용액-확산 메커니즘에 의해 결정되는 기존의 고분자에서와는 달리, 촉진수송은 투과도와 선택도를 동시에 향상시킬 수 있는 기술이다. 본 연구에서는 은 나노입자, 폴리비닐피롤리돈, 7,7,8,8-테트라시야노퀴노디메탄으로 구성된 촉진수송 올레핀 분리막에 있어서, 메조기공 티타늄산화물(m-TiO2)에 대한 영향을 연구하였다. 특히 메조기공 티타늄산화물은 폴리비닐클로라이 드-g-폴리옥시에틸렌 메타크릴레이트 가지형 공중합체를 템플레이트로 하여 쉽고 대량 생산이 가능한 방법으로 제조하였다. 엑 스레이 회절분석에 따르면, 제조된 메조기공 티타늄산화물은 아나타제와 루타일 상의 혼합으로 구성되어 있으며, 결정의 크기가 약 16 nm 정도 되었다. 메조기공 티타늄산화물을 첨가하였을 때, 분리막의 확산도가 증가하여 혼합기체 투과도가 1.6에서 16 GPU로 증가하였고 선택도는 45에서 37로 약간 감소하였다. 메조기공 티타늄산화물이 첨가되지 않은 분리막은 장시간 성능이 유지되었으나, 메조기공 티타늄산화물이 첨가된 분리막의 경우 시간이 지남에 따라 투과도와 선택도가 감소하였다. 이는 티타늄 산화물과 은 사이의 화학적 상호작용으로 은 나노입자의 올레핀 운반체로써의 활성을 감소시키기 때문으로 사료된다.

지난 수십 년 동안, 고분자막은 기체 분리 분야에서 큰 역할을 해왔다. 온실가스의 주범인 이산화탄소를 분리하기 위해서는 더 높은 투과선택도와 장수명 및 대면적 등을 요구한다. 하지만 기존 고분자 분리막들은 투과도와 선택도의 역상관 관계 특징을 지니고 있으며, 무기물질은 투과성능이 우수하지만 가격이 비싸다는 단점이 있다. 최근 많은 연구가 진행되어온 혼합 매질 분리막은 고분자와 무기물질의 이점들을 혼합하여 기체 분리막의 차세대로서 큰 이목을 이끌고 있다. 혼합 매질 분리막은 대칭적인 구조 또는 비대칭적인 구조를 가지고 있으며, 투과량을 증가시키기 위해서는 비대칭적인 구조가 바람직하 다. 혼합 매질 분리막에서 가장 중요한 변수로는 무기입자의 균일한 분산과 무기물과 고분자 사이의 좋은 계면을 형성하는 것이다. 최근에 새로운 분류의 다공성 결정성 물질인 금속 유기 구조체(MOF)는 이산화탄소 분리용 소재로써 많은 관심을 끌 고 있다. MOF의 한 종류 중, zeolitic imidazolate frameworks (ZIF)는 가장 흔하게 사용되는 무기입자이며 이는 입자의 크기 를 작게 만들 수 있으며, CO2를 분리하기에 적절한 기공의 크기를 가지고 있기 때문이다. 이 밖에 혼합 매질 분리막에 사용 되는 특정 물질들을 적용하기 위해서는 선택도와 크기, 호환성, 안정성 등을 동시에 최적화시켜야 한다. 이와 같이 본 총설에 서는, 혼합 매질 분리막에 관련된 주요 연구내용과 이러한 연구를 수행하는 대표적인 전략들을 소개하였다.

TiO2 and SiO2 inorganic nanoparticles were synthesized with poly(oxyethylene methacrylate)(POEM) and blended with 1-methyl-3-propylimidazolium iodide(MPII), poly(ethylene glycol)(PEG), and iodine(I2) to prepare polymer electrolyte membranes for dye-sensitized solar cells(DSSC). The modified nanoparticles were prepared by the grafting of POEM to TiO2 and SiO2 nanoparticles and put into PEG, MPII and I2 to produce polymer electrolyte membranes. The specific interactions of PEG with the modified nanoparticles in addition to ionic liquid were confirmed by FT-IR spectroscopy and DSC, providing gel formation of electrolytes. The efficiency of DSSC employing TiO2-POEM/PEG/MPII/I2(3.3%) was slightly higher than that employing SiO2-POEM/PEG/MPII/I2(2.9%) due to the different ionic conductivity of electrolytes membrane.

