인류의 에너지 수급은 항상 인간의 삶에 중요한 문제이며, 최근에는 전기 생산 및 공급 문제로 이어지고 있다. 이에 관련하여 본 연구에서는 에너지 저장장치의 일환으로 슈퍼커패시터 용도의 고체 전해질막을 제조하였다. 제조한 전해질막 은 poly(vinyl alcohol) (PVA) 주사슬에 poly(oxyethylene methacrylate) (POEM) 곁사슬을 그래프팅하여 사용하였으며, 그래프팅은 자유 라디칼 중합법을 통해 합성하였다. 본 연구에서 사용한 PVA-g-POEM 가지형 공중합체를 슈퍼커패시터 전해질에 적용한 사례는 처음이다. POEM 그래프팅을 통해 PVA가 고유하게 가지고 있던 구조가 변화하였으며, 이를 FT-IR을 통해 분석하였다. 또한, 합성한 공중합체를 이용한 슈퍼커패시터 성능은 cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge/discharge (GCD), ragone plot 등을 통해 분석하였다. 이를 통해 기존에 수계 전해질로 PVA 단일 고분자만 사용하던 분야에 그래프팅 방법이라는 새로운 접근법을 제시하였다.

본 논문에서는 이산화탄소 친화적인 PBEM-POEM (PBE) 공중합체를 기반으로 고분자 블렌드 분리막을 제조하 는 방법을 제시한다. PBE 공중합체는 자유 라디칼 중합 반응을 통해 손쉽게 합성이 가능하며, 이를 상용 고분자인 PEG와 다 양한 비율로 혼합하여 이산화탄소/질소 분리막을 제조하였다. 이산화탄소/질소 분리 성능을 테스트한 결과, PEG의 함량이 높을수록 이산화탄소 투과도는 감소하는 반면 이산화탄소/질소 선택도는 크게 증가하는 상충(trade-off) 관계가 나타났다. 그러 나 PBE/PEG (9 : 1)과 PBE/PEG (7 : 3)을 비교하면 이산화탄소 투과도는 단지 8.3% 감소한 반면에 질소 투과도는 69.1%나 감소하였다. 따라서 이산화탄소/질소 선택도가 33.8에서 100.3으로 크게 증가하였다. 이것은 PBE 공중합체의 80%를 차지하 는 POEM 사슬이 PEG와 상호작용하여 더욱 조밀한 구조가 되었기 때문이며, 이를 FT-IR, XRD, SEM 분석으로 확인하였다. PBE/PEG (7 : 3) 블렌드 막이 가장 최적의 기체 분리 성능을 가졌고, 이산화탄소투과도는 170.5 GPU, 이산화탄소/질소 선택 도는 100.3이었다.

양친성 PCZ-r-PEG 랜덤 공중합체를 기반으로 한 수열합성법을 통해 자가조립된 메조기공 이산화티타늄 마이크로 스피어를 합성하였다. 중합된 PCZ-r-PEG는 푸리에 변환 적외분광법(fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR), 핵자기 공명(nuclear magnetic resonance, NMR), 젤 투과 크로마토그래피(gel permeation chromatography, GPC) 그리고 투과전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM)을 통해 그 특성이 분석되었다. 다공성 이산화티타늄 입자는 PCZ-r-PEG, 글루코스(glucose), 물을 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF) 용액에 분산시킨 뒤 150°C, 12시간 동안 반응시켰다. 다공성 이산화티타늄 입자의 구조와 결정성 분석을 위해 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)과 엑스선 회절(X-ray diffraction, XRD)이 사용되었다.

