서울공대 전기정보공학부 김성재 교수팀 ‘정제수·수소 동시 생산’ 기술 개발… 지속가능한 에너지 회수형 정수 플랫폼 제시

[KD시사뉴스]

서울공대 전기정보공학부 김성재 교수팀 ‘정제수·수소 동시 생산’ 기술 개발… 지속가능한 에너지 회수형 정수 플랫폼 제시

나노전기수력학 기반 ‘이온농도분극’ 기술로 물 정화·수소 생산 한 번에

재난 현장·우주선·군사 지역 등 인프라 제한 환경서 활용 기대돼

재료과학 분야 국제학술지 ‘Communication Materials’ 논문 게재

서울대학교 공과대학은 전기정보공학부 김성재 교수팀이 정제수와 수소를 동시에 생산할 수 있는 새로운 에너지 회수형 정수 시스템을 개발했다고 밝혔다.

왼쪽부터 서울대학교 에너지이니셔티브 연구단 박지희 박사, 서울대학교 소프트파운드리연구소 윤세혁 박사, 프로바랩스 하승재 박사, 서울대학교 전기정보공학부 김성재 교수

염수에서 불순물을 제거하는 동시에, 수소 이온을 전극에서 환원시켜 수소 가스를 생산하는 이 혁신적 기술은 기존 담수화 시스템과 수전해 시스템을 통합해 에너지 손실을 최소화하는 방식으로 구현됐다.

또한 모듈화가 가능한 소형 장치로 개발됐기 때문에, 모듈 조립을 통해 다양한 대형 장치로 확장될 수 있다. 우주선 내부나 재난 현장 등 자원이 부족한 환경에서 물과 에너지원을 동시에 생산할 수 있는 차세대 핵심 기술로 평가받는 이유다.

과학기술정보통신부 및 서울대학교 에너지이니셔티브(SNUEI) 연구단의 지원을 받아 진행된 이번 연구의 성과는 재료과학 분야의 국제학술지 ‘Communication Materials(Nature Portfolio, 2025)’ 온라인판에 게재됐다.

연구 배경

깨끗한 물과 깨끗한 에너지를 동시에 확보하는 일은 현재 인류가 직면한 가장 중요한 과제 중 하나이다. 그런데 물을 정화하려면 전기가 필요하고, 전기를 생산하려면 다시 물이 필요한 역설적 상황이 발생한다. 따라서 이 두 문제를 함께 해결할 수 있는 기술의 필요성이 커지고 있다.

이 문제의 해결에 나선 김성재 교수 연구팀은 ‘이온농도분극(Ion Concentration Polarization, ICP)’* 현상을 활용한 ‘정제수-수소 동시 생산 플랫폼’을 개발했다. 양이온 교환막(cation exchange membrane)을 이용한 이온농도분극 현상에 기반해 단일 모듈에서 염 제거와 수소 발생을 동시에 구현하는 나노전기수력학적 정화 시스템을 선보인 것이다.

* 이온농도분극: 이온 선택성 투과막 양단에 전기장이 가해졌을 때, 이온이 막 양쪽으로 분리되면서 한쪽은 농도가 짙어지고 다른 쪽은 옅어지는 현상

연구 성과

기존의 담수화 기술과 수전해 기술을 하나로 통합한 이 시스템은 정화된 물을 제공하는 동시에 수소 에너지도 생산하는 새로운 정수 플랫폼이다. 핵심 원리는 다음과 같다.

전류를 특수한 막(양이온 교환막, Cation Exchange Membrane)을 통과하게 흘리는 과정에서 막의 한쪽에서는 염분과 오염 물질이 제거되어 깨끗한 물이 만들어지고, 다른 한쪽에서는 수소 이온(H⁺)이 전극에서 전자를 받아 수소 기체(H₂)로 환원된다. 즉, 하나의 전기 반응으로 정제수와 수소 생산이 동시에 일어나는 것이다.

연구팀은 이 원리를 실험적으로 검증하기 위해 먼저 미세유체(microfluidic) 장치를 제작한 뒤, 형광 이미징으로 정제수 영역(이온 결핍 영역)과 수소 기포 발생을 동시에 관찰했다. 이후 3D 프린터로 제작한 손가락 크기의 메조 스케일(meso-scale)* 장치에서 시간당 수 밀리리터(mL)의 수소 생산과 안정적인 정제수 생산을 실현했다.

* 메조 스케일: 현미경 수준의 미세 구조와 손으로 만질 수 있는 거시적 구조의 중간 크기 범위. 수백 마이크로미터에서 수 센티미터 정도 규모를 가리킨다.

그 결과 정수에 사용된 전기 에너지의 약 10%가 수소 에너지로 회수됐으며, 전류가 증가할수록 수소 생산량이 선형적으로 증가하는 경향이 확인됐다. 그리고 농도가 높은 소금물에서도 정제수가 안정적으로 생성되는 양상을 보여, 해수 또는 염분이 많은 물에서도 이번 기술이 응용될 가능성을 입증했다.

