신소재공학부 백정민 교수팀, 50nm 이하 초미세 나노플라스틱 99% 걸러내는 무전원 여과 기술 세계 최초 개발

- 전기영동-정전기적 상호작용 결합으로 상용화 가능한 고유속 여과 성공

- 마찰대전 발전기로 전력 자급자족 및 필터 재사용 가능해 경제성 극대화

▲ (왼쪽부터) 신소재공학부 백정민 교수, 김도헌, 박지영 석박통합과정생, KIST 홍석원 박사

신소재공학부 백정민 교수 연구팀이 세계 최초로 재사용이 가능한 전기동역학적 여과 시스템을 개발하여, 상용화 수준의 높은 유속에서도 50nm(나노미터) 이하의 초미세 나노플라스틱을 99% 이상 걸러내는 데 성공했다.

최근 산업화와 팬데믹을 거치며 급증한 플라스틱 오염은 인류의 건강을 직접적으로 위협하고 있다. 특히 100nm 이하의 나노플라스틱은 머리카락 굵기의 수천 분의 일 정도로 작아 우리 몸의 생체막을 쉽게 통과하며, 면역장애나 내분비계 교란 등 심각한 질병을 유발할 수 있다. 하지만 기존의 정수 시스템은 입자가 너무 작은 나노플라스틱을 효과적으로 제거하지 못해, 생수 한 병에서도 수십만 개의 입자가 발견되는 등 기술적 한계가 지적되어 왔다.

▲ 전기동역학적 무전원 여과 시스템 개략도 및 소재별 여과 효율

백정민 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 미세한 구멍이 있는 금속 필터에 전기적 성질을 부여하는 방식을 도입했다. 연구팀은 마그네슘 옥사이드(MgO)와 특수 고분자 화합물을 코팅하고 전압을 인가하여, 물속에서 음의 전기를 띠는 나노플라스틱을 자석처럼 강력하게 끌어당기는 필터 기술을 구현했다. 이를 통해 연구팀은 물이 아주 빠르게 흐르는 환경에서도 50nm 크기의 나노플라스틱을 99% 이상 완벽하게 여과하는 성과를 거두었다.

특히 이번 연구는 외부의 배터리나 전원 공급 없이도 스스로 작동할 수 있다는 점이 큰 특징이다. 연구팀은 일상적인 움직임에서 발생하는 마찰 에너지를 전기로 바꾸는 ‘마찰대전 발전기’를 시스템에 결합하여 에너지 자급자족을 실현했다. 또한, 전기장의 방향을 반대로 조절하는 방식으로 필터에 붙은 플라스틱 입자들을 떼어낼 수 있어, 20회 이상 필터를 재사용해도 성능이 그대로 유지되는 경제성까지 확보했다.

이 시스템은 수돗물이나 강물 등 실제 다양한 수질 환경에서도 일정한 성능을 유지했으며, 세계보건기구(WHO)의 음용수 기준에 부합하는 수준의 정화 능력을 보여주었다. 백정민 교수는 “본 연구는 나노플라스틱의 전기적 여과 원리를 수학적으로 명확히 규명했다는 점에서 학술적 의미가 크다”며 “앞으로 박테리아 제거 및 유용한 금속 자원을 걸러내는 기술 등 다양한 수중 정화 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 강조했다.

이번 연구는 2025년도 12월 미래개척융합과학기술개발사업 및 과기정통부 개인기초연구사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료 과학 분야의 세계적 권위지인 ‘머티리얼즈 투데이(Materials Today, IF 22.0)’ 2025년 12월 온라인판에 게재되었다. 연구팀은 현재 관련 기술에 대한 국내 특허 출원을 마치고 상용화를 위한 후속 연구에 박차를 가하고 있다.

※ 논문명: High-efficiency, reusable electrokinetic filtration platform for high-flux nanoplastic sequestration and self-powered operation

※ 학술지: Materials Today (2025. 12. 게재)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.12.008