재료의 잠재력을 최대한 발휘하는 흡착제, 촉매, 이온 교환체의 제작 기술

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-03-03

NEDO 산업기술 연구 조성 사업의 일환으로 호카이도 대학 대학원 공학 연구과 유기 프로세스 공학부문에서는 다공질 재료의 선구체가 되는 습윤 겔에 방향성을 갖게하여 이를 동결시킴으로써 마이크로 하니컴상의 모노리스로 성형하는 기술을 새롭게 개발했다. 성형한 모노리스는 유체를 통과시켰을 때 저항이 낮고, 재료가 본래 가지고 있는 잠재력을 최대한 발휘하는 것이 가능해 진다. 또, 저가의 원료를 이용할 수 있으며, 템플릿도 안전하고 제거가 용이하기 때문에 저비용(기존 대비 수십 혹은 수백분의 일)이면서 환경 부하를 억제한 다공질 재료(흡착제?이온 교환체?촉매) 제작 기술이다. 다공질 재료는 화학제품을 효율적으로 제조하기 위한 촉매나 물로부터 유해 물질을 제거하기 위한 흡착제 등으로 다양한 분야에서 이용되고 있다. 일반적으로 다공질 재료의 기본 기능은 그 나노 세공에 의해 제공되기 때문에 나노 세공의 구조 제어에 관한 연구가 각처에서 활발히 진행되고 있다. 다공질 재료는 일반적으로 입자로 제조, 컬럼에 충전해 이용하는데, 유체에 대한 저항을 작게 하기 위해서는 큰 입자를 사용해야 하는데, 이러한 입자를 사용하면 그 중심부까지 유효하게 사용하는 것이 곤란해 진다. 섬유, 하니컴 등의 모폴로지를 재료에 부여하면, 이론적으로는 이 문제의 해결이 가능하지만, 저비용으로 이것을 실현하는 것은 매우 곤란했다. 또, 실현될 수 있다고 해도 그 기술을 이용하면 환경 부하가 높은 폐기물이 나오는 등 새로운 문제도 발생한다. 호카이도 대학에서는 다공질 재료의 선구체 겔을 방향성을 갖게해 동결시키면 마이크로 하니컴상의 모노리스체로 성형이 가능한 것을 이용해 저비용으로 환경 부하가 낮은 다공질 재료(흡착제, 이온 교환체, 촉매)의 제작 기술 개발에 성공했다. 원래 포함되어 있는 물이 재료 내부에서 얼어서 빙정의 템플릿이 되기 때문에 "빙정 템플릿법"이라고 명명한 이 방법으로 얻을 수 있는 모노리스체는 마이크로미터 사이즈의 직선 모양 유로가 축방향으로 발달해, 나노 세공이 발달한 마이크로미터 오더 두께의 벽으로부터 되어 있다. 따라서, 내부의 확산 거리가 미립자 수준으로 매우 짧음에도 불구하고 유체를 통과시켰을 때의 저항은 큰 입자를 이용했을 경우와 동등한 수준으로 낮고 재료가 본래 가지고 있는 포텐셜을 최대한으로 발휘하는 것이 가능해 진다. 입자 충전 컬럼 대신 이용하는 것으로, 처리 시간의 단축, 운전 비용의 저감 등 많은 장점이 있다. 이 기술에는 다른 다공질 재료 형성 방법과 비교해 다음과 같은 강점이 있다. 첫번째로, 낮은 비용, 낮은 환경 부하의 기술이라는 것이다. 원료, 템플릿이 저가로 템플릿의 제거가 용이한 "빙정 템플릿법"을 이용하고 있기 때문에, 저비용(기존 마이크로 성형 기술의 수십~수백분의 일)으로 환경 부하가 낮은 방법이다. 두번째로는 졸-겔 재료의 일반적 적용이 가능하다는 것이다. 이론적으로는 "졸-겔"로 제작 가능한 재료의 일반적 적용이 가능하다. 게다가 나노 입자를 분산시킨 겔에도 적용할 수 있기 때문에 여러가지 기능을 가진 모노리스체의 제작이 가능하다. 세번째로, 운전 비용을 줄일 수 있다. 이 기술로 만든 재료는 유로벽 내에 발달해 있는 나노 세공이 마이크로미터 사이즈의 유로에 직결하고 있는 특이한 세공의 계층 구조를 가지고 있다. 다른 기술로도 동일한 구조를 실현하는 것이 가능하지만 비용이 많이 든다. 이 기술로 만든 재료는 마이크로미터 사이즈의 유로가 직선 모양이기 때문에 유체에 대한 저항을 최소화하는 것이 가능해진다. 따라서 운전 비용을 대폭으로 줄일 수 있다. 네번째로, 다양한 스케일에 맞는 재료 제작이 가능하다. 다른 경쟁 기술과 달리 mm 사이즈로부터 m 사이즈의 재료의 제작이 가능하다. 이 때문에 분석 장치와 같은 소형 스케일의 장치로부터 대량 생산용 제조 장치와 같은 대형 스케일의 장치까지 스케일에 맞는 재료의 제작이 가능하다. 향후, 호카이도 대학에서는 이 빙정 템플릿법의 실용화를 목표로 한다. 완전한 신규 형상의 재료가 되기 때문에 재료의 실적 축적을 위해 공동 개발을 제안한다. 구체적으로는 흡착재, 이온 교환체, 촉매의 기술개발, 상품개발에 실적을 가진 기업, 바이오 공학용 겔의 기술개발, 상품개발에 실적을 가진 기업 등과의 공동 연구를 희망하고 있다. 출처 : http://www.hokudai.ac.jp/bureau/topics/press_release/100302_pr_nedo.pdf