본 연구에서는 각기 다른 관능기를 가진 유기화된 무기입자를 sol-gel법을 이용해 제조하여 montorillonite가 가진 단점을 보완하였으며, 이를 sulfonated poly(arylene ether sulfone)(SPAES)고분자에 첨가해 복합막을 제막하였다. 제조 된 무기물은 사용한 실란화합물에 따라 상이한 색상 및 물성을 나타내었다. 최 종적으로 물리적 성능, 전기적 성능 등 복합막의 전반적인 물성변화를 나타내었으며 이에 따라 최적화된 관능기를 찾는 연구를 진행하였다.

세라믹 소재는 고분자 나노섬유 분리막과 비교하여 우수한 열안정성과 고투과 물성을 가짐으로써 지난 10여 년간 많은 주목을 이끌어왔다. 최근 들어 높은 다공도와 유량을 가지는 세라믹 섬유 분리막이 금속 산화물을 이용하여 주로 전기 방사법에 의해 제조되어 왔는데, 이러한 세라믹 분리막의 제조 단가를 감소하며 성능을 향상시키기 위해 나노섬유의 선택층 을 가지는 세라믹 분리막들이 전기방사 공정과 개질 과정을 통해 개발되었다. 본 리뷰에서는 최근 수년간 세라믹 섬유 분리 막의 개발을 위한 연구 동향에 대하여 정리하였다.

분리막 시스템은 기존의 분리공정과 비교하여 우수한 효율과 낮은 가격으로 인하여 빠르게 성장하고 있다. 분리막 공정은 분리막, 모듈, 그리고 기계적 요소로 구성되어 있으며 향상된 효율을 얻기 위하여 분리막 공정에 사용되는 소재의 요 구사항 또한 증가가 되고 있다. 분리막 모듈은 분리막 시스템의 핵심 요소 중 하나로써 최근 들어 복합 소재들이 스테인레스 강 모듈과 비교하여 우수한 물성과 낮은 가격으로 인해 분리막 하우징에 적용되어 왔다. 본 리뷰에서는 다양한 종류의 유리 섬유와 이를 이용한 복합소재들에 대하여 정리하였으며 분리막 시스템에 적용을 위한 잠재성에 대하여 논의하였다.

본 연구에서는 높은 이산화탄소 분리성능을 가지는 폴리이미드의 제조를 위해 2,2-bis(3,4-carboxylphenyl) hexafluoropropane과 두종류의 아민인 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine, Poly(ethylene glycol) bis(3-aminopropyl) terminated을 이용하여 합성을 진행하였다. 합성된 고분자를 비용매 상전이법으로 비대칭 분리막을 제조하기 위하여 고분자의 용 해도 지수 추정 값과 비용매 상전이 계수 측정을 통해 용매를 선정하였고, 고분자 용액 점도 측정을 통해 분리막 제조를 위 한 도프용액 중의 고분자의 함량을 결정하여 질산리튬을 첨가제로 사용하여 최종적으로 분리막을 제조하였다. 제조된 평판형 비대칭 분리막은 전자주사현미경(SEM)을 통해 질산리튬과 휘발성 용매 함량에 변화에 따른 모폴로지의 변화를 확인하였으 며, 이의 변화에 따른 기체 투과도 변화를 확인하였다. 분리막 제조를 위한 도프용액 중의 휘발성 용매 함량이 작을수록 선택 도 변화가 없으면서 이산화탄소 투과도가 증가하는 것을 확인하였다.

직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cells)는 액상의 메탄올을 연료로 직접 사용하는 전기 에너지 전환 장치로서 연료의 값이 싸고 취급이 용이하며 초소형화가 가능하다. Montmorillonite (MMT)가 첨가된 고분자 전해질 분리막의 경우 열적⋅물리적 성질이 개선되며 메탄올 투과도가 감소되는 장점을 가지고 있지만 이온전도도는 감소가 되는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 술폰산기(-SO3H)를 포함하는 MMT를 제조하여 Sulfonated Poly(arylene ether sulfone)(SPAES) 고분자와 sulfonated MMT(sulMMT)를 혼합하여 유⋅무기 복합막을 제조하고 특성평가가 이루어졌다.

