최근 환경 문제를 해결하기 위한 방법으로 분리막을 이용한 많은 연구가 이루어지고 있고, 그중에서도 고분자막을 이용한 기체분리는 빠른 속도로 발전하고 있는 분야로써 시장 규모 및 응용 범위가 확대되고 있다. 본 연구에서는 다 양한 모노머를 사용하여 poly(ether ether ketone)를 합성 후, 이미다졸륨 그룹을 도입한 고분자를 이용하여 분리막을 제조하였다. 제조된 분리막의 특성평가 를 진행하였고, 이어서 타임렉 방법을 이용하여 기체특성평가를 진행하였다. 그 리고 동일고분자를 분자동역학시뮬레이션(Molecular dynamics simulation)의 COMPASS force field로 계산하여 진행하였다. 마지막으로 분자동역학시뮬레이션 계산값과 실험 측정값을 비교 분석하는 연구를 진행하였다.

계면동전위(electrokinetic potential)로 불리는 제타전위(zeta potential)란 표면 전하적 특성을 정량화한 값으로, 전기동역학적 현상으로 인하여 발생하는 전기적 유동층을 통과하는 전위차를 말한다. 이러한 제타전위는 표면화학분야의 기초, 응용적인 연구에서 중요하다. 제타전위는 용액 내에서 표면 전하 특성 정보를 얻을 수 있다. 이를 측정하는 방법으로는 계면동전위효과(electrokinetic effects)를 이용한다. 현재 위 효과를 이용하여 제타전위 측정 기기로 측정이 쉽게 가능하고, 많은 연구가 진행되어왔다. 본 연구에서는 계면동전위의 원리, 측 정, 결과 등을 제시하면서 분리막 표면 특성평가에 관한 내용을 제시하였다.

본 연구는 열유도 상분리법(thermally induced phase separation, TIPS)을 사용하여, 수처리 분리막에 적용하기 위 해, 응고조의 열용량의 변화를 위해 서로 다른 두 용액의 함량을 조절하였다. 또한, 온도의 변화를 통해 분리막의 구조 변화 에 대하여 관찰하였다. 분리막을 제조하기 위한 소재로는 수처리 분리막에 주로 이용되는 기계적 물성과 내화학성이 우수한 poly (vinylidene fluoride)(PVDF)를 사용하였고, 첨가제로 실리카를 이용하였다. 희석제는 PVDF와 호환성이 좋은 dioctyl phthalate (DOP), dibutyl phthalate (DBP)를 사용하였다. 응고액의 함량 변화에 따른 열용량 변화에 따라 제조된 분리막의 구 조를 관찰하기 위해 SEM 이미지를 촬영하였다. 열용량이 증가할수록 PVDF의 결정화 속도가 느려져 큰 기공을 나타내며 열 용량이 작을수록 결정화 속도가 증가하여 작은 기공이 생기는 것을 확인하였다.

계면동전위라 불리는 제타전위(zeta potential)란 표면 전하적 특성을 정량화 한 값으로 전기동역학적 현상으로 발 생하는 전위차를 말한다. 제타전위는 막오염(fouling)과 표면전하 분석을 통한 개질 확인 및 치환기 확인에 대한 연구가 활발 히 진행되어 왔다. 그리고 제타전위를 측정하는 방법으로는 전기영동(electrophoresis), 전기삼투(eletrosmosis), 유동전위 (streaming potential)를 기초로 개발되었고, 그중에서도 평막은 유동전위 측정이 적합하다고 알려졌다. 따라서, 본 연구에서는 poly(styrene-ethylene-butylene-styrene) 고분자에 암모늄을 도입하여 아민화된 SEBS 평막 형택의 분리막을 제조하고, 계면동 전위 측정기를 이용하여 제조된 분리막들의 유동전위를 측정하여 결과를 분석하였다.

