본 연구에서는 음이온교환막 개발에 관한 것으로 poly(ethylenimine) (PEI) / poly(vinyl alcohol) (PVA)의 혼합비율에 따라 막을 제조하였다. 제조된 막의 특성화를 평가하기 위하여 함수율, 접촉각, FT-IR, 이온교환용량, 이온전도도, 열 중량분석, 탄성계수 측정을 실시하였다. 이온전도도 측정 결과 PVA/PEI의 함량이 90 : 10으로 제조된 막의 경우 5.16 × 10 -2 S/cm의 값을 나타내어 우수한 음이온전도도를 나타내었으며 접촉각 측정 결과 PEI의 함량이 증가함에 따라 막표면의 소수성이 78.3℃까지 함께 증가하는 결과를 나타내었다. 또한 열에 대한 안정성은 PVA의 우수한 성질을 변화시키지 않았으며 탄성계수 측정을 통해 고강도 기계적 물성을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 poly(phenylene oxide) (PPO)의 막 표면에 100 ppm의 농도를 갖는 불소가스를 접촉시켜 표면불소화하였다. 표면 개질된 막의 특성을 알아보기 위하여 표면접촉각, XPS, 기체투과 실험을 수행하였다. 표면특성 분석 결과 불소처리 시간이 증가함에 따라 막 표면에 -CF2, -CF3의 perfluoro group의 결합으로 인해 막의 소수성이 증가함을 알 수 있었다. 기체투과 측정으로부터 불소화시간이 증가함에 따라 기체에 대한 투과도는 감소하였으며, 불소노출이 60분 경과한 막의 경우 질소 33%, 산소 23%, 이산화탄소 3%의 감소율을 나타내었다. 선택도의 경우 질소 대비 산소의 경우 3.92로부터 4.47로, 이산화탄소에 대한 질소의 경우 18.09에서 25.4로 증가함을 얻었다.

본 연구는 polyimide (Pl)막에 2,2'-bis(3,4-carboxylphenyl) hexafluoropropane dianhydride (6FDA)과 4,4'-dia-minodiphenylmethane (DAM)을 이용하여 폴리이미드 막을 중합반응을 통해 합성하였고, 합성된 Pl막을 5분에서 20분까지 설폰화 반응을 통해 막에 설폰산기를 도입하였다. 개질된 막에 대한 기체 투과도와 분리요인을 단일 기체인 N2, O2, CO2에 대해 조사하였다. 설폰화 반응을 진행한 모든 범위의 시간에서 bulky한 그룹의 -SO3H의 도입으로 인하여 확산도와 용해도는 모두 감소되었다. 설폰화 반응 시간이 20분 경과하였을 때, N2 가스의 확산도와 용해도는 각각 21%와 26%까지 감소하였다. 결과적으로 설폰화 반응이 20분이 지났을 때 O2/N2와 CO2/N2의 분리 효율은 증가하는 것을 알 수 있었다.

Polysulfone막의 효율을 향상시키기 위하여 막에 브롬화 시킨 후 막의 구조 및 기체투과 특성에 대해 연구하였다. 막의 특성은 FT-IR, 1H-NMR, TGA, Contact angle 등을 사용하여 조사하였고, 브롬화된 막의 기체투과 특성을 알아보기 위해 He, N2, CO2, O2를 사용하였다. 브롬화된 Polysulfane막의 기체투과결과 브롬의 양이 증가할수록 투과도는 감소하고 투과 선택도는 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 그 중 질소는 불소화에 따라서 가장 큰 영향을 받아 투과도가 최고 36%까지 낮아지는 결과를 나타내었으며, 이산화탄소에 대한 질소의 투과선택도는 15% 이상의 매우 향상된 결과를 나타내었다.

