응용화학공학부 김채빈 교수팀이 중앙대와의 공동연구를 통해 동적 결합 고분자 기반 점탄성 접착층을 활용해 미세먼지를 필터 내부로 ‘흡수’할 수 있는 차세대 공기 필터 기술을 개발했다. 이번 기술은 기존 공기 필터 대비 입자 접착력과 필터 효율, 수명을 동시에 향상시켜 고성능·저에너지 공기 정화 기술의 새로운 가능성을 제시했다.

기존 공기 필터는 주로 입자를 필터 표면에 붙잡는 방식으로 작동한다. 그러나 이때 입자와 필터 사이의 부착력은 분자 간에 작용하는 약한 반데르발스 힘에 의존하는 경우가 많아, 포집된 입자가 다시 떨어져 나가는 재비산(再飛散) 문제가 발생할 수 있다. 또한 필터 사용 기간이 길어질수록 압력 손실이 증가해 에너지 소비가 커지고, 필터 수명이 짧아지는 한계도 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 액체 코팅 필터가 제안되기도 했지만, 액체가 기류 속에서 불안정해지는 현상인 Plateau-Rayleigh 불안정성, 액체 유출, 2차 오염 등의 문제가 남아 있었다.

【김채빈 교수】

연구팀은 이를 극복하기 위해 이민 결합(탄소·질소 이중결합 구조) 기반의 동적 공유결합 네트워크, 즉 CAN 구조를 갖는 점탄성 접착층 DIBA를 설계했다. 이 소재는 고체처럼 구조적 안정성을 유지하면서도 액체처럼 유동성을 나타내는 점탄성을 갖는다. 이를 공기 필터에 적용하면 입자가 필터 표면에 닿는 순간 미세한 액체 다리 구조인 메니스커스가 형성되고, 이로 인해 강한 모세관력(capillary force)이 발생한다.

특히 이번 기술은 동적 결합 교환을 통해 입자를 고분자 내부로 자발적으로 흡수하도록 해 기존 필터에서 포집된 입자가 표면을 덮을수록 접착 성능이 떨어질 수 있었던 것과 달리, 입자가 내부로 이동하면서 새로운 접착 표면을 지속적으로 유지할 수 있다.

연구 결과, 해당 필터는 기존 방식에 비해 입자 접착력이 약 70배 증가했으며, 필터 효율은 10~30% 향상됐다. 또한 압력 손실 증가 없이 성능이 개선됐고, 필터 수명은 약 2배 이상 연장됐다. 초고속 기류, 즉 20m/s 이상의 환경에서도 안정적으로 작동했으며, 포집된 입자의 재비산을 효과적으로 억제하는 것으로 확인됐다. 다방향 기류 환경에서도 높은 포집 성능을 유지해 실제 산업 환경과 실외 공기정화 시스템 등 다양한 응용 가능성을 보였다.

【모세관력 기반 입자 흡수 기능을 갖는 동적 공유결합 접착 고분자 소재】

(a) 쉬프 염기 반응을 통해 형성되는 이민 결합 기반 동적 가교 구조 모식도.

(b) 공유결합 네트워크(좌)와 내부 물 분자에 의해 매개되는 동적 공유 결합 교환(우).

(c,f) 실리카 미세입자(5–50 µm)가 부착된 동적 가교 고분자(DIBA, 두께 ∼550 µm)와 영구 가교 PDMS(∼560 µm)의 비교 사진

(d,g) 표면 및 단면 SEM 이미지로, 동적 가교 결합 고분자(DIBA)는 입자가 내부까지 흡수된 반면 PDMS는 표면 부착에 그침을 확인.

(e,h) 점탄성 DIBA의 지속적 입자 포집 및 내부 흡수 메커니즘과, PDMS의 제한적 표면 접착 거동 비교.

이번 연구는 고성능 공기청정기, 산업용 필터, 데이터센터 공조 시스템, 자동차 필터, 실외 공기정화 장치 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 압력 손실을 높이지 않으면서 필터 효율과 수명을 동시에 개선할 수 있어, 저에너지·장수명 친환경 필터 기술 구현에 기여할 전망이다.

김채빈 응용화학공학부 교수는 “흔히 필터는 입자를 표면에 붙잡아 두는 장치로 인식되지만, 이번 연구에서는 포집된 입자를 소재 내부로 흡수·수용하는 새로운 작동 메커니즘을 제시했다”며 “이는 필터 표면의 막힘과 재비산 문제를 줄이고, 고효율과 장수명을 동시에 구현할 수 있어 차세대 공기 정화 기술의 중요한 전환점이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

부산대·중앙대 공동연구로 수행된 이번 연구는 한국연구재단 지원을 받았다. 응용화학공학부 김채빈 교수가 교신저자, 윤여명 박사과정생과 최경환 석박통합과정생이 공동저자로 참여했다.

해당 논문은 세계적 학술지 『Advanced Materials』 7월 27일자에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문(front cover)으로 선정됐다. 

- 논문 제목: A Super-Adhesive Air Filter With Capillarity-Mediated Spontaneous Particle Absorption via Dynamic Bond Exchange(동적 결합 교환 기반 모세관 작용을 이용한 자발적 입자 흡수형 초고접착 공기 필터)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adma.74232 

※ 용어 설명

- 동적 결합: 결합이 끊어지고 다시 형성될 수 있어 재배열이 가능한 공유결합

- 점탄성: 고체와 액체의 성질을 동시에 가지는 물성

- 모세관력: 액체가 입자 표면을 적시면서 발생하는 강한 인력

- 동적 공유결합 네트워크, CAN: 공유결합으로 이루어진 고분자 네트워크이지만, 결합 교환을 통해 구조 재배열이 가능한 소재 시스템

- 메니스커스: 액체가 고체 표면이나 입자 사이에서 굽어진 계면을 형성하는 현상으로, 강한 접착력을 유도할 수 있다.

* 상단 이미지: 『Advanced Materials』 표지논문 이미지.

[Abstract]

A strategy to coat a thin liquid film over substrates enables strong particle adhesion via capillary force. However, the practical utility of a liquid film is hindered by inherent fluid instabilities, including the Plateau-Rayleigh instability, interfacial dewetting, and drainage. Here, we introduce dynamically crosslinked adhesive films that maintain an elastic network to ensure structural integrity while enabling viscous, capillarity-driven particle adhesion. Polydimethylsiloxane with an imine crosslinked network is applied as a viscoelastic adhesive. While the elastic nature allows for stable and thick films, it remains sufficiently viscous to form a meniscus upon particle contact; this generates a micro-Newton scale, strong capillary force. When applied to air filters, which typically rely on nano-Newton scale van der Waals adhesion, the dynamically crosslinked adhesive improves filtration performance and suppresses particle resuspension. Rather than only retaining particles on the surface, the adhesive layer with dynamic imine bonds actively absorbs particles into the matrix, which then exposes a fresh sticky surface for sustained filtering and prolongs the increase in pressure drop by filtering. Therefore, operational lifetime of the filter is extended compared to conventional filters, even with more effective filtration. These unique particle capturing characteristics of a stable dynamic bond adhesive layer not only exhibits outstanding filtration performances, but also proposes a new paradigm of air purification technologies.

- Author (Pusan National University): Chae Bin Kim (School of Chemical Engineering)

- Title of original paper: A Super-Adhesive Air Filter With Capillarity-Mediated Spontaneous Particle Absorption via Dynamic Bond Exchange

- Journal: Advanced Materials

- Web link: https://doi.org/10.1002/adma.74232  

- Contact e-mail: cbkim@pusan.ac.kr