역전기투석전지는 염수-기수의 농도차이를 원동력으로 이온교환막의 선택성에 의해 양이온과 음이온을 서로 반대방향으로 이동시켜 전력을 생산한다. 이상적인 이온교환막의 경우 35 g/L과 0.5 g/L 농도의 염수와 기수를 흘려 보냈을 때, 약 0.1 V의 전압 출력을 가진다. 본 연구에서는 역전기투석 스택전지의 출력특성에 영향을 주는 인자로서 막저항, 염수와 기수의 전기전도도, 막 이동수, 막 면적, 유로 두께 및 메쉬의 개방면적비, 스택수 등을 고려하여 수치모사를 수행하였다. 스택전지 내 유로에서 발생하는 누설전류 및 내부저항을 고려한 등 가회로모델을 수립하였고, 상용 이온교환막으로 제작된 스택전지 실험결과로부터 개방전압, 단락전류밀도, 최대전력밀도와 같은 중요 전지특성에 대하여 수치 모사의 정합성을 확인하였다.

The reactions at triple phase boundary are unique to be found in fuel cells, which infer that focal points where ion exchangeable polymer to conduct water hydrated ions, electronic conductor to conduct electron and gases in pores of electrodes meet simultaneously allows complete full fuel cell reactions. Ion exchangeable polymer dispersed in solvents could be only introduced in catalyst ink due to difficulty in forming nano-scale body. Thus, new dispersion techniques for ion exchangeable polymers is necessarily developed.

Recently, the most commonly used membrane in vanadium redox flow battery (VRFB) is hydrocarbon-based cation exchange membrane. However, hydrophilic blocks or hydrophilic moieties have been considered as the main reason on degradation of hydrocarbon-based ionomers, while the significance of hydrophobic moiety has been neglected in ionomers. Herein, the poly(p-phenylene)s-based cation conducting polymeric membrane materials with different hydrophobic block structures were successfully synthesized by Ni(0)-catalyzed coupling polymerization for investigating the effect of the hydrophobic block structure on durability of membrane in VRFB.

An advanced organic-inorganic composite membrane is investigated to enhance mechanical and chemical stability of membrane for vanadium redox flow battery (VRFB). In order to improve chemical and mechanical stability of membrane, organic polymer is composed with inorganic material for VRFB. The inorganic material can be used as anti-oxidant for improving membrane chemical stability during long-term operation of VRFB. However, higher concentration of inorganic particles increased the hydrophobicity which may make membranes brittle. Therefore, the optimization of inorganic materials in polymer membrane is carried out for the application VRFB.

Living organisms are based on the mass flux that induces various biological reactions using nanosized asymmetric ion channels as highly selectivity. However, it is the aggressive challenge to use these channels for artificial membranes because these are fragile and susceptible to deterioration under pH, temperature, mechanical stress, etc. This study, for the first time, synthesized a virus nanochannel-embedded thin film composite membrane. This membrane shows the extremely high ion selectively as well as low resistance. This property can be used to extract various multi-energies, for example, external pressure, water dropping, temperature difference, etc. This electricity results from the entropy gradient between membrane like electric eels.

The potential application of palladium-ruthenium composite membranes to the separation of hydrogen from chlorosilane gases in silicon-based industries was investigated. Ru/Pd/Al2O3/PSS membranes were prepared by electroless plating. Hydrogen permeation tests and temperature programmed desorption analysis revealed that the addition of a Ru over layer on Pd changed the hydrogen adsorption characteristics, resulting in improved stability of the membrane at low temperatures. The Ru/Pd/Al2 O3/PSS composite membrane had a stable hydrogen permeation flux of 1.8 m3m-2h-1 over a period of 1,200 h at 180°C without suffering hydrogen embrittlement. After exposure to impurities such as HCl and SiHCl3 , the hydrogen permeation flux of the Ru/Pd/Al2 O3/PSS composite membrane was stable over a period of 9h with feed pressure of 2.0 bar at 225°C.