본 연구에서는 Poly(vinyl alcohol) (PVA)을 주쇄부(base polymer)로 하여 화학적 가교를 실시하기 위하여 Poly(styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA-MA)를 첨가하고, 실리카와 술폰산기를 함유한 3-(trihydroxysilyl)-1-propanesulfonic acid (THS-PSA)의 함량변화와 열 가교온도 변화를 통하여 직접 메탄을 연료전지(DMFC)에 적용하기 위한 고분자 전해질 막 소재에 관한 연구를 실시하였다. 제조된 막을 Nafion 115와 함께 비교하기 위하여 동일한 조건에서 함수율, 열 중량 분석(TGA), 이온교환용량, 이온전도도 및 메탄올 투과도를 실시하였다. 실험을 통하여 THS-PSA의 함량과 열 가교 온도변화에 따라서 메탄올 투과도가 10 -6에서 10 -8 cm 2 /s로 감소된 결과를 얻었으며, 이온전도도는 10 -3에서 10 -2 S·cm -1으로 향상되어 Nafion 115보다 우수한 결과를 나타내었다.

폴리비닐리덴풀루오라이드(Poly vinylidene fluoride, PVDF) 막을 고분자(Surface Modifying Macromolecules, SMM) 첨가제를 사용하여 표면 개질 하였다. 표면 개질된 PVDF 막의 제조는 0에서부터 2 wt%까지 SMM의 다양한 농도로 제조되었으며, 사용된 SMM으로써는 Zonyl BA-L을 이용하였다. 제조된 막을 이용하여 주사 전자 현미경법(SEM)과 접촉각 측정(Contact angle)을 하였고, 투과증발(Pervaporation)공정을 이용하여 물-에탄올 계의 분리실험을 통해 특성 평가를 하였다. 그 결과 SEM image를 통하여 SMM이 PVDF막 표면에 층을 형성하였음을 알 수 있었고, 접촉각은 기존의 PVDF 막 보다 SMM을 2 wt% 첨가하였을 때 8℃ 증가한 것으로 보아 소수성이 증가한 것을 알 수 있었다. 또한 물-에탄올 계에 대한 투과증발 실험은 다양한 조업온도별(50, 60, 70℃)로 수행하였으며, Zonyl의 함량이 PVDF 대비 1, 2 wt% 함유된 막을 사용하였으며 원액의 조성은 무게비로 물 10, 20, 50, 100%에 대하여 조사하였다. 물 : 에탄을 = 10 : 90 조성, 조업온도 50℃에서 선택도 287과 투과도 5.3 g/m 2 hr를 PVDF/2 wt% Zonyl BA-L 막이 보여주었다.

본 연구에서는 기존의 이차전지의 분리막보다 좋은 성능으로 각광받고 있는 PVdF (poly(vinylidene fluoride))에 공극률을 높여 전지의 성능을 향상시켜주는 수용성 고분자인 PEG (Poly(ethylene glycol))를 첨가하여 충전용 리튬 이차전지의 분리막을 상전이 방법으로 제조하였다. 용매인 DMF (N,N-dimethylformamide)에 PVdF-PEG를 단일상으로 녹인 후 깨끗한 유리판에 캐스팅하여 막을 얻었다. 기공은 증류수로 채워진 응고조에서 용매-빈용매 교환으로 형성되어진다. 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 분리막의 단면 관찰을 통해 다공성을 확인하였고 UTM (universal testing machine)을 이용하여 기계적 물성을 확인하였다. PEG-10의 정체시간 30 s에서 균일한 스폰지 구조를 확인할 수 있었으며, 이는 87%의 뛰어난 공극률을 가지며 인장강도의 경우 PEG-10에서 3.72 MPa로 가장 크게 나타났고, 신장률과 모듈러스 부분에서도 역시 75.45%와 275.27 MPa로 뛰어난 성능을 나타냈다.

본 연구에서는 Polyethylene (PE, Asahi) 이차전지용 막의 표면불소화를 통해 기계적 강도 및 열적 안정성과 고출력에서의 안정성을 높이기 위한 연구를 실시하였다. 전자주사현미경(scanning electron microscope, SEM), 접촉각(contact angle)을 통하여 불소가스 노출시간에 따른 막의 표면과 구조의 변화를 관찰하고, 인장강도와 표면 친수성 실험을 통하여 막의 기계적 물성을 확인하였다. 제조된 막의 전기화학적 특성을 확인하기 위하여 충/방전 실험, 수명특성. 고율방전시험을 실시하여 고출력에서 온도에 대한 안정성이 향상되었음을 확인하였다.

