물에 떠 있는 미세플라스틱 해결하는 수상 드론 개발

2024년 키스트가 강 호수 바다 등 물에 떠 있는 미세플라스틱을 수거하기 위해 수상 드론을 이용한 회수 기술을 개발했다. 이 수상 드론은 물의 표면장력을 활용한 친수성 톱니 구조 기술을 기반으로 미세 플라스틱을 효율적으로 제거한다. 
 

키스트의 물에 떠 있는 미세 플라스틱 해결하는 수상 드론

2024년 한국과학기술연구원 KIST의 극한소재연구센터 김성진 박사 연구팀이 미세 플라스틱 제거기술을 획기적으로 개발해 플라스틱 공해 해결의 새로운 장을 열었다. 
 
 연구팀이 새로 만든 수상 드론은 물의 표면장력을 이용한 친수성 톱니 구조를 이용해 강, 호수, 바다 등 물에 떠 있는 미세 플라스틱을 효율적으로 제거할 수 있다. 
 
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 이 기술의 핵심은 친수성 톱니 구조에 있다. 물과의 친화력으로 인해 톱니 구조 사이에 물막(water bridge)이 생긴다. 이 물막은 물의 표면장력을 극대화시켜 미세 플라스틱을 톱니 사이에 부착시키는 역할을 한다. 
 
 이 원리를 활용하면 1 마이크로미터에서 최대 4 마이크로미터 크기의 다양한 크기와 밀도의 미세 플라스틱을 제거할 수 있다. 이를 통해 기존의 필터링 기술이 크기와 모양의 미세플라스틱을 잡아낼 수 있다. 
 

기존의 물 처리용 필터와 다른 친수성 톱니구조 수상 드론

기존의 물 처리용 필터링 기술은 크기와 모양이 다양한 미세플라스틱을 걸러 내기 어려웠다. 작은 입자를 회수하려면 필터망을 매우 촘촘하게 설계해서 차압이 크게 발생하고 필터가 자주 막힌다. 차압은 필터 효율이 지나치게 낮아지는 문제를 일으킨다.
 
 미세 플라스틱 오염이 심해지고 있는 호수 강이나 바다 등의 열린 공간에서는 기존 필터링 기술은 실효율이 많이 떨어진다. 반면에 키스트의 수상 드론을 이용하면 이 세 가지 문제가 해결된다. 
 

모세혈관 스키밍. researchgate

 
 키스트의 획기적인 친수성 톱니구조 기술은 모세혈관의 스키밍(skimming, 걷어 내기)원리를 응용해 다양한 미세 플라스틱 예를 들면 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등을 대상으로 80% 이상의 회수 효율을 보였다.
 
 수상 드론에 친수성 톱니 구조를 접목해 바다 호수 강 등 넓은 수역에서도 실시간으로 미세 플라스틱을 제거할 수 있다. 드론은 가정용 로봇청소기처럼 자율적으로 이동하면 수질을 정화할 수 있다. 활용면에서 기존 고정형 시스템의 한계를 넘어선다. 
 

친수성 톱니구조의 응용 가능성

친수성 톱니구조를 응용한 수상 드론은 1주일 이상 연속 작동시켜도 성능에 문제가 없었다. 미생물이나 기름때가 있는 바다에서도 미세플라스틱을 효율적으로 흡착해 제거했다. 
 
 이번 기술은 수상 드론뿐 아니라 양식장 물처리 필터와 같은 고정형 시스템에도 적용 가능하다. 해양 청소 로봇에도 장착할 수 있다. 또한 가정용 물처리 필터 장치로 확장해 개인이 일상에서 사용할 수 있는 형태로도 개발할 수 있다. 
 
 연구성과는 국제학술지 어드밴스트 사이언스(Advanced Science)에 실렸다. 논문명은 Capillary skimming of floating microplastics via a water-bridge ratchet이다.
 
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맺음말

2024년 키스트가 강 호수 바다 등 물에 떠 있는 미세플라스틱을 수거하기 위해 수상 드론을 이용한 회수 기술을 개발했다. 이 수상 드론은 물의 표면장력을 활용한 친수성 톱니 구조 기술을 기반으로 미세 플라스틱을 효율적으로 제거한다.