Membranes, which consist crosslinked polymer electrolyte, modified structures by using poly(styrene-b-butadiene-b-styrene) (SBS) triblock copolymer and a sulfonated monomer, 2-sulfoethyl methacrylate (SEMA). With thermal-initiator, 4,4'-azobis(4-cyanovaleric acid), the SEMA membranes were crosslinked. Owing to increase of SO3-groups, the water uptake and ion exchange capacity of membranes was enhanced. By using the series of the equipment, like wide angle X-ray scattering, small angle X-ray scattering, and transmission electron microscopy, microphase-separated morphology and amorphous structures of crosslinked SBS/SEMA membranes was identified. Universal testing machine and thermo gravimetric analysis were performed to investigate mechanical properties and thermo behavior of synthesized polymer membrane.

Solvothermal surface coating was employed to form hetero-nanostructures consisting of a polystyrene (PS) core and ZIF-8 shell. Upon selective removal of the PS core, hollow zeolite imidazole frameworks (H_ZIF-8) with a particle size of 700 nm and surface area of 1528.5 m²/g were generated. Synthesis was confirmed by Field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM), transmission electron microscopy(TEM), X-raydiffraction(XRD) and Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis. Free-standing mixed matrix membranes (MMMs) were prepared by dispersing H_ZIF-8 filler in poly(vinyl chloride)-g-poly(oxyethylene methacrylate) (PVC-g-POEM) graft copolymer matrix. PVC-g-POEM worked well as a robust matrix to homogeneously disperse H_ZIF-8 with good interfacial contact due to the microphase-separated, amphiphilic properties of the hydrophobic glassy PVC main chains and the hydrophilic rubbery POEM side chains. Secondary bonding interactions were responsible for the good interfacial properties of the MMMs, as confirmed by Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC), FE-SEM, and XRD analysis. MMMs exhibited significantly enhanced CO2permeabilityrelativetopure PVC-g-POEM membranes: an 8.9-fold increase in permeability from 70.0 to 623 Barrer (1 Barrer = 1 × 10–10cm³(STP)·cm/cm²·s·cmHg) with only a small decrease in CO2/CH4 selectivity from 13.7 to 11.2 at 35℃, as measured via the time-lag method.

The newly combined zeolite imidazole frameworks-8 (ZIF-8) and poly(vinyl chloride)-g-poly(oxyethlyene methacrylate) (PVC-g-POEM) graft copolymer mixed matrix membrane (MMM) is developed for gas separation. PVC-g-POEM graft copolymer, synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP) process, plays a pivotal role as a soft matrix to provide good permeation, uniform distribution of ZIF-8, and better interfacial interaction with inorganic filler. Moreover, addition of ZIF-8 in MMM enhances gas diffusion through pore in framework as well as gas solubility in organic linker. These synergetic functionalities dramatically improve gas separation performance, which MMMs loading ZIF-8 exhibited enhanced permeability and selectivity compared to neat graft copolymer membrane as measured via the time-lag method.

촉매 1,8-diazabicyclo[5,4,0]undec-7-ene(DBU)를 이용하여, poly(vinylidenefluoride-co-chlorotrifluoroethylene) P(VDF-co-CTFE) 고분자와 methacrylic acid (MAA)를 반응시켜, P(VDF-co-CTFE)-MAA 공중합체를 제조하였다. 또한 P(VDF-co-CTFE)-MAA와 2-sulfoethyl methacrylate (SEMA) 단량체를 4’,4’-azobis(4-cyanovaleric acid) (ACVA) 개시제 하에서 자유 라디칼 중합하여 수소 이온 전도성 막을 제조하였다. SEMA 함량이 많아짐에 따라 술폰산 그룹이 증가하였다. SEMA 함량이 50%일 때 최대 이온교환 용량값이 0.82 meq/g에 도달하였으며 이는 함수량 결과와 일치하였다. 또한, SEMA 함량이 50%일 때 수소이온 전도도가 0.041 S/cm까지 도달하였다. 이러한 결과는 분리막에서 SEMA 함량이 증가할수록 수소 이온을 전달시킬 수 있는 이온그룹이 증가하기 때문이다.

