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 특성을 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 PI와 PEG를 공중합 시켜 높은 소재의 기체 투과성능을 확인하고 이 소재를 이용하여 중공사 제조 변수를 조절에 따른 기체 투과도를 확인하였다.

기체분리막의 성능을 향상시키기 위한 여러 개질 방법 중 가교는 사슬 간격과 사슬 내 외부의 유동성을 감소시켜 분리막의 선택도, 내화학성, 내가소성등을 증가시키는 장점을 지닌다. 본 연구에서는 선형의 지방족 가교제를 사용하여 폴리이미드 분리막의 기체 분리 성능을 향상시키고자 하였으며, 가교제의 알킬길이에 따른 영향 또한 알아보았다. 가교 여부는 이미드 그룹의 특성피크 증가와 이미드 그룹의 특성피크 감소를 통해 확인하였다. 기체분리특성은 CH4, N2, O2, CO2 단일 기체에 대해 측정하였으며 가교제 및 가교도에 관계없이 가교 후 기체의 확산 감소로 인해 네 기체 모두 투과도가 감소하였다. 반면 CO2/CH4, O2/N2 기체상의 선택도는 가교 전보다 향상된 결과를 나타내었다.

고분자 분리막을 통한 기체 분리는 기체의 용해 및 확산으로 진행되며 따라서 기체 분리 성능은 기체의 용해도 또는 확산도에 좌우된다. 이산화탄소와 같은 극성 기체의 용해도를 향상시키기 위해 acylation, bromination, sulfonation과 같은 화학적 개질을 통한 연구들이 진행되었으며 또한 술폰산기를 가지는 고분자에 금속이온을 치환시켜 이산화탄소 선택도를 증가시킨 연구가 보고되었다. 본 연구에서는 biphenol기와 fluorene기를 가지는 Sulfonated Poly(arylene ehter sulfone) (SPAES) 고분자 분리막을 제조하였으며 술폰화 정도와 치환된 극성 그룹의 종류에 따른 기체투과특성을 알아보고자 하였다.

본 연구에서는 보다 플루오렌기를 포함한 폴리술폰 (PSf)과 PEG를 공중합시켜 분리막을 제조하였다. PEG 특성 피크 (2950 cm−1,1110cm−1)의 확인을 통해 PEG가 도입을 확인하였다. PSf-PEG 분리막이 단일 유리전이온도를 가지는 것을 확인 하였으며 분자량 6000 PEG가 10 mol%가 포함된 PSf-PEG 분리막에서만 60 °C 부근에서 용융점이 나타났다. PSf-PEG 분리막의 CO2기체투과도는 PEG함량에 따라 감소하였지만 CO2/N2선택도는 증가하는 경향을 보였다. 비슷한 함량에서 PEG의 분자량이 증가함에 따라 CO2투과도는 증가하는 경향을 보였다.

본 연구는 둘 이상의 기체혼합물에서 높은 이산화탄소 분리성능을 목적으로 하는 복합막의 제조이며 지지체 위에 실리콘 코팅을 하여 SEM 사진으로 복합막의 코팅층 확인 및 Bubble flowmeter로 기체투과 성능을 조사하였다. 코팅제는 Isocyanate와 Si-PEG, 소량의 촉매를 사용하여 혼합 하였고 지지체 위에 코팅하여 오븐에서 가교과정을 거친 후 복합막을 제조하였다. 코팅층은 3㎛이하로 고른 분포를 보이고, 50 GPU의 이산화탄소 투과값과 질소에 대한 이산화탄소 선택도는 15의 결과를 보였다. 또한 코팅 방법과 코팅제의 조성을 다양하게 하여 각각의 기체(N2,O2, CO2) 투과 성능을 확인하였다.

본 연구는 둘 이상의 기체혼합물에서 높은 이산화탄소 분리성능을 위해 Poly(ethylene glycol)로 개질된 Graft copolymer로 film을 제조 하였다. 높은 기체 선택성을 가져 분리막으로 널리 사용되는 Polysulfone을 클로로메틸화하고, 구조적으로 이산화탄소에 높은 친화성을 가지는 Poly(ethylene glycol)을 사용하였다. 분자량이 5000인 Poly ethylene glycol을 사용하였고 합성된 공중합체는 TGA와 DSC로 고분자의 열적특성을 확인하고 FT-IR 과 1H-NMR을 이용하여 화학구조를 분석하였다. Time lag 기계를 사용하여 Film의 기체투과 성능을 조사하였으며, Poly(ethylene glycol)의 분자량에 따른 효과를 알아보았다.