본 연구는 poly(vinyl alcohol) (PVA)와 가교제 poly(styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA_MA)을 이용하여 제조된 막에 tetraethylorthosilicate (TEOS)를 도입하여 물-에탄올 계에 대한 투과증발 실험을 다양한 가교온도별(120~140℃), 조업온도별(25~70℃)로 수행하였다. TEOS의 함량은 PVA 대비 3, 5, 7 wt%를 사용하였으며, 원액의 조성은 무게비로 물 10, 20, 30 및 50%에 대하여 조사하였다. 물 에탄올 = 10 : 90 조성, 조업온도 50℃에서 선택도 1730과 투과도 16.3g/m2·hr를 PVA/7 wt% PSSA_MA/5 wt% TEOS 막이 보여 주었다.

본 연구에서는 불소계 고분자인 PVdF (poly(vinylidene fluoride))에 HFP (hexafluoropropylene)가 결합된 공중합체인 PVdF-HFP로 충전용 이차전지의 분리막으로 쓰이는 다공성 막을 상전이 방법으로 제조하였다. 용매인 DMF (N,N-dimethylformamide)에 PVdF-HFP를 단일상으로 녹인 후 깨끗한 유리판에 캐스팅하여 막을 얻었다. 기공은 증류수로 채워진 응고조에서 용매-빈용매 교환으로 형성되어진다. 얻어진 분리막에서 가장 높은 공극률은 60%로 얻어졌다. 시차주사현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 분리막의 단면 관찰을 통해 다공성을 확인하였고 UTM (universal testing machine)을 이용하여 측정된 분리막의 인장강도는 PVdF-HFP 30 wt%에서 최대 6.57 MPa의 값을 나타내었다.

본 연구에서는 선택적 Gas-Liquid Contactor의 성능을 향상시키기 위하여 polyethersulfone(PES), polysulfone(PSf), polyvinylidenefluoride (PVDF) 등의 막에 F2 gas를 이용하여 표면개질하였다. 표면개질된 막의 특성을 알아보기 위해 SEM, 표면접촉각, XPS, 물 투과 최소 압력 실험을 수행하였다. SEM 측정으로부터 막의 표면형태를 살펴본 결과 불소처리 시간이 증가함에 따라 막 표면의 roughness가 증가함을 알 수 있었다. 표면불소화한 막 표면에 -CF2, -CF3의 perfluoro group이 화학적으로 결합되어 막의 소수성이 증가된 것으로 나타났다. 또한 표면접촉각 및 물 투과 최소 압력 실험으로부터 표면불소화 처리시간이 증가함에 따라 측정값이 증가하여 막의 특성이 향상됨을 알 수 있었다.

본 연구에서는 충전용 이차전지의 분리막으로 쓰이는 다공성 막을 기존의 분리막 재료보다 뛰어난 물성을 나타내는 PVdF(poly(vinylidene fluoride))를 사용하여 상전이 방법으로 제조하였다. 용매인 DMF(N,N-dimethylformamide)에 PVdF를 단일상으로 녹인 후 깨끗한 유리판에 캐스팅하여 막을 얻었다. 얻어진 분리막에서 가장 높은 공극률은 78.6%로 얻어졌다. UTM(universal testing machine)을 이용하여 측정된 분리막의 인장강도는 PVdF 20 wt%에서 5.16 MPa의 값을 나타내었다. 시차주사현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 이용하여 분리막의 단면 관찰을 통해 다공성을 확인하였다.

본 연구에서는 공기 중의 수분을 선택적으로 제거하기 위해 poly(vinyl alcohol) (PVA) 에 가교제로서 poly(styrene sulfonic acid-eo-maleic acid) (PSSA-MA)와 막의 물에 대한 선택적 분리 특성을 향상시키기 위해 3-(trihydroxysilyl)-1-propanesulfonic acid (THS-PSA) 를 첨가하여 막을 제조하였다. PSSA_MA 와 THS-PSA의 양과 가교온도를 변화시켜 가며 막을 제조하였다. 또한 제조된 막의 분리특성을 살펴보기 위해 동적증기용해도와 증기투과 실험을 수행하였다. 동적증기용해도 실험으로부터 가교온도의 증가는 평형 용해 상태에 도달하는데 더 오래 걸리는 것을 알 수 있었다. 120℃에서 제조 된 PVA/PSSA_MA (3%)/THA-PSA(7%) 막이 35℃에서 가장 투과도가 높은 480 barrer를 나타내었다.