Poly(vinyl chloride)-g-poly(oxyethylene methacrylate) (PVC-g-POEM) 가지형 공중합체를 원자전달라디칼 중합을 통해 합성하여 전기변색소자의 전해질에 적용하였다. 가소화된 고분자 전해질은 가소제로서 propylene carbonate (PC)/ethylene carbonate (EC) 혼합물을 도입하여 제조하였으며, Lithium tetrafluoroborate (LiBF4), lithium perchlorate (LiCIO4), lithium iodide (LiI) and lithium bistrifluoromethanesulfonimide (LiTFSI)를 사용하여 염의 종류에 따른 영향을 조사하였다. 광각 x-선 산란(WAXS)과 시차주사 열량법(DSC) 측정 결과 고분자 전해질의 구조와 유리전이온도(Tg)가 변하였고, 이는 POEM 내의 에테르의 산소와 리튬염 사이의 상호작용으로 인해 변했다는 것을 FT-IR 분광법을 통하여 확인하였다. 투과전자현미경(TEM) 측정 결과 PVC-g-POEM 가지형 공중합체의 미세상분리 구조가 PC/EC와 리튬염의 도입에도 변하지 않는 것을 관찰하였다. 가소화된 고분자 전해질은 poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 전도성 고분자를 이용한 전기변색소자에 적용되었다.

원자전달 라디칼 중합(ATRP)에 의해 poly(vinyl chloride) (PVC) 주사슬과 poly(styrene sulfonic acid) (PSSA) 곁사슬로 되어있는 양쪽성 PVC-g-PSSA 가지형 공중합체를 합성하였다. PVC-g-PSSA 가지형 공중합체 고분자를 템플레이트로 사용하고 졸겔법을 적용하여, 결정성 아타네제상의 미세기공 이산화티타튬 필름을 제조하였다. TiO2 전구체인 TTIP를 친수성인 PSSA 영역과 선택적으로 작용시켜 TiO2 메조기공 필름을 성장하였으며, 이를 주사전자 현미경 (SEM)과 엑스레이회절 (XRD)분석을 통해 분석하였다. 스핀코팅 횟수와 P25 도입에 따른 염료감응 태양전지 성능을 체계적으로 분석하였다. 그 결과 준고체 고분자 전해질을 이용하였을 때, 100 mW/㎠ 조건에서 에너지 변환 효율이 2.7%에 이르렀다.

원자전달 라디칼 중합(ATRP)에 의해 poly(vinyl chloride) (PVC) 주사슬과 poly(styrene sulfonic acid) (PSSA) 곁사슬로 되어있는 양쪽성 PVC-g-PSSA 가지형 공중합체를 합성하였다. 합성된 고분자 전해질막을 10 wt% AgNO3 수용액에 담가 은이온으로 이온교환을 하였으며, 환원제를 통하여 은 나노입자를 성장시켰다. UV분광학과 XRD 분석을 통해 은 나노입자 성장을 확인하였다. 투과전자현미경(TEM) 분석결과 NaBH4를 사용하였을 때 10~20 nm 크기의 은 나노입자를 얻는데 가장 효과적임을 알 수 있었다. 또한 은 나노입자의 성장은 환원제의 농도와 환원 시간에 크게 영향을 받았다.

원자전달 라디칼 중합을 이용하여 poly(epichlorohydrine) (PECH)를 주사슬로 한 양친성 가지형 공중합체를 합성하였다. PECH로부터 poly(methyl methacrylate)(PMMA) 및 poly(butyl methacrylate)(PBMA)의 가지형 중합이 성공적임을 1H NMR과 FT-IR분석을 통해 확인하였다. 합성한 가지형 공중합체에 KI나 LiI 염을 도입하였을 때, ether 신축진동 피크가 낮은 wavenumber영역으로 이동하였으며, 이는 배위결합 상호작용 때문이다. PECH-g-PBMA 복합체의 이온 전도도는 PECH-g-PMMA 복합체에 비해 항상 높게 나타났는데, 이는 고무상인 PBMA 사슬의 높은 이동성으로부터 기인한 것으로 확인되었다. 최고 이온전도도 값은 질량비 10 wt%의 KI가 도입된 PECH-g-PBMA 전해질체에서 2.7 × 10 -5 S/cm로 나타났다.

Poly(vinyl chloride)-g-poly(styrene sulfonic acid) (PVC-g-PSSA) 가지형 공중합체를 합성한 후, 이를 이용하여 80℃에서 열적으로 환원하여 은 나노입자를 제조하였다. 반응 시간을 바꿈에 따라 다양한 구조의 은 나노입자를 제조하는데 성공하였다. 1시간 정도의 짧은 반응 시간에서는 가지형 공중합체의 미세 상분리 구조를 크게 변화시키지 않고 5 nm 크기의 작은 은 나노입자가 생성되었다. 5시간 정도의 중간 반응 시간에서는 30 내지 50 nm 정도의 크기를 갖는 은 나노입자가 생성되었다. 18시간 정도의 긴 반응 시간에서는, 은입자가 뭉친 허리케인 모양의 은 집합체가 관찰되었다.