본 연구에서는 고투과성을 나타내는 6FDA 모노머와 다양한 종류의 아민 모노머를 이용하여 다양한 종류의 폴리이미드 소재를 합성하였으며 이를 이용하여 기체분리용 분리막을 제조하여 기체투과 특성을 분석하였다. 높은 기체투과도와 용해도를 나타내는 두종류의 아민을 사용하였으며 투과도를 증가시키기 위해 durene계 모노머를 사용하였다. 측정결과 대부분의 고분자 분리막들이 상용화된 폴리이미드계 소재보다 높은 산소투과도 및 선택도를 나타내어 잠재적이 가능성을 확인할 수 있었다.

기존의 전기 탈이온 공정(EDI)은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정으로 알려져있다. 여기서의 모듈은 전기투석을 위한 양이온교환막과 음이온교환막이 있고 이 막 사이에 이온교환수지를 채워 넣는 형태로 제조된다. 이것을 기초로 요즘 전기 흡착 탈이온(EAD) 공정은 바이폴라막과 이온교환수지를 이용해서 모듈을 제조하고 있다. 그래서 모듈에 이용되는 양이온교환막으로 술폰화시킨 SEBS triblock copolymer를 이용했다. 게다가 술폰화시킨 SEBS, 물 분자, 히드로늄 이온을 모델링하고 술폰화시킨 SEBS, 히드로늄 이온과 물분자의 의 동역학을 분자동역학시뮬레이션을 이용해서 살펴보았다. 그리고 실제 실험을 통한 비교분석을 진행했다.

기존의 전기탈이온(EDI) 공정은 전기투석법과 이온교환수지법을 혼합한 공정이다. 모듈을 제조 하는데 있어 전기투석을 위한 양이온교환막과 음이온교환막이 있으며 그사이에 이온교환수지로 채워지는 형태이다. 이온교환수지의 균질한 크기 분포도 및 당량비 또한 장치의 성능을 결정하는 매우 중요한 인자이다. 이러한 점들을 바탕으로 현재 이온교환수지를 글라인딩하여 bipolar형태의 막으로 만든 electroadsorption-deionization(EAD) 공정 모듈이 생산되고 있다. 지금 생산되고 있는 모듈보다 성능을 더 높이기 위하여 이온교환능력을 가지며 바인더 역할을 할 수 있는 고무상의 고분자를 제조하였다.

단백질을 분리하는데 있어 현재 사용되는 공정들은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서 분리막을 이용한 분리 공정들이 계속적으로 연구되고 있으며, 단백질의 크기에 따른 분리공정과 pH에 따른 단백질 표면의 전하 차이를 이용한 분리 공정이 있다. 본 연구에서는 유사한 크기의 단백질을 분리하기 위해 폴리술폰을 개질하여 전하를 부여하였으며, 상전환법을 이용하여 분리막을 제조하였다. 분리막 표면의 Zeta potential을 측정하여 pH에 따른 표면의 전위차를 확인하였다. FT-IR 과 1HNMR을 이용하여 화학구조를 분석하였으며, UV Spectrometer를 이용하여 단백질의 농도를 측정하였다.

본 연구에서는 고분자 분리막을 제조하여 다양한 분석기기를 통해 특성평가를 실시하였다. 먼저, 분리막의 표면개질 정도와 막의 fouling에 관한 정보를 얻을 수 있는 zeta potential과 전기영동이동도를 조사하여 표면에 전하를 측정하는 동적전위를 통해 전기적특성평가를 진행하였다. Time lag 장비를 통하여 특정 기체에 대한 분리막의 diffusivity와 solubility를 측정하였으며, 분리막의 기공 크기에 따른 분리와 이온의 흡착작용 등으로 수투과를 실시하여 water purity를 증가시켰다. 그리고 수분투습도 측정기(WVTR)와 산소투과도 측정기(OTR)의 경우 각각 일정시간동안 막을 통과하는 수증기와 산소의 양을 측정하는 장비로 사용되었다. 또한 BET 비표면적 측정기를 이용하여 고분자 시료의 비표면적 및 기공 크기분포를 조사하였다.

