논문 2. Hygroscopic Ramie Fabrics for Recovering Highly Viscous Low Sulfur Fuel Oil [그림 4] 모시 소재 이용 ‘기름 묻지 않은 장갑’ 이미지. 모시로 만든 기름장갑(i)에 기름을 묻히고(ii) 다시 물에 넣으면 (iii & iv) 깨끗이 씻겨나가는 모습 -출처: KIST 소식 최신연구성과
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