본 연구는 poly(vinyl alcohol) (PVA)와 가교제 poly(strene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA-MA)을 이용하여 제조된 막을 물/에탄올 계에 대한 투과증발 실험을 25, 35 및 45℃ 수식 이미지에서 수행하였다. 가교제의 함량은 7, 9, 11 wt.%를 사용하였으며, 원액의 조성은 무게비로 물 50, 20, 10 및 공비점인 4.4%에 대하여 조사하였다. 일반적인 투과증발 결과와 마찬가지로 가교제 함량의 증가 및 조업온도 증가에 따라 투과도 및 선택도에 대한 대표적 경향을 보여 주었다. 물 : 에탄올 = 10 : 90 조성에서 그리고 45℃ 수식 이미지에서 선택도 12003와 투과도 58.92g/m2·hr 수식 이미지를 PSSA-MA 11 wt%의 막이 보여 주었다.

Poly(vinyl alcohol) (PVA)와 가교제 Poly(styrene sulfonic acid-co-maleic acid) (PSSA-MA)을 적용하여 제조된 막을 이용하여 수증기 및 공기에 대한 막 투과 실험을 하였다. 또한 PVA/PSSA-MA막에 대한 PSSA-MA의 함량별로 접촉각을 측정하였으며 함량이 3 wt%에서 접촉각이 가장 낮았고 함량이 증가할수록 접촉각은 증가하였다. 35℃에서 PSSA-MA 함량 변화에 따른 수증기 투과도는 7 wt%에서 15300 Barrer (1 Barrer=10-10cm3(STP)·cm/cm2·s·cmHg)로서 최대를 나타내었다. 그리고 25℃에서 PVA/PSSA-MA막의 수증기 투과 성능은 35℃와 유사한 경향을 보였다. 공기의 투과도는 PSSA-MA의 함량이 7 wt%에서 최대가 되었으며 35℃C에서 146 Barrer를 나타내었고, P(H2O)/P(Air)는 25℃에서 109.2로 최대를 나타내었다.

일반적으로 탄성체는 특히 고무는 단일성분으로 충분한 물성과 gas barrier성을 나타내지 못하고, 카본블랙과 실리카 등 보강제를 첨가하여 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 기체 투과성을 낮추기 위해 층상구조를 갖는 점토광물의 일종인 유기실리케이트와 NBR, Ionomer, SEBS (Styrene Ethylene Butadien styrene Copolymer)의 유기탄성체를 이용하여 유기탄성체-clay 나노복합재료 막을 용융법으로 제조하였다. 유기탄성체-clay 나노복합재료 막의 기체 투과 특성은 가압 기체투과장치를 이용하여 실온에서 일정 압력을 유지하며 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 질소(N2)가스의 기체투과도를 측정하였다. 유기탄성체-clay 나노복합재료 막은 clay자체의 도입과 층간거리의 확대로 기체분자의 tortuosity를 증가시켜서 기체투과도를 저하시키는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 중공사 및 평막 형태의 비대칭성 막 제조에 있어서 코팅 재료로 쓰이는 친수성 막 소재(Polyaminosiloxane, Polyhydroxylsiloxane계열)를 이용한 막 제조와 수증기 투과 실험을 하였다. 제조된 Resin A/Resin C (coupling agent), Resin B/Resin C막을 이용하여 기체투과 및 증기투과법을 통하여 수증기/공기의 투과 및 투과 선택도에 대해 나타내었다. 수증기 투과량은 Resin A에 대한 Resin C의 함량이 3 wt%도입 되었을 때가 1 wt%, 5 wt%보다 투과량이 많음을 알 수 있었고, 온도증가와 함께 수증기 투과량이 증가함을 알 수 있다. 동적 평형 흡습실험을 통한 흡습능력 역시 최대가 됨을 알 수 있다. 수증기 투과 성능은 25℃에서 최대 43578 Barrer(1 Barrer = 10-10cm3(STP)·cm/cm2·s·cmHg), 35℃에서 53000 Barrer의 높은 투과 성능을 나타내었으며 투과 선택도는 P(H2O)P(Air)는 101.3, 102.6를 각각 나타내었다.

