간행물
멤브레인 KCI 등재 Membrane Journal
- 발행기관 한국막학회
- 자료유형 학술지
- 간기 계간
- ISSN 1226-0088 (Print)2288-7253 (Online)
- 수록기간 1991 ~ 2025
- 주제분류 공학 > 화학공학 공학 분류의 다른 간행물
- 십진분류KDC 570DDC 660
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Volume.35 No.4 (2025년 11월) 16건
1.
2025.11
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리튬(Li)은 전기차 및 에너지 저장 장치 기술의 급성장에 따라 수요가 급격하게 증가하고 있으며, Li 염호 자원은 전 세계 리튬 공급의 약 60%를 차지하는 핵심 원천이다. 그러나 Li 염호에는 마그네슘 이온(Mg2+)을 비롯한 다양한 공존 이 온이 존재하여 선택적인 Li+ 분리가 어렵다. 기존 Li 회수 기술 중 나노여과(nanofiltration, NF) 분리막 기술은 낮은 에너지 소비, 간단한 운전, 친환경이라는 장점으로 인해 Li 회수에 유망한 기술로 부상하고 있다. 하지만, 널리 사용되는 폴리아마이 드 기반 NF 분리막은 표면 음전하 특성을 가지며 넓은 기공 크기 분포로 인해 Li 선택도가 낮다는 한계가 있다. 이러한 문제 를 극복하기 위해 최근 폴리아마이드 선택층에 표면 코팅/그래프팅, 첨가제 활용, 중간층 도입 등을 활용하는 연구들이 진행 되고 있다. 또한, 폴리아마이드 이외에 새로운 화학 구조를 갖는 소재들도 활용되고 있다. 본 총설에서는 Li 염호로부터 Li을 선택적으로 회수하기 위한 NF 분리막의 구조 및 특성과 최근 연구 현황에 대해 소개하고자 한다.
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2.
2025.11
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폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI)은 뛰어난 화학적 저항성, 열적 안정성, 그리고 기계적 강도를 지닌 고 성능 고분자로, 유기용매 나노여과(organic solvent nanofiltration, OSN) 분리막의 이상적인 소재로 잘 알려져 있다. 그러나 이 러한 이점에도 불구하고, 가교되지 않은 PBI는 강한 유기용매에 노출될 경우 상당한 팽윤, 제한적인 선택성, 그리고 장기 안 정성 저하를 보이는 경우가 많다. 이러한 문제를 극복하기 위해, PBI 분리막의 내구성과 분리 성능을 향상시키고자 다양한 가교 전략이 개발되어 왔다. 본 리뷰에서는 공유결합, 이온결합, 수소결합, 및 기타 가교 메커니즘으로 구분되는 PBI 기반 OSN 분리막의 가교에 관한 최근의 발전을 요약하였다. 특히 가교 화학과 분리 성능 간의 관계에 중점을 두었으며, 마지막으 로 견고하고 고성능인 OSN 분리막을 위한 향후 설계 전략에 대한 전망을 논의하였다.
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3.
2025.11
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재생에너지의 빠른 확산과 함께 수소에너지는 지속 가능한 산업을 위한 대안으로 점차 주목받고 있으며, 특히 넷 제로(Net-Zero) 탄소 배출 달성에 핵심적인 에너지원으로 인식되고 있다. 수소 생산 기술 중 수전해는 고순도의 그린 수소를 생성할 수 있는 방법으로, 이 중 알칼라인 수전해는 저비용 소재 활용과 대규모 상용화 가능성 측면에서 유망한 기술로 주목 받고 있다. 전형적인 알칼라인 수전해 시스템은 전극, 액상 KOH 전해질, 그리고 다공성 분리막으로 구성되며, 분리막은 이온 전달뿐만 아니라 전극 간 물리적 분리와 수소/산소 크로스오버 억제 기능을 동시에 수행하는 핵심 요소이다. 최근에는 고분 자/KOH/H2O로 이루어진 3상 구조를 활용하는 이온 솔베이팅 분리막이 기존 다공성 격막의 가압/차압 운전의 어려움과 수소 차단성 한계를 극복할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 본 리뷰에서는 다양한 이온 솔베이팅 분리막 고분자 시스템의 연구 진전을 정리하고, 이들의 분자 설계 전략, 성능 특성 및 평가 방법을 소개한다. 마지막으로 차세대 알칼라인 수전해 전해질막 개발을 위한 남은 과제와 향후 연구 방향을 논의한다.
