Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are considered as prospective energy conversion systems because of high efficiency and environmental advantage. However, the current PEMFC technology uses commercialized perfluorosulfonic acid (PFSA) polymers as a proton exchange membrane, which has the issues of high production cost, poor recyclability at intermediate temperature. In this study, We have synthesized a non-fluorinated hydrocarbon membrane. Also, non-fluorinated membrane has a symmetric chemical structure and sulfonated block copolymer was prepared and characterized using 1H-NMR, and the proton conductivity, ion exchange capacity (IEC), and water uptake. properties were evaluated. The synthesis, characteristic and fuel cell performance and newly prepared membrane will be discussed.

PEBAX®는 폴리에테르가 우수한 CO2용해도를 나타내어 기체분리막의 소재로 주목받고 있지만 폴리아마이드의 crystallinity로 인해 투과성능면에서 제약을 받는다고 알려져 있다. 본 연구에서는 PEBAX® 막의 기체투과특성을 향상시키기 위해 합성된 aluminosilicate hollow nanoparticles를 막 내부에 고르게 분산시켜 함량별로 혼합막을 제조한다. 분산된 나노입자의 함량에 따른 CO2 용해도 증가, 확산 속도의 증가로 인하여 선택도와 투과도의 향상을 예측할 수 있다. 첨가된 나노입자의 morphology와 yield를 확인하고, 첨가량이 증가할수록 선택도의 변동없이 투과도가 증가하는 것을 알 수 있다.

리튬이온 이차전지는 리튬이온이 이동하면서 전기화학적 충방전사이클을 완성하는 에너지변환장치를 의미한다. 리튬이온 이차전지는 높은 에너지밀도와 낮은 자가방전률, 상대적으로 긴 수명주기 등 다양한 장점을 갖는다. 최근 전기차 수 요증가는 고용량 리튬이온 이차전지 개발을 촉진하고 있으나 음극에서의 dendrite 형성으로 인한 전기적 단락 현상과 전지 폭 발 문제와 같은 심각한 안전문제를 야기한다. 또한, 리튬이온 이차전지 구동시 상승된 온도에서 폴리올레핀계열(예 : 폴리에 틸렌과 폴리프로필렌) 격리막의 열수축 문제가 발생한다. 이와 같이 낮은 열 안정성은 리튬이온 이차전지의 성능과 수명의 감소로 이어진다. 본 연구에서는 폴리올레핀계열 함침격리막 제조를 위한 중요한 소재로서 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰 랜 덤 공중합체를 사용하였으며, 제조된 격리막을 이용하여 dendrite 형성과 관련된 금속이온 흡착 능력과 리튬이온전도성, 열적 내구성이 평가되었다.

Novel processable sulfur copolymer (poly(S-r-CEA)) was synthesized via facile inverse vulcanization of elemental sulfur with 2-carboxyethyl acrylate (CEA). This polysulfide was electrospun producing sulfur-rich nanofiber and tested for heavy metal sequestration. Adsorption experiments show very high and efficient Hg2+ adsorption. This work extends the novelty of inverse vulcanization chemistry by developing method for preparation of material based on inverse vulcanized polysulfide. Consequently, a new and cheap yet effective material was prepared for heavy metal sequestration from contaminated water. This work was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning (2015R1A2A1A15055407) and by the Ministry of Education (No. 2009-0093816).

고분자 분리막 시스템은 우수한 가공성, 재료의 다양성 등의 장점으로 인해 연구가 활발히 진행되고 있다. 고분자 분리막 시스템이 타 공정과의 경쟁력을 가지기 위해서는 높은 투과성과 선택성, 화학적 내구성 등의 특징이 요구된다. 그러나 일반적으로 고분자 분리막은 특정기체에 대한 선택성이 향상되면 투과 성이 저하되는 trade-off관계를 가지고 있다. 투과도는 분리막 제조 시 다양한 공정조건과 제조 기술의 발전으로 한계를 나타내고 있다. 최근 들어 고분자 소 재에 관능기를 도입하여 기체의 용해성을 증가 시키거나 free volume을 증가시 켜 확산도를 증가시키는 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 브롬, N3가 치환 된 폴리술폰을 제조하였으며, 이를 이용하여 고분자 분리막을 제조하였다 제조 된 분리막은 DSC, TGA 등을 이용하여 열적 특성을 파악할 수 있었다. Time-lag 장비를 이용하여 기체분리 특성을 확인 하였다.