원자전달 라디칼 중합을 이용하여 polystyrene-b-poly(oxyethylene methacrylate) (PS-b-POEM) 블록 공중합체를 합성하고, FT-IR을 통해 중합이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다. 또한 자기 조립된 블록 공중합체 막을 제조한 후, 전구체 AgCF3SO3 도입과 UV 조사를 통해 고체상에서 은 나노입자를 성장시켰다. TEM 전자현미경과 UV-visible 분광학 분석을 통해 블록 공중합체 막의 내부에 은 나노입자가 형성된 것을 확인하였고, 또한 친수성 POEM 영역의 함량을 조절함으로써 나노입자의 크기를 조절할 수 있었다. 금속 나노입자를 제조하는 데 있어서 POEM 함량이 적은 블록 공중합체가 더 효과적임을 확인하였다.

원자전달 라디칼 중합을 이용하여 poly(styrene sulfonic acid) 47 wt%를 가진 poly(vinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene)-g-poly(styrene sulfonic acid) (P(VDF-co-CTFE)-g-PSSA) 가지형 공중합체를 합성하였다. 티타늄 아이소프로폭사이드(TTIP)와 가지형 공중합체를 졸-겔 공정을 통하여 TiO2/가지형 공중합체 복합막을 제조하였다. TTIP는 가지형 공중합체의 친수성을 가진 PSSA 영역에만 선택적으로 결합하였으며 그곳에 TiO2 나노 입자가 형성되어 성장하였다. 이와 같은 결과를 적외선과 자외선 분광학으로 확인할 수 있다. 함수량과 이온 교환 능력 (IEC)는 TTIP의 함량에 따라 감소하였고 이것은 막이 가진 술폰산의 수가 감소하기 때문이었다. TTIP가 5 중량%일 때, 막의 기계적 강도는 증가하고 수소이온 전도도도 유지되었다.

원자전달 라디칼 중합을 이용하여 polystyrene-b-poly (hydroxyethyl methacrylate) (PS-b-PHEMA) 블록 공중합체를 합성한 뒤, 블록 공중합체의 -OH 그룹과 이미다졸 디카르복실릭산 (IDA)의 -COOH 그룹과의 에스테르 반응에 의하여 가교된 전해질막을 제조하였다. 인산(H3PO4)을 도핑하여 이미다졸-인산 착체를 형성한 결과, 인산 함량이 증가함에 따라 공중합체 전해질막의 수소 이온 전도도가 계속 증가하였다. 또한 인장강도와 인장률 모두 인산 함량에 따라 증가하였다. 특히 [HEMA]: [IDA]:[H3PO4] = 3:4:4의 조성을 갖는 PS-b-PHEMA/IDA/H3PO4 블록 공중합체 전해질막은 100°C의 비가습 조건에서 최대 0.01 S/cm의 수소이온 전도도를 나타내었다. 열분석(TGA) 실험을 통하여 전해질막은 350°C의 고온까지 열적으로 안정함을 확인하였다.

원자전달 라디칼 중합을 이용하여 poly(hydroxyl ethyl acrylate)-b-polystyrene-b-poIy(hydroxyl ethyl acrylate) (PHEA-b-PS-b-PHEA) 트리블록 공중합체를 합성하였다. 이렇게 합성된 PHEA-b-PS-b-PHEA블록 공중합체의 -OH 그룹과 이미다졸 디카르복실릭산(IDA)의 -COOH 그룹과의 에스테르 반응에 의하여 가교된 전해질막을 제조하였다. 인산(H3PO4)을 도핑하여 이미다졸-인산 착체를 형성한 결과, 인산 함량이 증가함에 따라 고분자 전해질막의 수소 이온 전도도가 증가하였다. 특히 [HEA]:[IDA]:[H3PO4]=3:4:4의 조성을 갖는 PHEA-b-PS-b-PHEA/IDA/H3PO4 고분자 전해질막은 100℃의 비가습 조건에서 최대 0.01 S/cm의 수소이온 전도도를 나타내었다. 열분석 결과(TGA) 전해질막은 350℃의 고온까지 열적으로 안정함을 확인하여 연료전지에 적용이 가능함을 보여주었다.