본 연구는 열유도 상분리법(thermally induced phase separation, TIPS)을 사용하여, 수처리 분리막에 적용하기 위 해, 응고조의 온도 및 열용량의 변화에 따른 분리막의 모폴로지 변화를 관찰하였다. 분리막을 제조하기 위한 소재로는 기계적 물성과 내화학성이 우수한 poly(vinylidene fluoride)(PVDF)와 실리카를 이용하였고, 희석제로는 dioctyl phthalate (DOP), dibutyl phthalate (DBP)를 사용하였다. 다양한 응고액의 열용량 변화에 따른 구조 변화 관찰을 위하여 SEM 이미지를 관찰하였 다. 열용량이 증가할수록 PVDF의 결정화 속도가 느려져 큰 기공을 나타내며 열용량이 작을수록 결정화 속도가 증가하여 작 은 기공이 생기는 것을 확인하였다.

전해질막을 사용하는 알칼라인 연료전지는 최근 들어서 시스템 구성이 비슷하고 전해질막의 종류만 다른 기존의 양이온 교환막 연료전지를 대체할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 특히, 알칼라인 연료전지에서는 비백금계 저가 촉매가 사용 가능하여 많은 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 이러한 알칼라인 연료전지 시스템에 적용하기 위한 고성능, 고내 구성 음이온 교환막을 제조하기 위하여, 두 종류의 다공성 지지체인 폴리벤조옥사졸 지지체와 폴리에틸렌 지지체에 Fumion FAA 이오노머를 함침시켜, 기존의 Fumion 시리즈의 막보다 우수한 기계적 강도를 가지면서 높은 이온전도도를 유지할 수 있는 함침막을 제조하고자 하였다. 이를 통하여 최종적으로 지지체-함침막이 성공적으로 제조되었고, 이온 전도도와 기계적 특성이 지지체의 성질에 따라 서로 다른 결과를 보여 주었다. PE 지지체에 Fumion 이오노머를 함침시킨 함침막에서는 우수 한 기계적 특성이 얻어졌지만, 이온전도도는 감소하였으며 특히 높은 온도에서 성능감소가 더욱 증가하였다. 반면에 PBO 지 지체에 Fumion 이오노머를 함침 시킨 경우에는 PBO의 높은 염기성으로 인하여 함침 후에 높은 이온 전도도를 보였지만, Fumion-PE막에 비하여 상대적으로 낮은 기계적 특성을 나타내었다. 결과적으로 지지체-함침막 제조 시 알칼라인 연료전지의 운전조건에 따라 지지체의 특성을 충분히 고려하여 연구를 진행할 필요가 있다는 결론을 얻었다.

요즘 건물 내에서의 생활이 많아진 현대인에게 실내공기의 질은 매우 중요한 개념이고, 새롭게 생각을 해 보아야 하는 문제이다. 실내공기의 질은 실내공기의 온도, 습도 등으로 결정이 된다. 그리고 실내공기 개선을 위해서는 에너지 소비 가 심하다는 단점이 있다. 그리하여, 전열교환을 이용하여 이러한 문제를 해결하려는 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 전열교환 분리막 적용을 위하여, poly(styrene-ethylene-butylene-styrene) 고분자에 친수성 치환기 인 암모늄을 도입하여 아민화된 SEBS 고분자를 합성하였고, 합성고분자에 대한 특성평가를 진행하였다. 암모늄을 도입하기 위하여 클로로메틸화 반응과 아민화 반응을 통하여 합성을 진행하였다. 결과적으로 합성고분자는 반응용제의 함량이 높아질 수록 함수율, 이온교환용량이 증가하였고, 전열교환 분리막에서 중요한 투습도 또한 증가함을 확인할 수 있었다.