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4.
2025.11
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최근 수질 오염 문제의 심화와 수자원 회수의 중요성이 부각되면서, 분리막 기반 수처리 기술이 큰 관심을 받고 있다. 분리막 공정은 높은 분리 성능과 낮은 에너지 소비로 인해 기존 전통적 기술보다 친환경적인 대안으로 여겨져 왔으나, 석유 화학 기반 고분자, 단량체 및 유기용매에 의존하는 제조 및 폐기 과정에서의 환경적 한계가 지적되고 있다. 이에 따라 친환경적이고 생분해성이 우수한 천연물질 기반 분리막이 지속 가능한 대안으로 주목받고 있으며, 최근 다양한 연구가 활발 히 진행되고 있다. 본 총설에서는 천연소재를 활용한 수처리 분리막 연구를 소재별로 체계적으로 정리하고, 각 소재의 특성과 활용 사례를 고찰한다. 또한, 이러한 분리막의 잠재적 장점과 한계점을 논의하고, 향후 연구 방향을 제시함으로써 지속 가능 한 수처리 기술 개발을 위한 방향성을 제공하고자 한다.
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5.
2025.11
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리튬 이온 배터리의 안전성과 지속가능성에 대한 수요 증가는 기존의 폴리올레핀 분리막을 대체할 수 있는 셀룰 로오스 기반 분리막 개발을 촉진하고 있다. 본 총설은 수압 공정을 통해 제조된 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate, CA) 분리막의 최적화 전략을 종합적으로 분석하였다. 특히, 기공 구조, 열적 안정성, 기계적 강도를 조절하는 데 있어 유기 및 무 기 첨가제의 역할을 중점적으로 고찰하였다. 유기산은 고분자 사슬의 가소화를 통해 나노기공 형성을 유도하여 높은 기공률 과 조절 가능한 기공 크기를 제공하지만, 열적 안정성이 다소 저하되는 한계가 있다. 반면, 무기 염과 산화물, 특히 칼슘계 화 합물은 이온 상호작용과 가교결합을 통해 열적 안정성을 크게 향상시키는 것으로 나타났다.
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6.
2025.11
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하이드로겔은 친수성 고분자 네트워크로 높은 수분 함량과 생체적합성을 가지며, 조직 공학, 약물 전달 등 다양한 바이오 응용 분야에서 활용되고 있다. 그러나 하이드로겔의 친수성 표면은 약물 방출 속도를 지속적이고 정밀하게 제어하는 데 한계로 작용할 수 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 약물의 방출 제어가 가능한 표면 개질 기술의 개발이 요구된다. 이 에 본 연구에서는, 표면 개질 기술의 모델 연구로써, poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) 하이드로겔 표면의 알코올 기(-OH)를 octyltrichlorosilane (OTS)와 반응시켜 소수성 표면으로 개질하였다. 이러한 접근법은 하이드로겔의 기계적 특성과 같은 벌크 성질을 유지하면서도, 약물의 방출 속도 등에 영향을 주는 표면 특성을 제어할 수 있다. 나아가, 약물 전달뿐 아니 라 조직공학 지지체 및 바이오센서와 같은 생체 소재 개발을 위한 기반 기술로 확장 가능할 것으로 기대된다.
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7.
2025.11
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메탄화 공정은 탄소 포집 및 활용(CCU) 기술의 하나로, 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술이다. 본 연구는 메탄화 반응기 배출가스에서 생성가스인 메탄과 미반응 수소를 분리하기 위한 가스 분리 시스템 설계를 위한 사전 연구로, 소형 막 모듈을 이용한 2단 분리막 시스템을 설계⋅제작하고 시험 가스인 질소-수소 혼합가스에 대한 분리 성능을 실험적으로 평가하 였다. 1단 막 모듈에서는 질소-수소 혼합가스에 대한 혼합 가스 선택도를 측정하였으며, 1단 및 2단 막 모듈 모두에서 잔류 측과 투과 측의 목표 가스 회수율 및 순도를 분석하였다. 본 연구에서 수행한 국내 A사 막 모듈의 성능 분석 결과는 향후 메 탄화 반응 가스 분리 시스템 설계 및 최적화 연구의 기초자료로 활용될 수 있다.