본 연구에서는 poly(vinyl chloride) (PVC)가지형 공중합체 전해질과 헤테로폴리산(HPA)을 이용하여 유무기 합성 전해질막을 제조하였다. poly(vinyl chloride)-g-poly(styrene sulfonic acid) (PVC-g-PSSA)는 PVC의 이차 염소의 직접적인 개시를 이용한 atom transfer radical polymerization (ATRP)로 합성하였다. 이때, HPA 나노입자는 수소 결합을 통해 PVC-g-PSSA 가지형 공중합체와 결합하는 것을 FT-IR spectroscopy를 통하여 확인하였다. 전해질막의 수소이온 전도도는 HPA의 질량 분율이 0.3이 될 때까지 상온에서 0.049에서 0.068 S/cm로 증가하였다. 이것은 HPA 나노입자 고유의 전도도와 가지형 공중합체가 가지고 있는 술폰산의 강화된 산도 때문이라고 추정된다. 합습률은 HPA의 질량 분율이 0.45까지 증가할수록 130에서 84%로 감소하였다. 이것은 HPA나노입자와 고분자 메트릭스 사이의 수소 결합의 상호작용 때문에 물을 흡수하는 site의 수가 감소한 결과라고 볼 수 있다. 열중량 분석결과 HPA의 농도가 증가할수록 전해질막의 열적 안정성이 강화된다는 것을 알 수 있었다.

Poly(vinyl chloride) (PVC) 주사슬과 poly(hydroxyethyl acrylate) (PHEA) 곁사슬로 구성된 빗살모양의 PVC-g-PHEA 공중합체를 원자전달라디칼 중합을 통해 합성하였다. 이렇게 합성된 PVC-g-PHEA의 OH 그룹과 이미다졸 디카르복실릭산 (IDA)의 COOH 그룹과의 에스테르 반응에 의하여 가교된 전해질막을 제조하였다. 인산(PA)을 도핑하여 이미다졸-인산 착체를 형성한 결과, PA함량이 증가함에 따라 고분자 전해질막의 수소 이온 전도도가 증가하였다. 특히 100도 비가습 조건에서 수소 이온 전도도는 최대 0.011 S/cm까지 증가하였다. 만능 재료 시험기(UTM) 측정결과, 제조된 PVC-g-PHEA/IDA/PA 전해질막은 575 MPa의 높은 Young 모듈러스 및 기계적 강도를 보여주었다. 열분석 결과(TGA) 전해질막은 200℃까지 열적으로 안정함을 확인하였다.

Poly(vinyl chloride) (PVC) 주사슬과 poly(hydroxyethyl acrylate) (PHEA) 곁사슬로 구성된 가지형 공중합체를 원자전달라디칼 중합을 통해 합성하였다. PVC의 2차 염소원자의 직접적인 개시반응에 의해 친수성인 PHEA 단량체를 그래프팅시켰다. 이렇게 합성된 PVC-g-PHEA을 술포석시닉산(SA)를 사용하여 가교시켰으며, 이는 가지형 공중합체의 -OH 그룹과 SA의 -COOH와의 에스테르 반응임을 FT-IR 분광법을 이용하여 분석하였다. 이온교환능(IEC)은 SA 함량이 증가함에 따라 계속하여 증가하여 0.87 meq/g까지 도달하였고, 이는 전해질막에 이온 그룹수가 증가하기 때문이다. 하지만, 함수 율은 SA 함량이 20 wt%까지는 증가하다 그 이상에서는 감소하였다. 또한 수소 이온 전도도도 SA 함량에 따라 증가하여 20 wt% SA 농도에서 0.025 S/cm의 최대값을 나타내었고, 이는 SA 함량이 증가함에 따라 이온 그룹의 수가 증가하는 효과와 가교가 증가하는 효과가 서로 경쟁적으로 일어나기 때문으로 사료된다.

폴리스티렌-폴리히드록시에틸 아크릴레이트(PS-b-PHEA) 디블록 공중합체와 폴리비닐알콜(PVA)을 1 : 1 무게비로 블렌딩하여 수소 이온 전도성 가교형 고분자 전해질막을 개발하였다. 특히 술포석시닉산(SA)를 사용하여 디블록 공중합체의 PHEA 블록과 PVA와 가교반응을 시켰고, 이를 FT-IR 분광법을 이용하여 분석하였다. 이온교환능(IEC)은 SA 함량이 증가함에 따라 계속하여 증가하여 0.95 meq/g까지 도달하였고, 이는 전해질막에 이온 그룹수가 증가하기 때문이다. 하지만, 함수율은 SA 함량이 20 wt%까지는 증가하다 그 이상에서는 감소하였다. 또한 수소 이온 전도도도 SA 함량에 따라 증가하여 20 wt% SA농도에서 0.024 S/cm의 최대값을 나타내었다. 함수율과 수소이온전도도의 이러한 경향은 SA 함량이 증가함에 따라 이온 그룹의 수가 증가하는 효과와 가교가 증가하는 효과가 서로 경쟁적으로 일어나기 때문으로 생각된다.