분리막을 이용한 산업은 석유에너지 자원의 고갈과 동시에 친환경 에너지자원의 필요성이 대두되어 최근 들어 많은 연구가 이루어지고 있다. 이온기 그룹을 포함하는 고분자 분리막의 경우 해수담수, 전지 시스템 등 친환경 에너지 자원의 개발과 더불어 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이미다졸륨 그룹의 도입을 통해서 이온교환 관능기를 포함하는 폴리에테르에테르케톤계열고분자를 합성하여 음이온교환막 제조를 하였으며 이에 따른 연료전지 적용을 위한 다양한 특성평가를 진행하였다. 이온교환능 및 이온전도도를 분석하였다. 도입된 이미다졸륨기의 함량이 증가함에 따라 이온교환능 및 이온전도도가 향상이 되었음을 확인 할 수 있었다.

본 연구에서는 높은 이산화탄소 분리성능을 가지는 폴리이미드 제조를 위해 3가지 모노머를 이용하여 합성하였다. 합성된 고분자를 비용매 상전이법으로 비대칭 분리막을 제조하기 위하여 고분자의 용해도 지수 추정 값과 비용매 상전이 계수 측정을 통해 용매를 선정하였고, 고분자 용액 점도 측정을 통해 분리막제조를 위한 도프용액 중의 고분자의 함량을 결정하여 질산리튬을 첨가제로 사용하여 최종적으로 분리막을 제조하였다. 제조된 비대칭 분리막은 전자주사현미경(SEM)을 통해 질산리튬과 휘발성 용매 함량에 변화에 따른 모폴로지의 변화를 확인하였으며, 이의 변화에 따른 기체 투과도 변화를 확인하였다. 휘발성 용매 함량이 작을수록 선택도는 유지되면서 이산화탄소 투과도가 증가하는 것을 확인하였다.

최근 온실가스로 인해 기후 이상현상이 급증하면서 이산화탄소 분리 및 포집기술에 관한 관심이집중 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 합성여부는 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.

분리막을 이용한 기체 투과 특성은 이산화탄소 분리성능이 탁월하다. 복합막제조에 앞서 Si-PEG를 합성한 뒤, 1H-NMR, GPC, FT-IR등을 이용하여 합성을 확인하고 지지체 위에 실리콘 코팅을 하여 SEM 사진으로 복합막의 코팅층 확인 및 Bubble flowmeter을 이용하여 기체투과 성능을 측정하였다. 코팅제는 Isocyanate와 합성한 Si-PEG, 소량의 촉매를 사용하여 지지체 위에 코팅하였고 고온에서 가교과정을 거친 후 복합막을 제조하였다. 제조한 기체투과 복합막은 3um 이하로 고른 분포를 보이고, 50GPU의 이산화탄소 투과값과 질소에 대한 이산화탄소 선택도는 15의 결과를 보였다. 또한 코팅제의 조성을 다양하게 변화하여 각각의 (N2, O2, CO2) 투과 성능을 확인 하였다.

최근, 전세계적으로 물 부족 현상과 지역개발 및 산업 고도화, 인구증가와 함께 물 수요는 증가하고 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 해수담수화 방법이 있다. 해수 담수화의 많은 방법 중 이온 교환막을 이용한 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 Anion exchange resin을 대체할 수 있는 물질로 Polystyrene Latex입자를 제조 하였다. 제조된 입자에 chloromethylation과 amination을 통해 –NH3+, -NR3+, -PR3+, -SR2+등의 관능기를 도입하였으며, 제조된 입자와 고분자를 합하여 하이브리드 막 제조를 하였다. 특성평가로는 SEM, TGA, DSC, FT-IR, IEC Value를 통한 측정을 진행하였다.