제타 전위란 분리막 표면이 가지는 전하적 특성을 정량화한 값이며, 분리막 표면의 Zeta potential을 측정 함으로써 막의 표면 개질의 정도와 막의 fouling 및 세척과 관련된 중요한 지수로 많이 적용되고 있다. 현재 평막 형태의 막은 상용화된 제타 전위 측정기로 쉽게 측정 가능 하나 중공사 형태의 경우 측정이 어려운 경우가 많다. 그러나 중공사 형태도 측정가능한 cell을 이용하여 외면 및 내면의 streaming potential 측정이 가능하다. 수처리 분리막 뿐만 아니라 부직포 형태의 필터 또한 처리된 코팅액과 관련하여 표면의 개질정도를 파악 할 수 있으며, 제거대상물질의 전하와 관련하여 흡착 및 배제 정도를 파악 할 수 있는 중요한 인자가 될 수 있다.

본 실험에서는 다양한 PP를 이용하여 필름과 중공사의 형태로 압축과 사출을 통해서 제작되었다. 권취속도를 달리하여 중공사막을 제조하였으며, 코어로는 질소를 사용하였다. 제작된 필름과 중공사막은 만능재료시험기를 이용하여 응력과 변현율을 측정하였다. 그리고 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 각각의 샘플의 Tm, Tc, 결정화도를 측정하였고, 냉각속도에 따른 결정화도의 거동을 조사하였다. 전계방출형주사현미경(FE-SEM)을 이용하여 단면, 표면의 모폴로지를 관찰하였다.

본 실험에서는 고분자의 농도, 첨가제의 종류 및 함량에 따라 도프 용액을 이용하여 분리막제조하였다. 분리막의 모폴로지는 전자주사현미경(SEM)을 통해 관찰 하였으며, 막의 모폴로지와 순수투과도의 관계를 확인 할 수 있었다. 필터화 모듈을 제조하여 수투과도 및 바이러스, 박테리아 등과 같은 미생물 제거성능을 측정하였다. 제조된 중공사막의 단면은 sponge 형태로 표명으로 갈수록 치밀한 형태를 띄는 것을 확인하였으며, 수투과도는 50-70 ml/min 으로 높은 값을 나타내었으며, 필터화모듈의 경우 수투과도는 1.6 LPM의 높은 투수량을 나타내며, 박테리아와 바이러스의 제거성능은 log 6 의 값의 높은 수치를 보였다.

본 연구에서는 백혈구 친화 흡착 및 분리 가능한 기능성 필터를 개발하기 위해, 직경이 3μm이하를 가지는 부직포 표면에 전기 방사법을 이용하여 평막형태의 혈액분리용 필터를 제조하였다. 전기방사는 고분자 농도, 유량, 인가전압, 에어갭 등의 변수를 조절하여 나노/마이크로 구조를 최적화하였다. 분리막의 단면과 표면 모폴로지는 전계방출형주사현미경(FE-SEM)을 이용하여 관찰하였다. 화학적 표면처리를 통해 친수성을 증가시켰으며, 혈액적합성 평가결과 우수한 것을 확인 할 수 있었다.

본 연구에서는 탄화수소계열 고분자인 sulfonated poly arylene ether sulfone(SPAES) 고분자를 이용하여 연료전지용 전해질막을 제조하였으며 메탄올 투과도를 최적화 하기 위하여 소수성 고분자인 polyethersulfone(PES), Polyvinylidene fluoride (PVdF) 를 소량 첨가하여 블렌드막을 제조하였다. 제조된 분리막은 연료전지용 전해질 막으로써 요구되는 물리적, 화학적 안정성, 이온전도도, 셀 테스트등의 기본 물성을 측정하여 잠재적인 적용 가능성을 테스트 해보았다 또한 분자동력학 시뮬레이션을 이용하여 소수성 고분자와 SPAES고분자의 혼화성 측정과, 이온 및 메탄올 분자의 투과도를 예측해 보았으며 이를 이용하여 실제 실험 결과와 비교 분석을 진행하였다.

