최근 COVID-19로 인해 증가한 급성 폐부전 중증환자 치료를 위한 인공폐 기술의 필요성이 부각되었다. 또한, 빠 르게 진행되고 있는 인구고령화는 인공장기(artificial organ, AO) 기술에 대한 높은 수요를 불가피하게 만들고 있다. 분리막은 폐, 신장, 간 및 췌장을 포함한 많은 AO 기기의 핵심 부품이다. 특히 인공폐(artificial lung, AL) 기술은 지난 50년간 빠르게 발전해왔지만, 장기부전 환자의 생존율은 50% 내외로 여전히 낮은 편이다. 현재 대부분의 AL 관련문헌은 임상결과에 집중되 어 있으며, AL 분리막의 개발연구는 매우 부족한 편이다. 이에 대한 원인 중 하나는 AL 기술이 생명공학을 포함하여 고분자 화학 및 분리공정 기술을 아우르는 융합적 기술개발을 요구하기 때문인 것으로 판단된다. 본 총설에서는 헬스케어산업에서 AL 분리막 기술의 역할과 기술개발이 필요한 난제들을 정리하였다. 특히, 분리막 소재의 혈액적합성, 분리성능, 모듈 디자인 및 공정 구성 측면에서 다양한 연구개발이 필요하다는 부분을 강조하고자 한다.

The global demand for raw lithium materials is rapidly increasing, accompanied by the demand for lithiumion batteries for next-generation mobility. The batch-type method, which selectively separates and concentrates lithium from seawater rich in reserves, could be an alternative to mining, which is limited owing to low extraction rates. Therefore, research on selectively separating and concentrating lithium using an electrodialysis technique, which is reported to have a recovery rate 100 times faster than the conventional methods, is actively being conducted. In this study, a lithium ion selective membrane is prepared using lithium lanthanum titanate, an oxide-based solid electrolyte material, to extract lithium from seawater, and a large-area membrane manufacturing process is conducted to extract a large amount of lithium per unit time. Through the developed manufacturing process, a large-area membrane with a diameter of approximately 20 mm and relative density of 96% or more is manufactured. The lithium extraction behavior from seawater is predicted by measuring the ionic conductivity of the membrane through electrochemical analysis.

본 실험에서는 무전해 도금을 통하여 Pd 및 Pd-Cu 분리막을 제조하여 수소 투과 성능을 분석하였다. 분리막의 지 지체는 α-Al2O3 세라믹 중공사를 사용하였다. Pd-Cu 분리막은 무전해 도금을 실시하였고 Pd-Cu 합금을 만들기 위하여 수소 분위기에서 500°C, 18 h 동안의 열처리 과정을 거쳤다. 그 후, Pd-Cu 분리막은 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), XRD (X-ray Diffraction) 분석을 통해 합금이 형성된 것을 확인하였다. Pd 및 Pd-Cu 도금층의 두께는 SEM (Scanning Electron Microscope) 분석을 통해 각각 약 3.21, 3.72 μm으로 측정되었다. 수소 투과 성능은 수소 단일 가스, 혼합가스(H2, N2)에서 350~450°C, 1~4 bar의 범위에서 수소 투과 실험을 진행하였다. 수소 단일 가스에서 Pd 및 Pd-Cu 분리막은 450°C, 4 bar에서 최대 54.42, 67.17 ml/cm2⋅min의 flux를 가지며, 혼합가스에서는 450°C, 4 bar의 조건일 때, 각각 1308, 453의 separation factor가 나오는 것을 확인하였다.

막 분리 공정은 다양한 응용 분야에서 사용되는 중요한 기술이다. 이러한 분리 공정은 농도 구배, 압력 또는 전위 구배 등의 구동력에 의해 수행된다. 투과증발은 용액 메커니즘에 기초한 분리 과정 중 하나이다. 분리막을 투과한 쪽에서 압 력은 진공에 의해 감소되고 분리는 압력차에 의해 구동된다. 다공성 제올라이트 분리막을 통한 탈수 공정에 의해 에탄올 또 는 이소프로필 알코올과 같은 연료 및 화학 물질의 순도를 향상시킨다. 이러한 분리막들은 높은 열적, 화학적, 기계적 안정성 을 가지고 있다. 이 총설에서는 제올라이트 분리막에 의한 에탄올 회수 및 바이오 오일 탈수라는 두 개의 섹션으로 나누어 소개한다.

유기 전구체와 금속 이온, 또는 금속-옥소 클로스터 간의 규칙적 배열을 통한 종의 다양성을 장점으로 하는 금속- 유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)는 에너지 사용량이 높은 상변화 기반 분리공정을 대체할 수 있는 에너지 효율 적인 막 기반 분리 기술의 개발 가능성을 열어주었다. 이에 최근 10년 동안 다결정 MOFs 분리막 합성 기술에서 상당한 진전 이 있었지만, 매우 제한된 종류의 MOFs만이 활용되고 있다. 이러한 기술 개발의 정체는 다결정 분리막의 비 선택적인 확산 경로인 결정 사이 결함(intercrystalline defects)에 대한 명확한 해결법이 없기 때문이다. 후처리 성능 제어기술(postsynthetic modifications, PSMs)은 기존 분리막을 플랫폼으로 활용하고 이를 물리적 그리고/혹은 화학적으로 처리함을 통해 분리 특성 을 개선 혹은 변경하는 기술을 말한다. PSMs 기술은 특정 분리막을 개발하는 데 있어서 새로운 MOFs를 설계하거나 막 합성 기술을 개발하지 않아도 된다는 장점이 있어서 다결정 MOF 분리막의 다양성을 제공하기 위한 새로 부상하는 전략으로 평가 된다. 본 총설에서는 PSMs 기술을 7개의 세부기술((1) 공유결합법, (2) 결정간 결함 플러깅법, (3) 결정 내부 결함 치유법, (4) 기공내 기능성 소재 함침법, (5) 기공 경화법, (6) 전구체 치환법 및 (7) 비정질화법)로 분류하고, 각 세부기술의 연구 동향 및 도전과제 그리고 향후 연구 방향에 대해 논의하고자 한다.