심냉법을 이용한 산소 제조 기술은 지난 한 세기 동안 사용되어 왔으나 에너지 효율의 문제가 제기 되고 있으며, 최근에는 이온전도성 분리막을 이용한 산소 제조 기술이 효율적으로 산소를 제조할 수 있는 대안으로 대두되고 있다. 이 온전도성 분리막을 산소 연소 공정에 적용하기 위해서는 높은 산소투과능과 이산화탄소에 대한 내성이 필요하다. Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ와 같이 기존에 잘 알려진 조성의 분리막은 높은 산소 투과성능을 나타내지만 이산화탄소에 대한 내성이 낮다. 이를 개선하기 위해 본 연구에서는 이산화탄소 내성을 가지는 Sm0.3Sr0.7Cu0.2Fe0.8O3-δ과 Ce0.8Sm0.2O2-δ으로 이상 분리막(dual phase)을 제조하였다. 제조된 분리막의 특성을 분석하고, 헬륨 및 이산화탄소 조건에서 산소투과 실험을 진행하였다.

‘용매 이동 유도 상분리‘라는 신 기법을 이용하여 바이젤 중공사막을 개발했고 이를 물/기름 에멀젼 분리에 적용하였다. 바이젤막은 미세유체장치를 이용한 방사법을 통해 제조되며, 제조액으로는 실리카 나노입자가 분산된 삼성분계 혼 합액 (물/가교 가능한 단량체/ 에탄올)을 사용한다. 실리카 나노 입자의 양, 입자 표면을 개질하는 계면활성제의 양에 따라 표면층의 기공 크기 및 하부 층의 구조 변화를 살펴보았다. 바이젤 막의 장점은 후 코팅 공정을 거치지 않고도, 막 표면 전체를 실리카 입자 층으로 덮어 anti-fouling 효과를 보유한다는 점이다. 물/기름 에멀젼에서 순수 물을 얻는 정밀여과에 적용하였으며, 상용 폴리설폰 중공사막보다 우수한 oil rejection 및 투과도를 보여주었다.

포토리소그래피는 웨이퍼 위에 선폭 10나노 이하의 패턴을 올리는 반도체 제조 공정의 핵심 기술이며 선폭을 줄이고 불량을 줄이기 위하여 photo-resist 용 액 제조 및 정제 기술이 상당한 수준에 올라와 있지만 아직고 soft particle 정제를 위한 공정을 시도되고 있다. 현재 개발되어 있는 필터는 soft particle 정제 기술이 상당히 미흡한 수준이다. 나일론이나 폴리에틸렌 위에 아라미드 고분자 를 함침하여 soft particle 정제 특성을 살펴보았다. 또한 팔라듐 나노입자를 합성하여 투과 특성에 사용하였다.

분리막은 최초 개발 이후 소비자의 요구에 부합하기 위해 지속적으로 개발되어 왔으며 그 과정 중 혁신적인 기술 개발에 의해 상업적 적용과 패러다임의 변화가 이루어져 왔다. Roeb & Sourirajan의 비대칭막 개발 및 Cadotte의 복합막 개발, Yamamoto 의 침지막의 개발은 기존 분리막의 틀을 넘어서 상업적 적용과 대량생산을 가능하게 하는 계기가 되었다. 현재 분리막 시장은 분리막에 소모품의 개념을 넘어 내구재의 특성을 요구하고 있으며, 생산기술은 이러한 요구에 부합하기 위해 NIPS와 TIPS개념을 넘어 다양한 융합기술로 끊임없이 진화하고 있다. 이에 우리는 평막의 안정성과 중공사의 집적도를 갖으며, 세라믹막의 내구성과 안정성을 대체함과 동시에 고분자막의 장점을 잃지 않는 플라워 & 클로버 멤브레인의 개발을 통해 분리막에 새로운 패러다임 제시하고자 한다. 플라워 멤브레인은 융합생산기술을 통해 MF/UF/PV 등 다양한 분야에 적용 가능하다.

