▲서울대 전기정보공학부 김성재 교수 연구팀(왼쪽부터 김성재 교수, 이효민 박사, 조인희 연구원, 김원석 연구원)

서울대 공대(학장 이건우)는 전기정보공학부 김성재 교수 연구팀이 나노유체역학 장치를 이용해 액체상에서 이온의 종류에 따라 분리가 가능한 메커니즘을 증명했다고 20일 밝혔다. 이번 연구는 리튬과 같은 바닷속 자원 활용에 크게 기여할 핵심 기술로 기대를 모으고 있다.

이온을 분리하기 위해서는 일반적으로 고전압, 고온의 조건이 필요하며, 특히 기체상에서만 가능한 것으로 알려져 있다. 이러한 조건에서는 강력한 전기화학 반응 속에 시료의 변화를 막을 수 없어 이온의 정밀한 포집이 어렵다는 이유로 상용화 연구가 진행되지 못했다.

이에 연구팀은 나노유체역학 장치를 이용해 국부적인 고전기장을 발생시켰다. 이로 인해 수화된 이온의 물 분자가 벗겨지며 이온 이동도가 급격하게 증가했다. 그 결과 리튬, 나트륨 등의 양이온들이 액체상에서도 상변이 없이 분리돼 연속적으로 추출해낼 수 있음을 확인했다.

해당 메커니즘은 대류에 의한 유체 흐름이 지배적인 시스템에서도 전기장이 충분히 강하게 인가된다면 농도 구배에 의한 유체의 흐름을 무시할 수 없다는 물리적 중요성과 더불어, 무엇보다 이러한 결과를 응용한다면 액체상에서도 이온들을 종류에 따라 효과적으로 분리할 수 있다는 점에 주목할 만하다. 바닷물의 수많은 나트륨 이온 내에 일부 존재하는 리튬과 같이, 자원으로 활용할 만한 금속 이온을 직접 분리할 수 있는 원리의 단초를 마련했기 때문이다.

김 교수는 “이번 연구를 통해 완전히 새로운 나노전기수력학적 물리 현상을 증명했다”며, “육상 자원이 고갈되는 상황에서 바닷속 자원을 효과적으로 이용할 수 있는 장치의 핵심 기술로 적용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 세계적으로 주목 받아 과학기술분야 최고 권위 학술지 ‘피지컬리뷰레터스(Physical Review Letters)’에 연구 논문이 게재되었다. 해당 연구는 미래창조과학부 신진연구자지원후속과제로 선정되어 2016년부터 지원받고 있다.

한편 서울대 전기정보공학부 김성재 교수, 이효민 박사가 공동 지도하고 조인희 연구원, 김원석 연구원이 주도적으로 진행했으며, 김성재 교수는 포항공대 화학공학과에서 박사 학위 취득 후 현재 서울대 전기정보공학부 부교수로 재직 중이다.

[그림설명 

▲일정 전기장 세기 이상에서는 수화된 이온의 물분자가 벗겨 지며 이온 이동도의 급격한 증가를 유발함.
이에 따라 이온 농도 및 유체 유동의 특이적 증가를 나타냄 (서울대 공대 제공)