산업계 또는 가정에서 특정 독성물질을 80% 이상 효율적으로 포집하는 데 사용되는 ‘기체분리용 고기능성 고분자 시스템’의 설계 가능성이 제시됐다.

광메카트로닉스공학과 홍석원 교수팀이 특정 분자를 인식하고 결합하는 기능성 고분자인 ‘분자각인 고분자(MIP)’*를 이용한 원통형 롤 스탬프 기반 나노임프린트 기술을 통해 다양한 필터 기재(機材)상에 마이크로/나노 구조의 연속 제작 및 대규모 패턴을 포함하는 고급 화학 여과 기술 설계에 성공했다.

* 분자각인 고분자(MIP, Molecularly Imprinted Polymers): MIP는 포집하고자 하는 주형분자(template) 주위에 공유 또는 비공유성 중합반응을 통해 주형분자와 반응할 수 있는 기능을 가진 기능성 단량체(functional monomers) 그리고 고분자 메트릭스를 가교 결합할 수 있는 기능을 가진 가교제(cross-linker)의 혼합물을 중합함으로써 이뤄진다. 다음으로 중합된 고분자에서 주형분자를 제거함으로써 주형분자와 일치하는 입체 특이적 공극을 가지는 MIP가 합성 제조된다. 이는 고도로 선택적인 인식 부위를 갖는 고분자로서 생체 분자(예: 펩티드, 단백질, 당 등) 및 바이러스, 독성 화학물질을 포집하는 데 사용되는 차세대 고분자 시스템으로 널리 인식되고 있다. 

최근 산업화에 따른 대기오염이 사회 문제로 대두되면서, 휘발성 유기 화합물(VOCs) 및 미세먼지를 걸러내는 기체 분리막의 수요가 크게 증가하고 있다. 우리가 흔히 사용하는 공기청정기는 물리적인 방식인데, 쉽게 생각해서 촘촘한 그물 같은 것이 오염물질을 붙잡아 걸러낸다고 보면 된다. 연구팀은 이 같은 물리적 여과와 함께 화학적 방식을 통해 선택적으로 대기오염 물질을 효과적으로 포집하면서 재사용도 가능한 기능성 기체 분리막 ‘MIP 멤브레인(membrane, 분리막)’을 개발하고, 실제 외부 환경 모사 실험에서 VOCs 중 포름알데히드를 선택적으로 포집할 수 있는 기체 분리막 시스템을 실험적으로 확인했다.

(a) 원통형 롤 스탬프 기반 나노임프린팅 공정 개념도 및 실제 이미지

(b) 분자각인 고분자 포집 메커니즘

(c) 부직포 표면 상에 정렬된 나노 구조(line/spacing)의 SEM 이미지, (우측) 천공된 분자각인 고분자 나노구조의 라인패턴

(d) 천공된 분자각인 고분자 멤브레인상 포름알데히드 포집 개념도

이러한 MIP 기술은 제조과정이 단순하며, 저비용이면서도 안정성(고온 및 저온, 독성 환경, 산성 및 염기성 pH, 고압 등)을 갖는다.

연구팀은 고성능 MIP 멤브레인을 제작하기 위해, 투명한 원통 나노금형(석영관)과 UV 광학 장치를 결합한 나노임프린팅 프로세스를 도입하고, 연속적인 대면적 패턴 제작으로 확장할 수 있는 교체 가능한 롤 몰드를 활용함으로써 재현 가능한 방식을 개발했다. 

※ 나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint Lithography): 나노 크기의 요철 패턴이 형성된 몰드로 기판상 도포된 수지를 눌러 가열하거나 광경화를 통해 고분자 수지를 나노패턴으로 전사하는 공정기술이다. 일반적으로 마이크로소자 제조를 위한 반도체 공정기술로 알려져 있다.

연구팀이 개발한 ‘원통형 나노몰드 기반 나노임프린팅 기술’은 기존의 다른 원통 금형 기술과 달리 단단하거나 유연한 평면 기판뿐만 아니라, 마이크로 크기를 지닌 고르지 않은 표면(부직포)에도 나노 크기의 패턴을 적용할 수 있어 큰 성과를 얻었다. 

또한 롤 몰드의 국부 압력과 속도 제어를 통해 멤브레인 상 천공된 필름 또는 마이크로/나노 구조체를 형성함으로써 비표면적*을 증가시켜 VOCs 포집 성능을 높였다.

* 비표면적(比表面積): 물체의 단위 질량 당 표면적을 말하며, MIP 기술에서는 외부에 드러난 표면적이 증가할수록 포집할 수 있는 분자 단위의 영역이 증가하므로, 저농도 범위에서도 우수한 응답 특성을 나타낼 수 있다.

이를 통해 다양한 패턴과 천공된 구조를 가지는 멤브레인을 제작해 특허등록을 완료했고, 멤브레인의 여과 성능을 평가하는 연구를 수행했다. 그 결과 필터 여재(濾材, 여과할 때 고체를 분리하는 데 쓰는 다공질의 재료)에서 MIP 멤브레인을 활용해 VOCs를 80% 이상의 효율로 제거하는 데 성공했다.

이번 연구를 통해 개발한 MIP 멤브레인 제작 시스템은 제작 용이성, 대량 생산 가능성 등의 장점으로, 포집하고자 하는 타깃이 정해지면 다양한 분리막 장치를 위한 플랫폼으로 활용 가능하다. 이는 화학 여과뿐만 아니라 바이러스 제거, 단백질 추출 여과기, 수처리 필터 등에도 적용될 수 있어 연구가 더욱 확장될 수 있을 것으로 기대된다. 

이번 연구는 산업통상자원부와 창의산업기술개발 기반구축사업에서 지원하는 나노금형기반 맞춤형 융합제품 상용화지원센터 구축과제를 통해 수행됐다. 해당 논문은 소재분야의 세계적인 학술지 『스몰(Small)』 2021년 12월 29일자로 출판됐고, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문(Front cover)으로 선정됐다.

- 논문 제목: Rotating cylinder-assisted nanoimprint lithography for enhanced chemisorbable filtration complemented by molecularly imprinted polymers(분자 각인 폴리머로 향상된 선택적 화학 여과 장치 개발을 위한 원통형 롤 스탬프 기반 나노임프린트 리소그래피) 

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/smll.202105733

* 사진: 왼쪽부터 저널 표지, 홍석원(교신저자) 교수, 박로운·전상헌(공동 제1저자) 박사과정생

[Abstract]

Rotating cylindrical stamp-based nanoimprint technique has many advan-tages, including the continuous fabrication of intriguing micro/nanostruc-tures and rapid pattern transfer on a large scale. Despite these advantages, the previous nanoimprint lithography has rarely been used for producing sophisticated nanoscale patterns on a non-planar substrate that has many extended applications. Here, the simple integration of nanoimprinting process with a help of a transparent stamp wrapped on the cylindrical roll and UV optical source in the core to enable high-throughput pattern transfer, particularly on a fabric substrate is demonstrated. Moreover, as a functional resin material, this innovative strategy involves a synergistic approach on the synthesis of molecularly imprinted polymer, which are spatially organ-ized free-standing perforated nanostructures such as nano/microscale lines, posts, and holes patterns on various woven or nonwoven blank substrates. The proposed materials can serve as a self-encoded filtration medium for selective separation of formaldehyde molecules. It is envisioned that the combinatorial fabrication process and attractive material paves the way for designing next-generation separation systems in use to capture industrial or household toxic substances.

* Authors
- (Corresponding author) Pusan National University, Prof. Suck Won Hong

- (First author) Pusan National University, Sangheon Jeon, Rowoon Park