반도체용 초순수를 생산하는 공정에서 다양한 종류의 멤브레인을 적용하고 있다. 정밀여과막, 한외여과막, 역삼투막, 탈기막, 이온교환막, 최종생산수용 한외 여과막 등이 있다. 멤브레인기술은 종래기술과 비교하여 동등이상의 성능과 운전의 용이함과 설치면적의 최소화 등 부수적인 장점이 있기 때문이다. 반도체산업에서 적용되고 있는 멤브레인은 주로 외산기술이 점유하고 있다. 본 연구에서는 국산화를 위해 설계공정과 일부 멤브레인 기자재 개발을 진행하 였다. 기자재 개발품의 실증을 위해 실증파일럿플랜트에 적용하여 국/외산 성능 비교와 운전방법에 따른 성능 등을 평가하는 연구를 진행하였다.

(주)효성은 지난 20여 년 동안 분리막 소재 및 제막 기술에 대한 연구를 진행 해오고 있으며, 독자적인 기술로 PVDF 소재의 평막, 침지형 및 가압형 MF/UF 중공사막 및 모듈을 개발하여 상용화하였고 이를 실제현장에 적용하여 저비용 고성능 고효율의 모듈운전 결과를 확인하였다. 최근에는 차세대 분리막으로써 Acetylated MeCellouse (AMC)와 PolyOlefinKetone (POK) 소재를 사용한 수처리용 분리막을 연구하여 고투수성, 내오염성이 우수한 새로운 분리막을 개발 중에 있다.

본 연구에서는 파일럿 및 상용급 규모에서 UF 분리막을 결합한 혐기성 소화 공정을 장기간 운영하여 분리막의 성능, 소화효율, 바이오가스 생산량과 수질 등의 다양한 인자를 도출하였다. 파일럿 규모에서 막의 투과 플럭스는 15∼20 LMH, 막간 차압은 1∼3 kgf/cm2로 운전되었다. 유입수의 TCOD 와 SCOD 는 각각 113 g/L, 62 g/L 이었고, 유출수의 TCOD 와 SCOD는 UF 공정 이후 제거효 율이 93% 및 86% 로 나타났다. 상용급 규모의 운전 결과, 분리막의 투과 플럭스는 12∼15 LMH로 나타났다. 유입수의 CODcr, TS, VS는 각각 236 g/L, 62.5 g/L, 50.2 g/L였으며, 농축여과분리막을 통과 후 제거율은 각각 99%, 94% 및 98%로 조사되었다.

탄화규소(Silicon Carbide, SiC) 세라믹 멤브레인은 알루미나 원료의 세라믹 멤브레인보다 높은 친수성을 나타내어 동일한 압력 하에 높은 수투과도 유지가 가 능하다. 이러한 탄화규소 세라믹 멤브레인을 혐기성 생물막 반응조(Anaerobic Membrane Bioreactor, AnMBR)에 설치하여 고농도의 생물반응조 운전에도 불구하고 낮고 안정된 운전압력을 유지할 수 있었으며, 막오염 현상의 획기적인 저감이 가능하였다. 본 연구에서는 도시하수와 음폐수를 혼합 처리함에 있어서 탄화규소 세라믹 멤브레인을 적용한 AnMBR의 운전결과를 알루미나 세라믹 멤브레인을 적용한 경우와 비교 평가하였다.

광에너지 상향 전환 기술(이하 Upconversion, UC)은, ‘낮은 에너지의 두 개 혹은 그 이상의 광자를 이용해 높은 에너지를 가지는 하나의 광자를 생산해내는 기술’로 비전통적인 광에너지 전환기술의 하나이다. UC 는 광자가 에너지원으로 이용되는 다양한 광학기반 기기(예 : 태양전지)의 광감응 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 기술로 평가받고 있으며, 이외에도 Bioimaging 이나 광학센서 등에 높은 활용가치를 지니고 있다. 본 연구발표에서는 삼중항 소멸에 기반한 UC 기술의 기본원리를 소개하고 최신 기술개발 단계와 차기 환경-에너지 공학에의 응용가능분야를 살펴본다. 또한 실제로 본 연구진에서 개발한 다양한 UC 물질의 제조법을 소개하고, Sub-bandgap 에너지의 광자 조사시 UC 에 의해 광촉매가 광활성화된 연구결과와 이외의 다양한 응용분야에 대해 살펴본다.