In the electronic device area, several conductive polymers have been used such as Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS). In the connection of this concept, PEDOT-PSS was applied to CO2/N2 separation, which is the first attempt to this area. To be specific, the polymer was blended to poly(2-[3-(2H- benzotriazol-2- yl)-4-hydroxyphenyl] ethyl methacrylate)-poly(oxyethylene methacrylate) (PBEM-POEM or PBE). The conductive polymer formed the interconnected network by interacting with PBE owing to the specific interaction. This structure give the facile pathway to CO2 and N2, which result in the increased permeability of the gases. Especially, improved CO2 solubility caused the permeability (59.6 Barrer) to be increased, which brought about the enhanced CO2/N2 selectivity (77.4) of PEDOT-PSS 5 wt% membrane.

이산화탄소를 분리하기 위한 한 방법으로 고분자 기체 분리막을 이용한 기술이 발전하고 있다. 다양한 폴리머 멤브레인 재료 중에서도 폴리이미드(PI) 는 우수한 열 및 기계적 특성, 좋은 화학적 안정성과 높은 가스 수송 특성 을 가지고 있으나 고분자 분리막은 아직 낮은 투과, 선택성을 가지고 있다. 때문에 이를 높이기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이산화탄소에 대한 높은 친화성으로 우수한 이산화탄소 분리성능을 가지고 있는 고무상 고분자인 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 이용하였고 높은 자유 체적을 가지는 durene group을 포함한 PI와 PEG를 공중합 시켜 높은 소재의 기체 투과성능을 확인하고 이 소재를 이용하여 중공사 제조 변수를 조절에 따른 기체 투과도를 확인 하였다.

술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(SPAES) 랜덤 공중합체는 고분자 전해질 연료전지에 적용될 때 높은 수소이온전도 도, 상대적으로 낮은 생산 단가 그리고 열화학적 저항성등과 같은 장점을 갖는다. 반면, SPAES 공중합체는 가혹한 구동 조건 하에서 낮은 화학적 안정성과 치수 불안전성으로 인해 실제 연료전지 막에 직접적으로 적용하는데 어려움이 있다. 그에 타당 한 해결책은 SPAES 공중합체를 상호 연결된 기공 구조와 높은 열화학적 강도를 가지는 지지체 필름(예 : 전기방사된 폴리이 미드 지지체)에 함침시키는 것이다. 본 연구에서는 함침막 제조를 위한 이오노머로 빠른 이온 수송을 위해 높은 자유 체적을 유도하는 회전 그룹을 갖는 SPAES 공중합체를 선택하였다. 제작된 막의 실용가능성은 막 특성화를 통해 평가되었다.

본 연구에서는 높은 이산화탄소 분리성능을 가지는 폴리이미드의 제조를 위해 2,2-bis(3,4-carboxylphenyl) hexafluoropropane과 두종류의 아민인 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine, Poly(ethylene glycol) bis(3-aminopropyl) terminated을 이용하여 합성을 진행하였다. 합성된 고분자를 비용매 상전이법으로 비대칭 분리막을 제조하기 위하여 고분자의 용 해도 지수 추정 값과 비용매 상전이 계수 측정을 통해 용매를 선정하였고, 고분자 용액 점도 측정을 통해 분리막 제조를 위 한 도프용액 중의 고분자의 함량을 결정하여 질산리튬을 첨가제로 사용하여 최종적으로 분리막을 제조하였다. 제조된 평판형 비대칭 분리막은 전자주사현미경(SEM)을 통해 질산리튬과 휘발성 용매 함량에 변화에 따른 모폴로지의 변화를 확인하였으 며, 이의 변화에 따른 기체 투과도 변화를 확인하였다. 분리막 제조를 위한 도프용액 중의 휘발성 용매 함량이 작을수록 선택 도 변화가 없으면서 이산화탄소 투과도가 증가하는 것을 확인하였다.