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8.
2025.11
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전기화학적 탄소 포집은 에너지 집약적인 열역학적 공정에 대한 유망한 대안으로, 등온 운전 및 재생 에너지원과 의 통합을 가능하게 한다. 그러나 주로 드롭 캐스팅 기술에 의존하는 현재의 전극 제조 방식은 확장성을 제한하고 활물질과 전도성 물질 사이의 불균일한 계면으로 인해 전도 경로의 효율을 저해한다. 본 연구에서는 확장 가능한 전기화학적 탄소 포집 응용 분야를 위해 전기화학적 CO2 반응 특성을 가짐과 동시에 용액 공정이 가능하고 산화-환원 활성을 가지는 폴리이미드 (redox-active polyimides, RAP)의 첫 번째 사례를 보고한다. 합성된 RAP는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP) 및 N,N-디메틸포름아미드(N,N-dimethylformamide, DMF)와 같은 유기 용매에서 우수한 용액 가공성을 보였으며, 용해도는 산화-환원 활성 유닛을 가지는 단량체의 조성에 따라 달랐다. 질소 및 이산화탄소 포화 조건에서 수행된 순환 전압전류법 실 험을 통해 CO2 대기 조건에서 반파 전위의 뚜렷한 변화를 관찰하였으며, 이는 RAP의 CO2 분자와의 반응성을 입증해주는 결 과이다. 용액 가공성, 산화-환원 활성, CO2 반응성의 조합은 RAP를 대규모 전기화학적 탄소 포집 시스템에서 활용 가능한 유 망한 후보로 자리매김하여 효과적인 CO2 제거 성능을 유지하면서 전극 호환성과 제조 확장성 측면에서 중요한 과제를 해결 할 수 있다.
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9.
2025.11
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하수 성상의 복잡성과 인구증가 그리고 빠른 도시화에 대응하기 위해 오염원에서 하수를 재이용하는 중수도 시스 템의 중요성이 부각되고 있다. 중수(greywater)는 가정 하수 중 변기를 제외한 세면대, 욕실, 싱크대, 세탁기 등에서 발생하는 하수를 의미한다. 본 연구는 가압식 한외여과(ultrafiltration) 분리막 시스템을 이용하여 중수의 직접 여과 및 주기적 역세척을 포함하는 분리막 여과 공정 수행을 통해 역세수의 성상에 따른 투과도 회복 효과를 분석하였다. 실험 결과, 세제에 일반적으 로 포함된 계면활성제 성분이 막 파울링(fouling) 완화에 지배적으로 기여하였고 계면활성제 부재 시 분리막 투과도는 여과 시작 15 min 만에 초기 투과도 대비 90%가 감소한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 기존 연구 결과와 달리 분리막에서 생산되 는 투과수를 역세척수로 사용했을 때 수돗물을 적용하였을 때보다 투과도 회복률이 약 16% 더 높음을 확인할 수 있었다. 특 히, 투과수를 이용한 화학적 강화 역세척(chemical enhanced backwash, CEB)을 수행하였을 때 투과수의 성분과 첨가된 차아 염소산나트륨(NaOCl)의 시너지 효과로 인해 분리막 파울링을 효과적으로 감소시킬 수 있었다.
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10.
2025.11
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본 연구에서는 기존 고분자 분리막 제조 시 일반적으로 사용되는 polyethylene terephthalate (PET) 부직포 지지체 를 대체하기 위해, 바이오유래 친환경 생분해성 소재인 셀룰로오스 기반의 한지를 지지체로 적용하고 그 물리적·화학적 특성 을 비교하였다. 먼저 두 지지체의 구조적 특성과 기공 분포를 분석하였으며, 이후 도프용액 점도를 8, 11, 15 wt%로 조절하 여 지지체 구조에 따른 용액의 침투거동과 막 형성 특성을 평가하였다. 저점도 조건에서는 지지체 내부로 도프용액이 쉽게 침투하여 불균일한 막이 형성되는 문제가 나타났으며, 이를 개선하기 위해 유기용매 침액(pre-wetting) 기법을 적용한 결과 투 과도 상대 표준편차가 최대 84.5% 감소하고 투과 성능이 향상되는 경향을 보였다. 이를 통해 낮은 점도 조건에서는 지지체의 용매 침액 과정이 균일한 막 형성을 위해 필수적임을 확인하였다.