본 연구에서는 높은 제거성능을 가지는 분리막 개발하기 위해, 상전이법을 이용하여 이중구조의 중공사형 한외여과막을 제조하였다. 방사조건에서 에어갭, 내부응고제를 조절하여 중공사를 제조하였다. 분리막의 단면과 표면 모폴로지는 전계방출형주사현미경(FE-SEM)을 이용하여 관찰 할 수 있었으며, 수투과도와 제거성능 평가는 0.2cm2 의 테스트 모듈을 제작하여 각각 측정하였다. 50nm PS latex bead를 이용하여 분리막의 공칭공경을 측정하였다. 측정결과 50nm 이하의 공칭공경을 가지는 것을 확인 할 수 있었으며, 박테리아 제거성능은 log 6 이상의 높은 값을 나태내는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 다양한 아민기를 가지는 폴리이미드 소재 및 분리막을 제조하여 그들의 구조의 변화에 따른 기체 투과도를 측정하였으며 동력학(Molecular dynamics; MD) 기술을 이용하여 해당 기체의 시간의 변화에 따른 위치와 속도를 계산하여, 기체분자의 동적 특성을 분석하는데 활용하였다. 투과도 측정결과 합성된 고분자 소재의 경우 고분자 내의 free volume을 증가시키는 치환기를 도입시켰을 경우 기체투과도가 증가되었으나 rigid한 구조가 도입된 폴리이미드는 투과도가 감소되는 경향을 확인하였다. 또한 분자동력학 시뮬레이션을 이용하여 기체투과거동 변화를 분석한 결과 실제 기체투과도 측정결과와 유사한 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다.

새로운 구조를 가진 폴리이미드를 이용하여 고투과, 고선택성 불활성기체충진장치용 기체 분리막을 제조하였다. 높은 기체투과도와 용해도를 나타내는 무수물인 2,2-bis(3,4-carboxylphenyl) hexafluoropropane와 두 종류의 아민을 사용하여신규 폴리이미드를 합성하였다. 투과도를 증가시키기 위해 2,3,5,6-Tetramethyl-1,4-phenylenediamine를 사용하였고, 선택도를 높이기 위해 여러 종류의 아민을 사용하였다. 화학적 이미드화 방법으로 공중합체를 준비되었으며 100,000 g/mol 이상의 평균 분자량을 나타내었다. 합성된 고분자의 열적 특성을 분석을 하기 위해 유리전이 온도(Tg)와 열적 특성은 시차주사열량계(DSC)와 열중량분석기(TGA)로 측정을 하였으며, 유리전이온도(Tg)는 300°C, 열분해 온도는 500°C가 넘어 뛰어난 열적 특성을 보였다. 기체투과도 특성은 time-lag 장비를 사용하였으며 그 결과, 일반 폴리이미드의 경우 대부분 기체투과도가 1 barrer이하의 수치를 보이지만, 합성된 고분자의 경우 산소투과도 36.21 barrer과 산소/질소 선택도의 경우 4.1로 고투과 고선택도를 나타내어 불활성기체 충진장치용 장치로의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

폴리이미드 기체 분리막의 기체 분리 성능을 향상시키기 위해서 2,3,5,6-Tetramethyl-1,4-phenylenediamine (TMPD) 구조를 지닌 폴리이미드를 1,2-Diaminoethane (DAE)과 1,6-Diaminohexane (DAH)으로 가교시켜 분리막을 제조하였다. Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR)를 이용해 가교 후 이미드 고리가 아미드 그룹으로 전환됨을 확인하였다.폴리이미드의 열분해 온도는 가교 후 감소하였으며, 이는 가교제의 알킬기 분해 때문이다. 가교된 폴리이미드 분리막의 d-spacing은 가교 시간이 증가함에 따라 감소하였다. 가교 후 CH4, N2, O2, CO2 기체의 투과도는 가교 전 보다 감소하였으며,DAH로 가교된 분리막이 DAE보다 더 높은 투과도를 나타냈다. 투과도와 달리 CO2/CH4, CO2/N2, O2/N2 기체 선택도 모두 가교 시간이 길어질수록 증가된 결과가 나타났다. CO2/CH4 기체의 선택도는 DAE로 6분 가교 시 최대 증가치를 나타냈으며 39.5%까지 증가하였다. O2/N2 선택도 또한 DAE로 6분 가교 시 최대 증가치를 가지며 20.5%까지 증가하였다. 이를 통해서DAE가 DAH보다 선택도 증가에 적합한 가교제임을 예상할 수 있으며 이와 달리 CO2/N2 선택도는 DAE로 3분 가교 시 감소해 CO2/N2 분리에는 적합하지 않은 결과가 나타났다.