유체 내 존재하는 미량의 물질을 찾아내기 위해서는 농축, 분류 등의 시료 전처리 과정이 반드시 필요하다. 최근 과학계에서는 전기수력학(electrokinetics)1) 바탕의 간편한 시료 전처리 방법이 활발하게 연구되고 있다. 그러나, 핵심 구성 요소인 음이온 교환 물질의 부재로 인해 그 응용 범위가 음전하 입자로만 제한되고 있는 상황이다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 양전하 입자를 콕 집어 농축할 수 있는 방법을 찾아냈다.

POSTECH 기계공학과 임근배 교수, 박사과정 이민수 씨, 권혁진 박사 연구팀은 새로운 형태의 음이온 교환 물질인 '다공성 음이온 교환막'을 개발하여 양전하 입자를 위한 전기수력학 기반 시료 농축 장치를 구현하는 데 성공하였다. 이 연구성과는 우수성을 인정받아 재료과학 분야의 권위지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 표지 논문으로 게재됐다.

이온 교환 물질은 특정한 극성의 이온을 선택적으로 통과시켜 유체가 흐르는 채널 내에 강한 전기장 영역을 유도해주는 역할을 한다. 이를 통해, 유체 내 존재하는 대전 입자는 전기적 반발력을 받아 연속적으로 농축된다. 일반적으로, 농축하고자 하는 대전 입자의 극성에 따라 요구되는 이온 교환 물질의 극성이 다른데, 음전하 입자의 경우 양이온 교환 물질이, 양전하 입자의 경우 음이온 교환 물질이 필요하다. 그런데, 현재 상용 물질이 존재하는 양이온 교환 물질과 달리 음이온 교환 물질의 경우 쉽게 적용할 수 있는 물질이 존재하지 않아, 양전하 입자 농축 장치의 제작 과정이 매우 복잡해지는 문제가 발생하고 있다.

연구팀은 기존 음이온 교환 재료를 이용하여 간단한 주조 및 염침출2) 과정을 통해 우수한 기계적 강도와 이온 교환 능력, 유체 수송 능력을 지니는 다공성 막 구조의 음이온 교환 물질을 제조하였다.

다공성 음이온 교환막은 유체 수송과 이온 교환을 동시에 수행할 수 있는 특성 덕분에 장치에 간편하게 삽입되어 음이온 교환 물질 역할을 수행하는 것이 가능하다. 이에 따라, 연구팀은 양전하 입자 농축 장치를 간단한 삽입 및 조립 기반의 방법을 통해 구현할 수 있었으며, 이로써 기존 방법 대비 장치의 제작 과정이 크게 간소화됐다.

임근배 교수는 "다공성 음이온 교환막은 양전하 입자 관련 연구 분야의 활성화, 진보에 있어 주요한 역할을 할 것"이라며, "개발한 교환막의 높은 확장성을 고려했을 때, 진단 및 검출 분야와 더불어 오염 제어, 자원 회수 분야, 그리고 반도체 세정 분야에서도 성공적으로 활용될 수 있을 것"이라고 기대감을 드러냈다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

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[용어설명]

1) 전기수력학(electrokinetics) : 전기장이 인가된 유체 내 존재하는 대전 입자의 움직임, 대전 입자와 그들을 둘러싸고 있는 유체와의 상호 작용을 다루는 학문 분야

2) 염침출: 특정 물질을 주조하는 과정에서 미세한 크기의 염입자를 첨가한 뒤, 주조 과정 이후에 염입자를 침출시켜 구조물에 미세 기공을 형성하는 방법