본 연구에서는 입자크기가 다른 3가지 α-알루미나 분체로부터 주입성형법과 소결법을 혼용하여 튜브형 α-알루 미나 지지체를 제조하여 초기 α-알루미나 분체의 입자크기와 소결 온도가 지지체의 기공구조와 기체투과 특성에 미치는 영 향을 고찰하였다. 평균입경이 0.2, 0.5, 1.7 μm인 α-알루미나 분체를 사용했을 시 제조된 α-알루미나 지지체는 각각 약 80, 130, 200 nm의 평균 기공경을 가졌으며 평균 기공경은 소결 온도 보다는 초기 알루미나 분체의 입자크기에 의존하였다. 모 든 시편에서 소결 온도가 증가할수록 지지체의 부피 밀도는 증가하였고 겉보기 기공률은 감소하였다. He, N2, O2, CO2에 대 하여 30°C에서 단일기체 투과 특성을 평가한 결과, 기체 투과도는 기공경 제곱에 비례하여 증가하였고 기공률이 증가함에 따 라서 직선적으로 증가하였다. 이를 토대로 제조된 α-알루미나 지지체의 기체 투과는 점성유동(viscous flow)에 의하여 이루 어지며, α-알루미나 지지체의 기체 투과 특성은 초기 α-알루미나 분체의 입자크기와 소결온도를 제어함으로써 조절될 수 있 음을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 기공의 크기가 큰 다공성 지지체를 3~4 μm, 150 nm의 크기를 갖는 α-알루미나 입자를 물과 실 리카-지르코니아 용액에 각각 분산시키는 방법으로 표면 개질을 하였다. 3~4 μm 크기의 알루미나 입자가 분산된 용액을 이 용하여 금속 지지체 및 알루미나 지지체에 코팅하였을 때, 코팅횟수가 증가할수록 지지체의 표면의 큰 기공이 감소하였고, 여 기에 150 nm 크기의 알루미나 입자가 분산된 용액으로 추가 코팅을 하면 작은 크기의 알루미나 입자가 기공 사이사이에 들 어가면서 지지체를 좀 더 매끄럽게 개질하는 역할을 하는 것을 확인하였다. 특히 실리카-지르코니아 용액을 분산매로 하여 표면 개질을 한 경우, 알루미나 입자가 실리카-지르코니아 층에 촘촘하게 박힌 모양으로 고정이 되어 지지체 개질에 효과적 임을 확인하였다. 이러한 방법으로 제조된 실리카-지르코니아 분리막의 기체투과도는 상온에서 각각 1.8 - 8.4 × 10-4 mol⋅m-2 ⋅s-1⋅Pa-1, 3.3 - 5.0 × 10-5 mol⋅m-2⋅s-1⋅Pa-1이며 수소/질소 선택도는 Knudsen 분포를 보였다. 표면 개질된 지지체에 다양 한 분리층을 형성하는 방법으로 무기 분리막 응용에 이용할 수 있을 것으로 예상된다.

본 연구에서 고투과도를 갖는 실리카 분리막은 콜로이달 실리카 졸과 고분자형 실리카 졸 두 가지를 DRFF법과SRFF법으로 다공성 금속 지지체 위에 코팅하여 제조되었다. 실리카 졸은 졸-겔법으로 테트라에톡시실란(TEOS)에 의하여 제조되었고, 각각의 졸은 동적광산란법(DLS), 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM), 질소 흡착법 등을 이용하여 그 특성을 평가하였다. 다공성 금속 지지체위에 콜로이달 실리카 졸로 중간층을 형성하여 치밀한 구조의 실리카 층을 형성한 후 그 위에 분리층으로 고분자형 실리카 졸을 코팅하여 핀홀을 줄이는 방법으로 기체분리용 분리막을 제조하였다. FE-SEM으로 분리막의코팅 층을 분석한 결과 분리층은 중간층보다 침밀한 구조를 가지고 있음을 확인하였고 기체투과 결과 수소 투과도 (6.63-9.21) × 10-5 mol⋅m-2⋅s-1⋅Pa-1 분포를 보였다.

내열성, 용매 저항성의 특징을 갖는 다공성 세라믹 소재를 이용한 무기 멤브레인이 기체분리(수소 분리, 이산화탄소 분리 등), 액체 분리(수처리, 폐수처리, 유기용매 분리 등) 등 여러 가지 분야로 그 응용이 확대되고 있다. 본 논문에서는 다공성 세라믹 멤브레인의 소재, 제조 방법에 따른 멤브레인의 구조 제어 및 성능 평가에 관한 연구를 소개하고, 멤브레인의 세공 크기에 따른 구조, 멤브레인의 특성을 이용한 여러 가지 기체 분리 및 액체 분리에 관한 연구 동향을 정리하였다.