높은 함수율을 갖는 소프트렌즈를 제조하기 위하여 아크릴계 공중합체를 설계, 제조하였다. 공중합체용 모노머로 2-hydroxyethyl methacrylate(HEMA)를 사용하였고 가교제로는 ethylene glycol dimethacrylate(EGDMA), glycerol dimethacrylate(GD) 혹은 glycerol 1,3-diglycerolate diacrylate (GDD)를 이용하여 렌즈를 제조하였다. 함수율 측정결과, 고함수율 렌즈는 기존의 36%에서 46%로 높 게 나타났으며 접촉각도 38.6 에서 34.4로 낮아져 표면 친수성이 높게 나타남을 확인하였다. 인장강도는 가교제의 친수성이 증가함에 따라 0.1MPa 에서 0.08 그리고 0.05 로 감소하였고 전자현미경으로 렌즈의 단면을 확인한 결과 상분리 현상은 나타나지 않았다. 광중합은 Real-time infrared(RTIR)로 측정하였는데 초기 중합 속도가 가교제에 따라 0.6 에서 0.9 로 나타났다.

본 논문에서는 SBS-g-POEM 블록-그래프트 공중합체, 이온성 액체(EMIMTFSI) 및 ZIF-8 나노 입자를 사용하여 CO2/N2 기체를 분리하기 위한 혼합 매질 분리막(MMMs)을 개발하였다. SBS-g-POEM은 낮은 비용이 드는 자유 라디칼 중합 법을 통해 합성된 유연한 블록-그래프트 공중합체이다. EMIMTFSI는 SBS-g-POEM 매트릭스에 용해시켰으며, 합성된 ZIF-8 나노 입자들 역시 공중합체의 매트릭스에 분산시켰다. 제조된 시료들의 특성은 푸리에 변환 적외 분광법(FT-IR), 시차 주사 열량계(DSC), 주사 전자 현미경(SEM), X선 회절 분석(XRD)을 통해 확인하였으며, 분석 결과 각 성분들은 서로 간의 좋은 혼화성을 나타내었다. 기체 분리 성능은 time-lag measurements를 통해 확인되었으며, 537.0 barrer의 CO2 투과도와 15.2의 CO2/N2 선택도를 나타내었다. 이를 통해 첨가된 EMIMTFSI와 ZIF-8 나노 입자는 CO2/N2 선택도를 크게 희생시키지 않고 기체 투과 도를 두 배 이상 향상시키는 것으로 확인되었다.

Poly(ether block amide) (PEBA)는 이산화탄소 분리에 매우 적합한 상용 블록 공중합체 중 하나이다. 기체분리막의 경우 높은 투과도 뿐 아니라 강한 기계적 강도 또한 필요로 한다. PEBA공중합체의 결정성 폴리아마이드(polyamide) 블록은 기계적 강도를 제공하며 동시에 rubbery한 폴리에테르(polyether) 부분은 이산화탄소와의 친화도를 부여하여 이산화탄소 촉진 수송에 기여한다. PEBA공중합체에서 결정성 상과 rubber한 상의 조성은 기체분리막에 적합하게 조절될 수 있다. PEBA 공중합체를 기반으로 한 분리막은 좋은 투과도를 갖지만 추가적으로 분자체 효과를 이용하여 큰 기체 투과도 손실 없이 분리막의 선택도를 향상시킬 수 있다. 혼합 매질 분리막은 혼합막의 한 종류로서 고분자 매트릭스와 유기 첨가제로 이루어져 있다. 하지만 고분자 매트릭스와 유기 첨가제간의 양립성(compatibility)에 따른 문제점 또한 존재한다. 따라서 본 총설에서는 PEBA 공중합체를 기반으로 한 혼합막의 장점과 한계에 대해 다루고자 한다.

An organic filler, bis-(N-α-amido-3,4-dihydroxyphenylalanine)-1,7-heptane dicarboxylate (DOPA-C7) is applied to gas separation membranes for CO2/N2 separation. The weak interaction between SBS and DOPA-C7 improves CO2/N2 selectivity, from 14.1 to 21.1 with increasing of CO2 permeability from 347.5 to 349.7 Barrer. This phenomenon is caused by the catechol group of DOPA-C7 that can work as a Lewis Base. However, the strongly interacting PEBAX/DOPA-C7 membranes show a typical trade-off behavior, a decrease in CO2 permeability and increase in CO2/N2 selectivity with the filler contents. This results demonstrate that interactions between the filler and polymeric matrix can cause negative effects on the gas separation performance. This work opens up the feasibility of using a catecholic compound in gas separation membranes.

