폴리벤즈이미다졸(PBI) 기반의 막은 내구성이 우수한 네트워크 구조를 가지는 구조재료로서의 우수한 강성과 더 불어서 고온에서의 우수한 내열성, 우수한 기계적 및 인장 특성, 높은 유리전이온도(Tg), 물이 없는 무수 환경에서의 이온 전 도성능, 산화와 화학적 내구성으로 지난 20년 동안 다양한 용도의 대중적인 막 재료로 다양한 문헌에서 보고되어 왔다. 이온 전도성 PBI 기반 막은 고온용 양이온 교환막 연료 전지(HT-PEMFC)에서 광범위하게 사용되어왔다. 또한 PBI 기반 막은 독 특한 특성으로 인해 기체분리막 및 유기용매나노여과(OSN) 막 개발에서 광범위하게 사용되어왔다. 이번 리뷰에서는 고온용 연료전지, 기체분리 및 OSN 적용을 위한 다양한 유형의 PBI 기반 막의 최근 연구동향 및 적용가능성에 대해 설명하고자 한다.

고온 구동형 고분자 전해질 막 연료전지(high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 전극의 빠른 활성과 피독 현상에 대한 높은 저항성으로 인해 저온 구동형 PEMFC의 대안으로 많은 연구가 진행되고 있다. 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)을 기반으로 한 PEM의 경우 고온 구동 조건에서 이온 전도성 물질과의 높은 상호 작용과 우수한 열적ㆍ기계적 안정성 특징으로 인해 HT-PEMFC용 PBI 기반 전해질 막 개발과 관련된 다양한 연구들이 진행 되고 있다. 본 총설에서는 고성능/고내구성의 PBI 기반 PEM을 개발하기 위해 1) 인산 및 다양한 이온전도성 물질이 도핑된 PBI 막의 특성 분석과 막 제조법에 따른 PBI 막의 물성 비교에 관한 연구를 우선적으로 살펴본 후 2) 다공성 폴리테트라플루 오르에틸렌 지지체 및 무기 입자 혼입을 통한 PBI 복합 막의 성능 개선 연구 및 3) 고분자 블렌딩을 통해 가교 구조가 도입 된 PBI 기반 가교 막의 내구성 향상에 관한 연구 동향에 대하여 소개하고자 한다.

알코올성 용제를 재활용할 수 있는 목적의 유기용제나노여과막(OSN)을 내용제성이 우수한 폴리벤지다졸 고분자를 이용하여 비용매 유도 상분리법을 이용하여 제조하였다. 제조한 나노여과막의 모폴로지와 투과특성을 조절하기 위하여 도프 용액의 농도와 물과 에탄올의 혼합용액인 응고액의 조성을 변화시키면서 제조하였다. α,α’-dibromo-p-xylene (DBX)을 이용하여 가교한 폴리벤지미다졸 분리막은 유기용제나노여과막으로 사용하기에 충분한 기계적 강도와 내용제성을 갖는 것을 확인하였다. 물로만 이루어진 응고조에서 도프용액의 농도가 20%이상인 분리막을 제조하는 경우에 분자량 696.66 g/mol을 가지는 콩고레드에 대한 제거율은 90% 이상을 나타내었고, 투과도는 5 bar의 압력에서 22.5 LMH/bar를 나타내었다. 응고액 조성에 대한 연구를 통해서 응고액 중의 에탄올 농도가 증가할수록 에탄올의 투과도가 증가하는 것을 확인하였다.