김대우 연구실의 핵심 연구축은 분리공정의 성능 한계를 극복하기 위한 나노소재 기반 분리막 설계에 있다. 이 연구는 기존 분리막이 가지는 선택도와 투과도의 상충관계를 완화하고, 가스·유기용매·이온·수소 등 다양한 대상 물질에 대해 정밀한 분리를 구현하는 것을 목표로 한다. 특히 그래핀 나노리본, 극성 탄소나노튜브, 제올라이트 나노시트, 금속-유기 골격체(MOF) 나노시트와 같은 저차원 소재를 활용하여, 분리 경로를 분자 수준에서 제어하는 방향으로 연구가 전개된다. 연구실의 논문과 특허를 보면, 단순히 소재를 합성하는 데 그치지 않고 분산, 자기조립, 적층, 복합화, 대면적 코팅까지 연결되는 공정 통합 역량이 두드러진다. 예를 들어 그래핀계 나노리본 필름과 이를 포함한 분리막은 초고속 유기용매 나노여과를 가능하게 하며, 극성 탄소나노튜브 기반 분리막은 안정제 없이도 높은 분산성과 기계적 안정성을 확보하도록 설계되었다. 또한 2차원 제올라이트 나노시트의 구조적 상호성장(intergrowth)이 초선택적 수송에 미치는 영향을 규명한 연구는, 분리 성능이 단순 조성보다 결정구조와 나노채널의 연결성에 의해 크게 좌우됨을 보여준다. 이러한 연구는 화학공정의 에너지 절감과 공정 집약화 측면에서 큰 의미를 가진다. 증류나 흡착 중심의 기존 분리공정은 에너지 소모가 크지만, 고성능 분리막은 낮은 에너지로도 높은 처리 효율을 기대할 수 있다. 따라서 본 연구실의 성과는 정밀화학, 석유화학, 친환경 용매 회수, 가스 정제, 수소 분리 및 저장 공정 등으로 확장 가능성이 크며, 향후에는 내구성·스케일업·모듈화까지 포함하는 산업 적용형 분리 시스템으로 발전할 가능성이 높다.

연구실의 또 다른 중요한 연구 방향은 수소 생산·추출·정제·운송·저장으로 이어지는 수소 가치사슬 전반에서 활용될 수 있는 분리막 및 에너지 소재 개발이다. 관련 프로젝트에서는 구조 제어된 이종 복합소재 기반 수소 추출 분리막과 모듈 시스템, 수소 공급 사슬 전주기 대응형 국제공동연구, 광수전해 및 암모니아 전환 플랫폼 등이 포함되어 있다. 이는 연구실이 단일 소재 수준을 넘어 수소 인프라 전체의 효율과 지속가능성을 높이는 공정 전략까지 함께 고민하고 있음을 보여준다. 학술적으로는 수소 가치사슬에서의 막분리 기술을 소재 혁신에서 공정 전략까지 포괄적으로 다룬 리뷰 논문과, 액상 수소화 유기체를 활용한 지속가능한 수소 이용 연구가 대표적이다. 이러한 연구는 고온 안정성, 수소 투과도, 선택성, 화학적 내구성, 시스템 통합성 등 실제 적용에 필요한 핵심 지표들을 함께 고려한다. 특히 수소 분리막은 단순히 수소만 잘 통과시키는 것이 아니라, 혼합기체 환경에서 높은 선택성과 장시간 운전 안정성을 유지해야 하므로, 다공성 결정 소재와 복합막 구조 설계가 매우 중요하다. 본 연구 방향은 탄소중립 사회로의 전환과 직접적으로 연결된다. 재생에너지 기반 수소 생산이 확대되더라도, 생산 이후의 정제·운송·저장 단계에서 비효율이 크면 전체 시스템의 경제성이 떨어진다. 김대우 연구실은 이러한 병목을 분리막 기술로 해결하고자 하며, 장기적으로는 수전해, 암모니아 전환, 액상 유기 수소 운반체, 모듈형 수소 회수 시스템 등과 결합된 차세대 수소 플랫폼 기술에 기여할 수 있는 연구 기반을 구축하고 있다.

김대우 연구실은 분리공정 응용의 기반이 되는 저차원 기능성 소재의 구조 제어 자체에도 강점을 가지고 있다. 그래핀 도메인과 경계의 광학적 복굴절 시각화 연구는 소재의 결정 방향성과 구조적 균질성을 정밀하게 관찰하는 방법을 제시했으며, 이는 이후 그래핀계 분리막과 인쇄형 전자소자 연구로 이어지는 재료 과학적 토대를 형성한다. 또한 탄소 기반 1차원·2차원 소재와 다공성 결정 소재를 결합해 새로운 복합 구조를 만드는 접근은 연구실의 중요한 차별점이다. 특허와 논문을 종합하면, 그래핀 나노리본, 산화그래핀, 탄소나노튜브, MOF, 제올라이트 등 다양한 소재군을 다루면서도 공통적으로 '구조를 정렬하고 기능을 극대화하는 공정'에 초점을 맞추고 있다. 예를 들어 그래핀 나노리본과 MOF를 결합한 기체 분리막, 산화그래핀과 계층적 다공성 구조의 광촉매 복합체, 2차원 나노시트 기반 복합막 등은 모두 미세구조 설계가 성능을 결정하는 사례다. 더 나아가 슬롯다이 프린팅을 활용한 웨이퍼 스케일 트랜지스터 배열 제작 연구는 연구실이 기능성 나노소재를 대면적 공정으로 확장하는 역량도 갖추고 있음을 시사한다. 이 연구 주제는 분리막뿐 아니라 전자소자, 광촉매, 에너지 저장소자 등 다양한 응용으로 확장될 수 있다. 실제로 Li-S 배터리용 탄소 소재 제어 프로젝트는 선택층과 전극 소재를 동시에 고려하는 방향으로 진행되고 있으며, 이는 소재 설계와 공정 기술이 융합될 때 성능 혁신이 가능함을 보여준다. 따라서 본 연구실의 구조 제어 연구는 특정 응용에 국한되지 않고, 차세대 나노복합소재 플랫폼을 구축하는 기반 기술로서 의미가 크다.