분리막을 이용한 투과증발법은 에너지 소모가 적고 경제적이며 환경친화적이기 때문에 분자스케일 액체/액체 분리에 있어서 매우 주목 받고 있는 기술이다. 방향족 화합물과 지방족 화합물을 분리하는 공정은 석유정제, 석유화학공정 등에서 특히 중요한 분리공정 중의 하나이다. 본 연구에서는 벤젠에 대한 고선택성을 나타내는 PEG가 함유된 폴리이미드 공중합체를 합성하였고, 1H-NMR 스펙트럼과 FT-IR 스펙트럼에서 PEG 특성 피크의 확인을 통하여 PEG가 도입되었음을 확인 하였다. 혼합물 분리를 위한 투과증발 실험 장치를 제작하여 PEG 함량이 다른 막을 제조하여 벤젠 조성 변화에 따른 투과증발 실험을 실시하였으며, 그에 따른 투과유량 및 투과도를 계산하여 투과특성을 확인하였다.

연료로부터 벤젠 또는 톨루엔과 같은 유독한 방향족 성분의 제거 및 분리는 최대 허용 농도의 감소로 인해 점점 더 많이 주목 받고 있다. 그 중에서도 가솔린의 벤젠 함량은 지금 법률상으로 유럽에서 1% 이하로 제한되고 있다. 이러한 분리공정에 있어서 에너지의 소모를 줄이고 분리효율을 높일 수 있는 투과증발 공정이 각광을 받고 있다. 본 연구에서는 벤젠에 대한 고선택성을 나타내는 sulfonated SEBS 공중합체를 합성하였고, 1H-NMR과 FT-IR 분석을 통해 술폰화가 되었음을 확인 하였다. 혼합물 분리를 위한 투과증발 실험 장치를 제작하여 sulfonated SEBS막을 제조하여 벤젠 조성 변화에 따른 투과증발 실험을 실시하였으며, 그에 따른 투과유량 및 투과도를 계산하여 투과특성을 확인하였다.

본 연구에서는 SPAES를 이용하여 제조된 블렌드막을 이용하여 연료전지용 전해질 막으로써의 응용 가능성을 확인하기 위하여 테스트를 진행하였다. 제조된 분리막은 상용화된 PES,PVdF를 이용하여 제조되었으며, 소수성 고분자가 첨가되어 메탄올 투과도가 감소됨을 확인하였으며 물리적 강도가 증가됨으로써 잠재적 가능성을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 Montmorillonitrile(MMt)계 무기물을 이용하여 SPAES고분자에 첨가한 후 제조된 용액을 이용하여 복합막을 제조하였으며 특성평가가 진행되었다. 개질되지 않은 MMt의 경우 고분자에 첨가되었을 경우 실리케이트층 구조로 인해 메탄올 투과도는 감소하나 이온전도도가 감소되는 문제점을 가지고 있으므로 본 연구에서는 MMt를 유기화 시켜 최적화된 메탄올 투과도와 이온투과도를 가지는 무기물을 제조하고자 하였으며 최종적으로 제조된 분리막의 특성평가를 진행하였다.

고분자 전해질 막의 성능을 개선하고자 사용된 대표적인 무기물인 solid acid가 첨가된 복합막의 경우 고온에서 높은 열안정성을 나타내며 친수성이 강해지는 장점을 나타내지만 물에 녹는 단점을 가지고 있다. 그러므로 본 연구에서는 phosphotungstic acid(PWA)의 이온전도성을 증가시키며 물에 용해되는 성질을 제거하기 위하여 실리카 입자를 sol-gel법을 이용하여 술폰산기와 아민그룹을 도입시킨 입자를 제조한 후 sulfonated poly(arylene ether sulfone)(SPAES) 고분자에 첨가하여 복합막을 제조하였으며 특성평가가 이루어졌다.

