빠른 수분 흡·탈착, 수성 공정 기반 대량 생산, 야외 대규모 실증까지… 실용형 대기중 물 수확 소재 플랫폼 제시

본교 화학공학과 최수형 교수 연구팀과 한양대학교 ERICA 에너지바이오학과 유원철 교수 연구팀이 공동으로 수행한 연구 논문 “Scalable Polyelectrolyte Complex-Based Sorbent with Hourly Sorption−Desorption Cycles for Multicyclic Atmospheric Water Harvesting in Arid Environments”가 2026년 3월 18일 재료과학 분야의 세계적 권위지인 Advanced Functional Materials에 게재되었다. 본지는 Wiley-VCH가 발간하는 응용재료과학 분야의 대표적 국제학술지로, 전자·에너지·바이오를 비롯한 다양한 첨단 응용 분야에서 소재의 물리화학적 특성 향상과 기능 구현에 관한 우수 연구를 게재하고 있다. 2024년 기준 영향력지수(Impact Factor)는 19.0으로, 해당 분야에서 높은 학술적 영향력과 국제적 인지도를 갖는 저널로 평가된다.

대기 중 물 수확(Atmospheric Water Harvesting, AWH) 기술은 공기 중 수분을 직접 포집해 물로 회수하는 기술이다. 건조한 내륙 지역에서도 소규모로 직접 물을 확보할 수 있는 차세대 수자원 기술(분산형 물 공급 기술)로 평가받는다. 그러나 실제 활용을 위해서는 습도가 낮은 환경에서도 수분을 빠르게 흡수하고 방출하며, 동시에 대량 생산할 수 있는 흡착소재 개발이 필요하다.

본교 최수형 교수 연구팀은 서로 반대 전하를 지닌 고분자전해질 간 정전기적 인력으로 형성되는 고분자전해질 복합체에 주목했다. 연구팀은 물과 잘 결합하고 내부에 미세 구멍이 많은 특성의 소재에 그래핀 산화물(graphene oxide)과 흡습성 염화리튬(LiCl)을 정전기적 상호작용을 통해 구조적으로 통합하여 새로운 흡착 소재를 개발했다. 그 결과, 25% 상대습도, 25℃의 저습도 환경에서도 15분 만에 0.18 g/g의 수분을 흡착했고, 이후 햇빛을 45분간 쬐어 물을 회수하는 1시간 주기의 고효율 AWH 사이클을 구현했다.

또한 유기용매 없이 제조 가능한 수성 상 반전(aqueous phase inversion) 공정을 활용하여 해당 흡착제를 하루 킬로그램규모까지 생산할 수 있음을 실증했다. 환경 부담을 줄이면서도 생산 규모를 확대할 수 있음을 확인한 것이다.

한양대 유원철 교수 연구팀은 수백 그램 규모의 흡착제를 탑재한 대규모 야외 AWH 장치를 제작해 실제 야외환경에서AWH 성능을 평가했다. 개발된 흡착제는 하루 동안 총 183 mL의 물을 생산했다. 이는 1.37 L kg–1 day–1의 일일 물 생산용량에 해당하는 값으로, 실험실 수준의 실현 가능성을 넘어 실제 응용 가능성을 보여주는 결과다.

연구 책임자인 최수형 교수는 “이번 연구는 고분자전해질 복합체 기반 소재가 빠른 수분 흡·탈착 특성, 친환경 수성 공정기반의 대량 생산성, 야외 환경에서의 실질적 물 생산 성능을 모두 갖춘 AWH 플랫폼으로 활용될 수 있음을 제시했다는점에서 의미가 있다.” 며, “향후 우주 환경 등 극한 환경에서도 응용 가능한 AWH 소재 개발 연구를 지속할 것”이라고 전했다.

제1저자인 오승환 박사는 “고분자전해질 복합체는 앞으로 대기 중 물 수확 분야뿐 아니라, 우수한 가공성과 활용성을 바탕으로 전자·에너지·바이오 소재 분야에서도 적용 가능성이 더욱 확대될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 미래도전연구지원사업, 이공분야 개인기초연구사업 (중견), 이공분야 개인기초연구실지원사업 (BRL)의 지원을 받아 수행되었다.

(왼쪽) 오승환 박사 (제1저자, 現 한국과학기술연구원 소속), (오른쪽) 최수형 홍익대 화학공학과 교수 (교신저자)

다공성 고분자전해질 복합체 기반 흡착제의 태양광 구동 AWH 메커니즘 개략도.

(a) 대규모 야외 AWH 성능 평가를 위해 제작된 장치 구성. (b) 다중 주기 AWH 구동 동안 측정된 야외 상대습도, 온도 및 태양광 플럭스(solar flux) 변화 프로파일. (c) 다중 주기 조건에서 수행한 AWH 성능 평가. (d) 야외 다중 주기 AWH 구동을 통해 실제로 수확한 물의 사진.

최수형 교수 논문 

온라인커뮤니케이션실 김연준 기자

화학공학과