Sulfonated poly(arylene ether sulfone)(SPAES) random copolymers are representative alternatives to perfluorinated sulfonic acid(PFSA) ionomers used as the state-of-the-art polymer electrolyte membranes for fuel cells. SPAES copolymers have advantages such as low hydrogen permeability, low production cost. However, it is difficult to demonstrate high electrochemical single cell performances for a long period time, since SPAES membranes have critical interfacial issues with catalyst layers containing PFSA ionomers, particularly in the repeated hydrated and dehydrated cycles. In this study, called as radiation grafting of proton conductive polymers on SPAES membranes, is tried in order to improve proton conductivity without a severe loss in dimensional stability and to reduce interfacial resistance with PFSA catalyst layers at the same time.

Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) random copolymers have been perceived as alternatives to perfluorinated sulfonic acid ionomers used as polymer electrolyte membranes for fuel cells. SPAES copolymers are suffering from degradation under harsh fuel cell operation conditions. One solution to overcome the decomposition issue is to fill SPAES copolymers into polymeric support films (e.g., poly(tetrafluoro ethylene), PTFE) with interconnected porous structures. It is difficult to fill the SPAES copolymers dissolved in polar aprotic solvents into PTFE support films owing to their different surface energies. In this study, a SPAES nanodispersion in a water-alcohol mixture is used to make defect-free pore-filling membranes where poly(ethylene glycol) oligomers are added to induce advanced morphologies for fast proton conduction.

Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) random copolymers have been perceived as membrane materials alternative to perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers, since they are cheap and chemically tunable when compared with PFSA. Moreover, their relatively low gas permeability, particularly to hydrogen, contributes to reduced thermal decomposition of membrane-electrode assemblies. In spite of their advantages, freestanding SPAES copolymers have critical issues associated with chemical/electrochemical durability as well as interfacial resistance with electrodes. In this study, SPAES-PTFE reinforced membranes are fabricated using consecutive membrane formation protocols, (e.g., SPAES nanodispersion in water-alcohol mixtures, spontaneous pore-filling, and solvent-assisted thermal treatment techniques) and systematically evaluated.

연료로부터 벤젠 또는 톨루엔과 같은 유독한 방향족 성분의 제거 및 분리는 최대 허용 농도의 감소로 인해 점점 더 많이 주목 받고 있다. 그 중에서도 가솔린의 벤젠 함량은 지금 법률상으로 유럽에서 1% 이하로 제한되고 있다. 이러한 분리공정에 있어서 에너지의 소모를 줄이고 분리효율을 높일 수 있는 투과증발 공정이 각광을 받고 있다. 본 연구에서는 벤젠에 대한 고선택성을 나타내는 sulfonated SEBS 공중합체를 합성하였고, 1H-NMR과 FT-IR 분석을 통해 술폰화가 되었음을 확인 하였다. 혼합물 분리를 위한 투과증발 실험 장치를 제작하여 sulfonated SEBS막을 제조하여 벤젠 조성 변화에 따른 투과증발 실험을 실시하였으며, 그에 따른 투과유량 및 투과도를 계산하여 투과특성을 확인하였다.

이산화탄소를 분리하기 위한 한 방법으로 고분자 기체 분리막을 이용한 기술이 발전하고 있다. 다양한 폴리머 막 재료 중에서도 폴리이미드(PI) 는 우수한 열 및 기계적 특성, 좋은 화학적 안정성과 높은 가스 수송 특성 을 가지고 있다. 하지만 고분자 분리막은 아직 낮은 투과, 선택성을 가지고 있기 때문에 이를 높이기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 한편 고무상 고분자인 폴리에틸렌글리콜 (PEG)은 이산화탄소에 대한 높은 친화성으로 우수한 이산화탄소 분리성능을 가지고 있다. 본 연구에서는 높은 자유 체적을 가지는 durene group을 포함한 PI과 PEG를 공중합 시켜 높은 물성과 이산화탄소 분리성능을 가지는 분리막을 제조하였다.

기체분리막으로 사용되는 주요 소재 중 하나인 폴리이미드는 강직한 유리상 고분자로써 우수한 열적⋅화학적 안정성을 가지며 기체에 대해 높은 선택도를 가지고 있다. 그러나 낮은 용해성으로 인해 가공이 어렵다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 고분자 사슬 내에 지환족을 가진 다이안하이드라이드와 여러 가지 다이아민을 이용하여 공중합체를 합성하였다. 자체의 비틀린 구조로 인한 사슬의 자유회전과 유연성의 증가시켜 사슬의 packing현상을 유도하였으며, 이에 따른 물리적 특성과 기체투과도에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.