또한 복잡한 다층 구조의 전기투석(electrodialysis)이나 고압이 필요한 역삼투압(reverse osmosis)* 방식 등 기존 정수 기술과 달리 이 시스템은 단일 막 구조로 구동되며, 별도의 고압 펌프 없이 작동하는 강점을 지닌다. 그 덕분에 장치가 단순하고 가벼워, 휴대용 또는 분산형 정수 장치로 확장할 수 있다.

* 역삼투압: 반투과성 막을 이용해 고압을 가함으로써 물은 통과시키고 염분이나 오염 물질은 걸러내는 정수 기술. 주로 해수 담수화나 고순도 정수 생산에 사용된다.

기대 효과

이처럼 김성재 교수팀은 물 정화 과정에서 사용된 전기의 일부를 수소 형태로 다시 회수할 수 있는 기술을 개발했다. 기존 이온농도분극 담수화에서는 그대로 소모되던 에너지의 약 8~10%를 돌려받을 수 있는 가능성을 제시한 것이다. 특히 이번에 개발한 장치에서 생성된 수소를 연료전지로 다시 공급하면, 일부 전력을 스스로 생산하는 에너지 자립형 정수 장치로 발전할 수 있음을 보여준다.

그리고 이 장치는 모듈형 구조로 설계돼 마치 레고 블록을 조립하듯 여러 개를 병렬로 연결하면 처리 용량을 쉽게 늘릴 수 있다. 따라서 소형 개인용 정수기부터 재난 대응용 이동형 장치까지 다양한 규모로 응용이 가능하며, 군사 작전 지역이나 우주 탐사 환경 등 인프라가 제한된 장소에서도 유용하게 사용될 수 있다.

특히 염분뿐만 아니라 중금속, 미세입자, 세균 등 다양한 오염물질을 동시에 제거할 수 있는 이온농도분극 기술에 기반한 이 시스템은 환경오염 정화, 바이오 의학, 인공신장 등 여러 분야에서 활용될 전망이다.

연구진 의견

이번 논문의 교신저자인 김성재 교수는 “물과 에너지를 따로 다루던 기존 방식에서 벗어나, 하나의 시스템으로 동시에 해결할 수 있다는 가능성을 보여준 점이 이번 연구의 핵심”이라며 “앞으로 이 기술을 소형화·모듈화해 재난 현장이나 우주선과 같은 극한 환경에서도 누구나 손쉽게 물과 에너지를 확보할 수 있는 플랫폼으로 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.

공동 교신저자인 하승재 박사(프로바랩스)는 “나노전기수력학 기술을 실제 수소 생산과 담수화에 적용한 첫 사례 중 하나로, 지속 가능한 물-에너지 자립 기술의 기반이 될 것”이라고 연구의 의미를 전했다.

제1저자인 박지희 박사(서울대 에너지이니셔티브 연구단)는 “정수 과정에서 발생하는 이온 이동을 활용해 에너지를 동시에 회수할 수 있다는 점이 이번 연구의 중요한 발견 중 하나였다”며 “일부 에너지를 스스로 생산하며 작동하는 소형 정수기의 가능성을 제시한 이번 성과는 향후 환경 문제와 에너지 위기를 동시에 해결할 수 있는 차세대 지속가능 기술의 출발점이 될 것”이라고 강조했다.

공동 제1저자인 윤세혁 박사(서울대 소프트파운드리 연구소)는 “이번 연구는 미세유체에 기반한 이온농도분극 기술을 메조 스케일 수준의 장치로 확장해 실제 구동 성능을 검증한 사례”라며 “특히 단일 모듈 내에서 담수화와 수소 생산 기능을 통합한 강점 덕분에, 이번 시스템이 향후 현장형 수처리·에너지 장치로 상용화될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구진 진로

박지희 박사와 윤세혁 박사는 서울대학교 에너지환경융합 연구실에서 본 장치의 효율 향상 방안을 지속적으로 연구 중이며, 향후 배터리 금속 수지상* 억제 및 에너지 자원 회수 등 에너지 관련 연구를 수행할 예정이다.

* 수지상: 나뭇가지 모양의 뾰족한 결정

참고자료

· 논문명/저널: Energy-Efficient Modular Water Purification System via Concurrent Freshwater and Hydrogen Generation Using Ion Concentration Polarization, Communications Materials (Nature Portfolio)
· DOI: https://doi.org/10.1038/s43246-025-01001-z
· 논문 저자: 박지희·윤세혁·조명현·엄동근·김범준·이효민·김원석·박상욱·하승재·김성재
· 논문 교신저자: 김성재(서울대학교 전기정보공학부) / 하승재(프로바랩스)
· 지원기관: 과학기술정보통신부·서울대학교 에너지이니셔티브 연구단