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 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.

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, 물분자, 히드로늄 이온을 모델링하고 술폰화시킨 SEBS, 히드로늄 이온과 물분자의 의 동역학을 분자동역학시뮬레이션을 이용해서 살펴보았다. 그리고 실제 실험을 통한 비교분석을 진행했다.

현재 사용되는 단백질 분리공정은 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 분리공정이 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-IR과 1HNMR을 이용하여 화학구조를 분석하였으며, UV Spectrometer를 이용하여 단백질의 농도를 측정하였다.

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 제조 하였다.

최근 온실가스로 인해 기후 이상현상이 급증하면서 이산화탄소 분리 및 포집기술에 관한 관심이 집중 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 합성 여부는 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.

본 연구에서는 고온에서 우수한 전도성을 가지는 전해질막의 개발을 위하여 신규한 실란계 무기물을 합성하였으 며, 이를 이용하여 제조된 분리막의 특성평가가 진행되었다. 탄화수소계열 고분자인 SPAES를 합성하여 고분자 물질로 사용 하였으며, 높은 이온전도성을 가지는 무기물의 제조를 위하여 silica, phosphate, zironium계 물질을 졸겔법을 이용하여 복합화 시켰다. 각 조성의 몰비를 조절하여 세 가지 종류의 무기물을 제조하였으며 조성에 따른 물성변화를 관찰하였다. EDX 분석 결과 제조된 무기물은 고분자 분리막 내에 고르게 분산이 되는 것을 확인하였다. 친수성을 가지는 무기물의 도입을 통하여 분리막 내에 이온을 전달할 수 있는 수분채널이 형성되어 함수율이 증가가 됨을 확인하였다. 또한 zirconium계 무기물의 함량이 높을수록 고온에서 전도도가 향상되는 결과를 확인하였으며 복합화된 실리카는 저온 가습조건에서 이온전도도가 향상 되는 결과를 나타내었다.

본 연구에서는 높은 기체선택도를 가지는 폴리이미드의 제조를 위해 2,2-bis(3,4-carboxylphenyl) hexafluoropropane과 두 종류의 아민인 2,4,6-Trimethyl-1,3-phenylenediamine (DAM)과 4,4-Methylenedianiline (p-MDA)을 이용하여 합성을 진행한 후 비용매 상전이법으로 비대칭 분리막을 제조하였다. 분리막 제조에 사용된 용매에 따른 물성변화를 확인하기 위하여 고분자 용액의 점도, 흐림점 측정을 통한 고분자의 상평형도, 비용매 상전이 계수 측정을 진행하였다. 상전이법을 이용하여 제조된 분리막은 SEM을 통해 용매 휘발시간에 변화에 따른 모폴로지를 확인하였고 이의 변화에 따른 기체 투과도 변화를 확인하였다. 기체투과도는 디메틸아세트아마이드를 사용하였을 때보다 N-메틸-2-피롤리돈을 사용하였을 때 CH4, N2, O2, CO2의 투과도와 각 기체에 대한 선택도가 높은 것을 확인하였다. 또한 용매 휘발 시간이 길수록 기체 투과도는 감소하지만 기체에 대한 선택도가 증가하는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 Montmorillonitrile(MMt)계 무기물을 이용하여 SPAES고분자에 첨가한 후 제조된 용액을 이용하여 복합막을 제조하였으며 특성평가가 진행되었다. 순수한 MMt의 경우 고분자에 첨가되었을 경우 측유의 실리케이트층 구조로 인해 메탄올 투과도는 감소하나 이온전도도가 감소되는 문제점을 가지고 있으므로 본 연구에서는 MMt를 유기화 시켜 최적화된 메탄올 투과도와 이온투과도를 가지는 무기물을 제조하고자 하였으며 최종적으로 제조된 분리막의 특성평가를 진행하였다.