Amphiphilic comb copolymers composed of poly(ethylene glycol) behenyl ether methacrylate (PEGBEM) and poly(oxyethylene methacrylate) (POEM) were synthesized via facile free radical polymerization. The structure of PEGBEM-g-POEM comb copolymer was confirmed by fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectroscopy, gel permeation chromatography (GPC) and nuclear magnetic resonance (1H NMR). Due to great solubility in ethanol, the PEGBEM-g-POEM comb copolymer could be directly coated onto the polysulfone supporting layer to prepare composite membranes. The maximum CO2/N2 selectivity of the PEGBEM-g-POEM membrane reached 84.7 together with a high CO2 permeance of 21.9 GPU (1 GPU = 10-6cm³(STP) / (s×cm²×cmHg).

최근 온실가스로 인해 기후 이상현상이 급증하면서 이산화탄소 분리 및 포집기술에 관한 관심이 집중 되고 있다. 본 연구에서는 이산화탄소 분리를 위한 고분자 분리막 재료로 극성 기체인 CO2에 대한 높은 용해선택도를 보이는 polyethylene glycol(PEG)와 폴리설폰 공중합체를 제조하였다. 공중합체의 합성 여부는 H-NMR 및 FT-IR 분석을 통해 확인되었다. 도입된 PEG 분자량에 따른 기체 분리 특성 및 열적, 물리적 특성이 평가되었다. 도입된 PEG의 분자량이 증가할수록 이산화탄소 투과도와 CO2/N2 선택도가 증가하는 것을 확인 하였다.

PEBAX®는 폴리에테르가 우수한 CO2용해도를 나타내어 기체분리막의 소재로 주목받고 있지만 폴리아마이드의 crystallinity로 인해 투과성능면에서 제약을 받는다고 알려져 있다. 본 연구에서는 PEBAX® 막의 기체투과특성을 향상시키기 위해 합성된 aluminosilicate hollow nanoparticles를 막 내부에 고르게 분산시켜 함량별로 혼합막을 제조한다. 분산된 나노입자의 함량에 따른 CO2 용해도 증가, 확산 속도의 증가로 인하여 선택도와 투과도의 향상을 예측할 수 있다. 첨가된 나노입자의 morphology와 yield를 확인하고, 첨가량이 증가할수록 선택도의 변동없이 투과도가 증가하는 것을 알 수 있다.

Block copolymer (BCP) self-assembly has been one of attractive approach for highly size-selective and permeable membranes due to its narrow size distribution and high pore density. We produced a thermally annealed PS-b-PMMA film on a neutral substrate, where the randomly oriented PMMA cylinders were formed between two layers of perpendicular PMMA cylinders at both substrate/polymer and polymer/air interfaces. The PMMA cylinders in the BCP films processed with a selective solvent were swollen for tunable mesoporous UF membrane. The confined swelling of PMMA microdomains in PS matrix resulted in the compaction of PS matrix as well as the shrinkage of PMMA microdomains during the removal of a PMMA-selective solvent.

본 연구에서는 높은 기체선택도를 가지는 폴리이미드의 제조를 위해 2,2-bis(3,4-carboxylphenyl) hexafluoropropane과 두 종류의 아민인 2,4,6-Trimethyl-1,3-phenylenediamine (DAM)과 4,4-Methylenedianiline (p-MDA)을 이용하여 합성을 진행한 후 비용매 상전이법으로 비대칭 분리막을 제조하였다. 분리막 제조에 사용된 용매에 따른 물성변화를 확인하기 위하여 고분자 용액의 점도, 흐림점 측정을 통한 고분자의 상평형도, 비용매 상전이 계수 측정을 진행하였다. 상전이법을 이용하여 제조된 분리막은 SEM을 통해 용매 휘발시간에 변화에 따른 모폴로지를 확인하였고 이의 변화에 따른 기체 투과도 변화를 확인하였다. 기체투과도는 디메틸아세트아마이드를 사용하였을 때보다 N-메틸-2-피롤리돈을 사용하였을 때 CH4, N2, O2, CO2의 투과도와 각 기체에 대한 선택도가 높은 것을 확인하였다. 또한 용매 휘발 시간이 길수록 기체 투과도는 감소하지만 기체에 대한 선택도가 증가하는 것을 확인하였다.