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11.
2025.11
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본 연구에서는 페나진(phenazine) 구조를 갖는 고분자인 PIM-7을 합성하고, 그 특성과 전기화학적 거동을 평가하 여 CO2 포집을 위한 산화·환원 활성 고분자 플랫폼으로서의 가능성을 검토하였다. 합성 과정에서는 5,5',6,6'-tetrahydroxy- 3,3,3',3'-tetramethyl-1,1'-spirobisindane의 케톤화 유도체(TTSBI-ketone)를 아세톤 재결정으로 정제하여 순도를 향상시 켰으며, 이를 통해 단계성장 중합이 안정적으로 진행되었다. 최종 고분자의 구조는 FT-IR 및 NMR 분석을 통해 확인하였다. 질소 흡착 분석 결과, PIM-7은 약 519 m2/g의 높은 BET 비표면적을 보여 기체 접근성이 좋은 미세다공성 골격을 형성하고 있음을 알 수 있었다. 또한 cyclic voltammetry 측정에서는 CO2가 존재할 때 PIM-7 복합 필름의 환원 전류가 선택적으로 증 가하는 현상이 관찰되었으며, 이는 환원된 페나진 중심과 CO2 사이의 상호작용에 따른 것으로 해석된다. 이러한 CO2 반응성 은 여러 주사 속도와 반복 측정 조건에서도 일관되게 유지되었고, 이는 해당 산화·환원-CO2 상호작용이 단순 표면 현상이 아 니라 고분자 자체의 고유한 특성임을 보여준다. 이와 같은 결과는 PIM-7이 고체 상태에서 전기적으로 제어 가능하며, 미세다 공성을 갖춘 산화·환원 기반 CO2 포집 소재로 활용될 수 있음을 제시한다.
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12.
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본 연구에서는 디벤조퓨란(dibenzofuran), 바이페닐(biphenyl), 7-브로모-1,1,1-트라이플루오로헵탄-2-온(7-Bromo- 1,1,1-trifluoroheptan-2-one)을 단량체로 사용하여 강산 촉매하에서 축합중합을 수행함으로써 가지형 구조의 이오노머 전구체 (BFBC7Br)를 합성하였다. 이후 4차 암모늄기로의 개질 반응을 통해 OH⁻ 이온 전달이 가능한 디벤조퓨란–바이페닐 기반 이 오노머(BFBN)를 제조하였다. 합성된 BFBN의 화학 구조, 분자량 및 열적 특성을 분석하였으며, 용액 캐스팅(solution casting) 공법을 이용하여 BFBN 막을 제조하고 그 수화 거동 특성을 평가하였다. 또한 기계적 물성과 이온전도도를 PiperION 막과 비교함으로써 구조적 차이에 따른 성능 특성을 분석하였다. 그 결과, BFBN 막은 PiperION 대비 유연한 알킬 측쇄의 도입으 로 인해 변형 수용성(연신율)이 향상되었으며, 가지형 구조가 형성하는 친수/소수 영역의 미세상 분리 효과로 인해 우수한 OH⁻ 이온 전도도를 나타내었다.
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13.
2025.11
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본 연구에서는 α-Al2O3 중공사 지지체 위에 γ-Al2O3, SiO2 산화막 및 Pd 금속막을 각각 증착하여 수소 분리막을 제작하고, 암모니아 열분해 반응 후 생성되는 혼합기체(H2, N2, NH3)에 대한 투과 성능을 비교⋅분석하였다. scanning electron microscope과 atomic force microscope 분석 결과, 산화막 코팅을 통해 표면 조도가 크게 개선되어 Pd 무전해도금 시 결 함 억제에 기여할 수 있음이 확인되었다. 기체투과실험은 450°C, 0.5~2.0 barg 조건에서 수행되었으며, 산화막 기반 분리막은 기공 투과 메커니즘에 의해 최대 수소 순도가 82%에 머무른 반면 금속막 기반 분리막은 용해–확산 기반의 bulk diffusion 메 커니즘을 통해 97% 이상 순도의 수소를 안정적으로 분리하였다. 특히 Pd/α 중공사막은 2 barg에서 15 mL/min 이상의 수소 flux와 1900 이상의 H2/NH3 seperation factor을 기록하며 산화물 기반 분리막보다 월등한 성능을 보였다. 결론적으로 산화물 막은 단독 분리 성능은 제한적이지만 Pd 증착을 위한 전처리 및 중간층으로서 유효함이 확인되었으며, Pd 중공사막은 고온 수소 정제 공정에 가장 적합한 선택지임을 입증하였다.