기존에 많이 이용되고 있는 전기탈이온(EDI) 공정은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정이다. 그리고 공정에 이용되는 모듈은 전기투석을 위한 양･음이온교환막이 있으며 두 막 사이에 이온교환수지로 채워지는 형태이다. 그리고 모듈의 성능을 결정하는 인자로는 이온교환수지의 균질한 크기 분포도가 있다. 하지만 이온교환수지와 양･음이온교환막으로 인해 모듈의 크기가 커지는 단점이 있다. 이러한 점들을 바탕으로 현재 이온교환수지를 글라인딩하여 bipolar 형태의 막으로 만든 electro-adsorption deionization(EAD) 공정 모듈이 생산되고 있다. 본 연구는 현재 생산되고 있는 모듈보다 높은 이온교환능력을 가지는 이온교환고분자를 합성하고, 이온교환수지을 대신할 이온교환그룹을 가진 nano particle 제조하여 이 둘을 적절하게 조절하여 하이브리드막을 제조하였다. 그리고 제조된 하이브리드막은 전기화학적, 열적, 기계적 특성평가를 실시하였고, 그에 따른 고찰을 진행하였다.

Imidazolium group을 도입한 Poly (ether ether ketone)(PEEK)를 합성하였다. 합성된 고분자를 필름으로 제조해 기체 특성평가를 진행하였다. 결과로 Diffusivity, Solubility, Permeability를 구하였다. 실험을 통해 얻은 결과 값들을 이론상의 결과와 비교하기 위하여 Molecular Dynamics simulation을 다루어 비교 분석을 하였다. 본 실험에서는 MD simulation을 이용해 cell을 modeling하는 작업을 중심적으로 나타내었다.

본 연구에서는 혼합기체 투과 시 높은 CO2 선택도 특성을 가지는 분리막을 제조하기 위한 연구를 하였다. 이를 위해 Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane(POSS)와 Polyethylene glycol(PEG)의 추가적인 합성을 진행하여 POSS-PEG를 얻었다. 또한 투과도와 선택도를 향상시키기 위해 POSS-PEG를 용매에 희석시켜 추가적인 코팅을 진행하여 복합막을 제조하였다. 특성평가 진행은 POSS-PEG Film의 기체투과 특성을 측정하기 위해 Time lag를 사용하였으며, N2, O2, CO2를 혼합한 혼합기체에 대한 특성평가는 Bubble flowmeter와 Gas chromatography를 이용하여 진행하였다.

현재 상용 고분자들 중 폴리벤즈이미다졸(PBI)은 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 내열성과 내화학성이 우수하다고 알려져 있다. 또한, 해당 고분자는 기계적 물성 및 화학적 물성 또한 우수하여 재료공학, 나노공학, 광학 이외에도 다양한 분야에 활용되고 있다. 본 연구는 용매-비용매 상전이법을 이용하여 폴리벤즈이미다졸 분리막을 제조하였고, 제조 시 다양한 조건들을 변화시켜 나타나는 모폴로지를 관찰하여 모폴로지 조절이 가능한 폴리벤즈이미다졸 분리막을 제조하였다. 용매와 조용매는 각각 DMAc와 THF를 사용하였고 나이프캐스팅법을 통하여 분리막을 제조하였다. 모폴로지는 주사전자현미경(SEM)을 통해 표면과 단면을 관찰하여 확인하였다.

본 연구는 수처리 분리막에 제조하기 위하여 열유도 상분리법(thermally induced phase separation, TIPS)을 이용 하였고, 기계적 물성과 내화학성이 우수한 폴리플루오르화비닐리덴(poly(vinylidene fluoride)(PVDF)) 고분자와 실리카를 이용 하여 특성평가를 진행하였다. 특성평가에 사용된 희석제는 dioctyl phthalate (DOP), dibutyl phthalate (DBP)를 사용하였으며, PVDF와 실리카의 비율에 따른 분리막 제조 조건을 알아보기 위하여 결정화 온도, 흐림점, SEM 이미지 등을 관찰하였다. 실 리카의 함량이 증가할수록 결정화 온도와 흐림점이 증가하였음을 확인하였고, 상평형도 작도를 통하여 분리막 제조 조건을 확인하였다.