Poly(lactic acid) (PLA)는 옥수수나 설탕수와 같은 재생자원에서 추출된 환경친화적 재료로서 이에 대한 관심이 증대되고 있다. PLA는 선형 지방족 열가소성 polyester로써, lactide와 lactic acid 모노머의 고리 개환 중합법에 의해 제조된다. PLA는 높은 기계적 능력과 열가소성, 직물능력과 생체적합성을 가지고 있어서, 다양한 end-use application에 유망한 고분자이다. 그러나 열점도, 충격인자, 열변형온도(HDT), gas barrier 특성 등과 같은 다른 몇몇 특성들은 충분히 만족시키지 못한다. 최근에, clay의 실리케이트 층에 용액이나 용융법을 이용한 고분자의 삽입은 순수 고분자나 전형적인 복합체에 비해 기계적, 열적, 광학적, 그리고 물리화학적 특성에서 훌륭한 증진을 꾀할 수 있는 나노복합재료를 제조하기 위한 가장 좋은 기술이다. 층상실리케이트는 자연적으로 풍부하고, 경제적이며, 환경친화적 물질이다. 본 논문에서는 생분해성 고분자를 기초로 한 재생자원 poly(lactic acid)의 여러 합성과 특징, 그리고 그것의 층상실리케이트 나노복합체 분리막으로의 응용과 특징을 알아보고자 하였다.

고분자/층상실리케이트 나노복합체(polymer/layeres silicate nanocomposite, PLSNs) 필름은 보통 내부층을 나트륨과 같은 양이온을 이용한 이온교환을 통해 유기화된 clay로 만든 재료의 새로운 형태이다. 이것은 중합법, 용액법, 그리고 용융법과 같은 다양한 방법으로 제조할 수 있으며, 열경화성, 열가소성이나 탄성고분자와 같은 넓은 범위의 고분자를 기질로 사용할 수 있다. PLSNs 필름은 고분자 사슬이 일정한 간격으로 쌓여있는 실리케이트에 삽입하여 간격을 넓히는 삽입형과 각각의 실리케이트 층이 고분자 기질에 불균일하게 분산되어 형성하는 박리형 두 가지 형태의 구조를 얻을 수 있다. 이러한 새로운 분야의 재료는 보통 5 wt% 이하의 소량의 clay 함유만으로도 향상된 기계적, 열적 특성을 얻을 수 있다. 그리고 clay의 함유량이 증가할수록 기체 투과경로인 tortuosity가 증가하여 기체 투과도가 감소한다.

키토산 필름은 농업, 식품과 제약 분야에서 응용이 가능하다. 그러나 키토산으로만 만들어진 필름은 기체투과성이 높고 기계적 물성에 약하다. 따라서 본 연구에서는 기체 투과성을 낮추고 기계적 물성을 높이기 위해 층상구조를 갖는 점토광물의 일종인 montorillonite (MMT)와 양이온 생체고분자인 키토산을 이용하여 양이온 교환과 수소결합과정을 통해 Na+-MMT에 키토산을 삽입하여 키토산/Clay 나노복합재료를 제조하였다. 키토산/clay 나노 복합재료의 X-ray 회절패턴에서 2θ=7.5º에서 MMT의 basal reflection이 나타났고, 2θ=3~5º 주위에서의 새로운 약하고 넓은 peak로서 더 낮은 각에서 MMT의 basal reflection의 이동에 의해 삽입된 나노 구조의 형성을 증명하였다. 또한 TGA thermogram를 이용하여 clay의 함유량이 증가할수록 제조된 나노복합재료의 열분해가 일어나는 범위의 질량감소가 줄어드는 것을 확인하므로서 내열성을 관찰하였다. 기계적 물성 성질을 측정하여 clay 함유량의 증가에 따른 인장 강도와 인장 모듈러스의 변화를 관찰하고, 키토산이 층상 실리케이트 내에 삽입하여 제조된 나노복합재료에서 clay의 함유량이 증가할수록 질소 투과경로의 tortuosity를 증가시켜서 기체 투과도를 감소시키는 것도 확인하였다.