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14.
2025.11
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본 연구에서는 과불화 알킬 사슬이 도입된 산화 그래핀(perfluoroalkyl-grafted graphene oxide, FGO)을 합성하고, 이를 과불소화계 고분자인 나피온(Nafion)에 복합화하여 바나듐 레독스 흐름 전지(vanadium redox flow battery, VRFB)용 이 온 교환 막을 개발하고자 하였다. FGO는 염기성 촉매 하에서 카르복실산기를 함유한 폴리(헥사플루오로프로필렌 옥사이드) (157 FSL, DuPont)의 카르복실산기와 GO의 에폭시기 간 개환 에스터화 반응을 통해 합성하였다. 합성된 FGO를 Nafion 기 지체에 함량을 달리하여 첨가한 복합막(N/FGO_X)을 제조하고, 함수율, 체적 안정성, 수소 이온 전도도, 바나듐 이온 투과도 및 셀 성능을 평가하였다. N/FGO 복합막은 Nafion 단일막 대비 낮은 함수율과 체적 변화율을 보였으며, FGO의 물리적 차단 효과에 의해 바나듐 이온 투과도가 감소하면서도 수소 이온 전도도를 유지하여 우수한 이온 선택도를 나타내었다. VRFB 단 위 셀 평가 결과, FGO가 도입된 복합막은 Nafion 단일막을 적용한 셀 대비 높은 방전 용량, 쿨롱 효율 및 에너지 효율을 유 지하였다.
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15.
2025.11
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본 연구에서는 산업계의 높은 에너지 소비를 줄이기 위한 에너지 효율적 분리 공정의 일환인 분리막 기술을 이용 하여, 우수한 산소 차단막을 개발을 목표로 하였다. 기존 화학적 처리 방식과 달리, 고유의 결정 구조가 보존되어 있는 물리 적 분쇄된 실크 피브로인 분말을 polyvinyl alcohol (PVA) 고분자 용액과 혼합하여 복합막을 성공적으로 제조하였다. 이때 물 리적 분쇄 과정에서 발생한 미세 입자가 유발하는 공정상의 기포 문제는 분말 세척을 통해 효과적으로 억제하였다. Time-lag 측정 결과, 제조된 복합막은 실크 입자가 기체 확산 경로를 방해하는 tortuous path를 형성하여 확산도와 용해도를 급격히 감 소시켰다. 그 결과, 순수 PVA 막 대비 압도적으로 우수한 산소 차단 성능을 나타내며 친환경 고성능 차단 소재로서의 가능성 을 확인하였다.
4,000원
16.
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본 연구에서는 실험실 규모의 혈액투석 실험 장치를 구성하고 polysulfone (PS) 중공사막과 polyethylene terephthalate (PET) 소재의 모노 및 멀티 스페이서 얀(spacer yarn)을 적용한 5 종류의 소형 혈액투석 모듈을 제작하여 스페이서의 존재가 혈액투석 모듈에 미치는 영향을 확인하였다. 수투과도 측정 결과에서 스페이서가 없는 모듈의 flux가 가장 높은 것으 로 확인되었으나, 이는 스페이서를 적용한 모듈의 막표면적이 감소한 원인으로 분석된다. 반면, 요소(urea) 제거 실험에서는 스페이서 적용 여부와 종류에 따른 성능 차이가 뚜렷하게 나타났으며, 스페이서가 내부 유동 균일화에 기여함으로써 확산 저 항을 감소시키는 효과가 확인되었다. 특히 모노 스페이서를 10 wt% 적용한 모듈은 낮은 막표면적에도 불구하고 혈액투석 실 험 3 h 경과 시점에서 약 67.99%의 요소 제거율을 기록하여, 스페이서를 적용하지 않은 모듈(62.75%) 대비 약 5.24% 높은 요소 제거 효율을 나타냈다.
4,000원