평관형 알루미나 세라믹 멤브레인을 적용한 실험실 규모의 단독 혐기성 유동상 멤브레인 생물반응기에서 알루미나 세라믹막과 비흡착성 PET구형입자를 유동메디아로 적용하여 평균 유입 COD 250 mg/L를 포함하는 합성폐수를 적용하여 상온에서 유기물 제거효율과 파울링 현상을 관찰하였다. 약 250일 연속운전에서 약 10 L/m2.hr 투과플럭스가 달성되었다. 운전기간 동안 약 80% COD 제 거율을 나타내었고 0.075 kWh/m3 운전에너지가 요구되었고 이는 생산되는 메탄발생 전기에너지의 약 30%에 해당되었다. 실험결과는 GAC를 유동메디아로 사용한 동일 반응기의 결과와 비교분석하였다.

An advanced organic-inorganic polymer composite membranes are synthesized to enhance chemical stability for the application of unitized regenerative fuel cells (URFCs). In order to improve chemical stability of polymer membrane, organic polymer is composed with inorganic materials for long-term operation of URFC. By addition of inorganic polymer, chemical stability of polymer membrane has highly increased. However, higher concentration of inorganic particles may lead to brittleness in polymer membrane. Therefore, the optimization of inorganic materials in polymer membrane is a crucial for the preparation of polymer membrane with high chemical stability in URFC.

Blended membranes of hydrophilic polymers poly (vinyl alcohol) (PVA) and poly(vinyl amine) (PVAm) were prepared and crosslinked with glutaraldehyde. The characterization of membranes were done by using FTIR, XRD, DSC, SEM and swelling study. MB1.5 membrane was the best one in all since it exhibited higher separation index. By using blend membrane (MB1.5), the flux through a 65-mm film increased from 0.01 to 0.47 kg/m2h at an acetonitrile/water feed ratio between 20/80 and 5/95 w/w at 30°C while separation factor increased from the 5055 to 100.84 attributed to the higher hydrophilicity of blend membranes. On comparison of pervaporation data with water-acetonitrile vapor-liquid equilibrium data it was observed that the membrane acted as third phase to effectively break the azeotropes.

음이온 교환막은 전기투석, 전기흡착식 탈염(capacitive deionization), 연료전 지 등에서 탈염과 전기 에너지 생산에 활용될 수 있다. 가교되어 있지 않은 음 이온 교환막은 물이나 유기용매에 대해 취약하거나 내구성이 약해서 장기간 사용해야 하는 경우 멤브레인의 안정성에 문제가 될 수 있다. 본 연구에서는 폴리 페닐렌 옥사이드계 음이온 교환막과 가교제의 종류와 실험 조건에 따라 가교하고 가교된 멤브레인의 물성과 특성을 조사하였다. 가교제의 종류로는 BADGE, m-PDA, HMDA를 사용하였다. 가교제 함량에 따른 유기용매 용해 여부와 IR 특성 피크 변화를 조사하였다. 가교결합 반응속도는 HMDA>m-PDA>BADGE 가교 제 순으로 빨랐다. 가교 전후의 이온교환용량, 함수율 등을 측정하고 비교하였다. 가교된 음이온 교환막의 내화학성과 기계적 특성이 우수하였다.

We developed a regenerable antifouling membrane using photo-dynamic reversible cross-linking. We modified a branched polymer with photo-responsive group, and coated it to a membrane by dip-coating method. The combined results of Fourier-transform infrared spectroscopy, proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and field-emission scanning electron microscopy measurements clearly revealed that the modified polymer were successfully synthesized ,and coated to the membrane by photo-dynamic reversible cross-linking. As expected, the modified film could be detached by UV irradiation. In addition, the photo-reversible membrane surface was recovered decreased water flux by photo-induced regeneration process.