Mesoscale simulation은 원자의 그룹을 묶어서 하나의 단위로서 계산을 수행하는 전산모사 기술로 ns~μs의 시간 및 nm~μm의 크기까지 모사가 가능하다. 이러한, mesoscale simulation에는 (1) 입자 자체의 움직임을 계산하여 시스템을 모 사하는 particle-based mesoscale, (2) 입자의 움직임이 아닌 chemical potential filed나 density field 등의 변화를 계산하여 시 스템을 모사하는 field theory 등의 방법 등이 있는데, 두 방법 모두 고분자의 거시적 특성을 살펴보기 위한 강력한 전산모사 기술로서, 에너지-환경 분야용 고분자 분리막의 다양한 응용분야에서 활용되고 있다. 기존에는 주로 블록 공중합체 분야에서 연구결과들이 보고되었으나, 최근 들어 실제 고분자 분리막의 제조 조건 등을 모사한 연구 결과와 같이 좀 더 응용 분야에 가까운 다양한 에너지-환경용 고분자 분리막 관련 연구가 진행되고 있다. 이온 교환막의 경우에는 이온 전달 채널 형성을 분 석 및 예측하기 위한 다양한 mesoscale simulation 결과들이 발표되고 있고, 최근에는 CNT, graphene 등의 나노 첨가물 소재 에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 mesoscale simulation 관련 연구에 대한 동향을 정리하고, 어떤 분야에 서 유용하게 활용 가능한지 제시하며, 에너지-환경 분야에 종사하는 분리막 연구자들이 mesoscale simulation 기술에 좀 더 쉽게 다가갈 수 있는 기회를 제공하고자 한다.

본 연구에서는 리튬이온전지용 친수화된 세퍼레이터의 전기화학적 성능에 대한 연구를 진행하였다. 리튬이온전지 용 분리막으로 사용되는 폴리올레핀 소재는 소수성이고, 카보네이트 계열의 유기용매를 사용하는 전해액은 친수성을 가진다. 따라서 리튬이온전지는 수계전해액을 사용하기 때문에 폴리올레핀계 분리막에 다양한 친수성 고분자를 도입하여 친수화 처 리하였다. 코팅된 세퍼레이터의 변화를 평가하기 위해, 표면 관찰, 코팅시간에 따른 친수화도, 다공성, 젖음성에 대한 특성평 가를 수행하였다. 최종적으로 리튬이온이 코팅된 세퍼레이터의 저항과., 이온전도도를 측정하여 리튬이온전지 성능평가를 진 행하였다. PMVE로 코팅한 세퍼레이터의 친수화 정도가 우수하며, 세퍼레이터의 기공이 잘 유지되어 우수한 이온전도도를 나타냄으로써 이차전지 배터리에 적용을 위한 잠재성을 가짐을 확인하였다.

최근 전 세계적으로 급속한 도시화, 인구증가 및 기후변화에 따른 물의 수요와 공급의 불균형으로 인해 물 산업 의 경제, 사회, 환경적 중요성은 더욱 증가하고 있다. 이러한 물 산업은 크게 해당 분야에 따라 사용되는 분리막의 종류가 상 이하다. 주로 물리적, 화학적 안정성이 매우 우수한 고분자 소재가 사용되고 있으나, 이들 고분자들의 소수성인 성질 때문에 친수성을 부여하는 다양한 방법들이 소개되고 있다. 본 연구에서는 상용화되어 있는 중공사 지지체에 총 4종류의 친수성 고 분자들을 도입하여 친수성을 부여하였고, 주사전자현미경을 통해 코팅된 중공사 지지체의 모폴로지를 확인하였다. 또한, 각 고분자들로 코팅한 중공사 지지체의 친수화 정도를 알아보기 위해 접촉각을 측정하였고, 마지막으로 코팅 시간에 따른 수투 과도 변화 그리고 친수성 고분자에 따라 수투과도에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과 Pluronic 1 wt%로 코팅하였을 때 친 수화 정도가 우수하며 중공사의 기공을 막지 않고 우수한 수투과도 정도를 나타내 수처리 분리막으로 가장 적절하다는 결론 을 얻을 수 있었다.