오랜 기후변화와 관련하여 지구온난화를 늦추고자 온실가스 중 대부분의 비율을 차지하고 있는 이산화탄소를 분리 및 저장 할 수 있는 연구가 활발하다. 본 연구에서는 고 투과성을 지닌 Polyhedral oligomeric silsesquioxane(POSS)와 이산화탄소에 대한 선택도를 지닌 Poly(ethylene glycol)을 이용하여 POSS-PEG 공중합체를 합성하였고 이를 다공성 지지체 위에 코팅하여 복합막을 제조하였다. 특성평가로는 NMR과 FT-IR 스펙트럼으로 합성의 유무를 확인한 뒤 복합막에 N2,O2,CO2 세 종류의 기체를 투과 특성함으로써 성능을 확인하였다. single gas를 투과시켰을 때 CO2/N2 선택도 24, Mixture gas를 투과시켰을 때 최대 70%의 CO2 분리성능을 나타내었다.

코팅, 발수 및 접착특성이 우수한 불소함유 아크릴계 공중합체를 설계, 제조하였다. 공중합체용 모노머로 methyl methacrylate(MMA), 2,2,2-trifluoroethyl acrylate(FMA) 그리고 2-hydroxyethyl methacrylate(HEMA)를 사용하여 괴상 중합 및 유화 중합으로 반응하여 > 95 %이상 고수율로 공중합체를 제조하였다. 1H-NMR로 화학구조를 확인하였고 DSC와 DMA로 물성분석을 한 결과, FMA의 함량이 5 %에서 10 %로 증가함에 따라 유리전이온도는 3 ℃ 감소하였으며 HEMA의 경우에는 감소폭이 2 ~ 8 ℃로 나타났다. Instron 및 TGA를 이용한 분석에서는 FMA 혹은 HEMA 함량이 10 % 증가함에 따라 괴상 및 유화 중합체 모두에서 인장강도는 29 MPa에서 22 MPa로 감소하였고 Td는 200 ℃에서 180 ℃로 감소하는 경향을 나타내었다. 접촉각은 친수성인 HEMA의 함량이 증가함에 따라 상대적으로 감소하였다.

We present a high-performance polymeric membrane based on self-cross-linkable poly(glycidyl methacrylate-g-poly-(propylene glycol))-co-poly(oxyethylene methacrylate) (PGP-POEM) graft copolymer for CO2/N2 separation. The self-cross-linked membranes can be easily prepared under mild conditions without any additional cross-linking agents or catalyst. We investigated the gas separation performance of the membranes as a function of POEM content in the copolymer. The self-cross-linked PGP-POEM membranes showed an improvement in both permeance and selectivity with increasing POEM content up to 51.2 wt %. The best performance of the membrane was achieved by optimizing membrane thickness, showing a CO2 permeance of 500 GPU (1 GPU = 10-6 cm3 (STP)/(s cm2 cmHg)) and CO2/N2 selectivity of 22.4.

Well-defined methacrylate based amphiphilic block copolymers (BCs) used as additives to fabricate poly(vinylidene fluoride) (PVDF) UF membranes, where the amphiphilic BC additives hydrophilically altered PVDF with PPEGMA block segment by strong interaction with the other PMMA block segment, which reduced water resistance to the PVDF polymer solution during phase separation. FT-IR and XPS studies showed carbonyl groups of BCs in the PVDF membranes. Obtained membranes showed porous surface layer and finger-like pore structures on the sublayers, of which sizes were increased with the increase of BC contents. Obtained membranes showed MWCO with 100K PEO and the best water flux was achieved in the PVDF membrane with BC/LiCl additive and improved the anti-fouling property for BSA protein.