본 연구에서는 순수 PEBAX® 분리막의 투과특성을 향상시키기 위해 개질된 fumed silica 나노입자를 혼합한 MMMs (mixed matrix membranes) 타입의 PEBAX®/fumed silica 하이브리드 분리막을 제조하고, 이산화탄소와 메탄의 투과 특성을 측정하였다. PEBAX®-1657/TS-530 하이브리드 소재의 경우, FT-IR과 XRD 분석을 통해 PEBAX® 고분자에 무기입자 가 비교적 잘 분산되었음을 확인하였다. 기체투과특성 측정 결과 TS-530을 10 wt% 혼합한 분리막의 경우, 순수 PEBAX® 분 리막과 비교하여 투과도 계수는 약간 감소하나 이상분리인자는 약간 증가하였다. 이는 비투과성 silica 입자의 도입에 따라 기 체 확산 경로가 줄어들고, 경로의 비틀림이 증가하기 때문으로 볼 수 있다. TS-530 함량이 증가함에 따라서는 투과도 계수와 이상분리인자 간에 전형적인 trade-off 경향을 보였다. 이는 TS-530 함량이 증가함에 따라 결정성이 감소하고, 고분자 사슬 간 충전 억제에 따라 자유부피가 증가하기 때문으로 볼 수 있다. 또한 무기입자 함량 증가에 나노간극의 형성 가능성이 높아지 고, 이에 따라 기체 확산도가 커지기 때문으로 판단된다.

기체분리공정에서 사용되는 분리막은 높은 기체 투과 및 분리성능과 고온·고압 조건에서 높은 안정성을 보여야 한다. 하지만 고분자분리막(특히, 유리상 고분자)은 응축 가능한 기체 분자(예를 들어, CO2, H2S, hydrocarbon 등)에 노출되면 고분자 사슬이 부풀어 오르는 가소화 현상을 보여 안정성 측면에서 한계를 보인다. 이러한 가소화 현상은 고압의 복합기체 분리공정에서 선택도를 감소시켜 장기적으로는 고분자분리막이 분리공정에 도입될 수 없는 문제를 가져온다. 이러한 가소화 현상 문제를 해결하기 위해서 분리막 연구자들은 분리막 열처리, 고분자 혼합, 고분자구조의 열적 재배열, 혼합매질분리막 제 작, 가교화 방법 등을 통하여 분리막의 가소화 저항을 향상시켰다. 본 총설에서는 고분자 분리막의 가소화 저항의 개념 및 현 상에 대해서 알아보고 이를 해결할 수 있는 인자들과 그와 연관된 연구들을 살펴보도록 할 것이다.

분리막 소재의 투과도와 선택도 사이의 trade-off 관계로 인해 여전히 많은 연구가 필요하다. 특히 고분자 분리막에 무기물 나노입자가 들어가 있을 때, 기체투과 거동의 학문적 이해는 여전히 부족하다. 따라서 본 연구에서는 분리막 소재로 가장 많이 사용되는 PDMS에 2~5 nm의 기공을 가지고 있으며 직경이 약 5 nm 크기의 aluminosilicate hollow nanoparticles 인 allophane을 이용하여 복합매질 분리막을 제조하여 기체투과특성을 연구하였다. 대표적인 분리막 소재인 PDMS에 친수성 allophane, 그리고 나노입자에 undecylenic acid로 표면을 개질한 allophane을 막 내부에 고르게 분산시켜 함량 별로 복합매질 분리막을 제조하였다. 나노입자가 분산된 혼합매질 분리막 내에서 기체의 투과 특성을 파악하고, 이에 따른 기체투과 거동과 나노입자가 가지고 있는 기공의 역할을 평가하고자 하였다. 표면개질된 allophane을 첨가함에 따라 기체 투과도와 산소/질소 그리고 이산화탄소/메탄의 선택도가 동시에 점진적으로 향상되는 결과를 얻었다.

본 연구에서는 분자동역학에서 원자의 움직임을 정의하는 가장 중요한 요소인 force-field가 실제 고분자 및 기체 분자의 움직임에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 하였다. Repeat unit과 고분자 구조는 본 연구에서 사용된 5종의 force-field 에서 모두 정상적으로 작용을 하였고, 최종 고분자 3D 모델에서 고분자 linear chain의 분포에서도 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 실제 기체 분자의 움직임은 매우 다른 경향을 나타내었으며, 이는 같은 functional form을 사용하는 COMPASS와 pcff 에서도 관찰되었다. 따라서 동일한 구조라고 하더라도 기체 분자의 운동은 시간에 따라 지속적으로 force-field의 영향 하에서 움직이기 때문에, 고분자 linear chain과 같은 거대 분자에 비하여 그 영향을 훨씬 크게 받는다는 것을 알 수 있으며, 결론적으로 서로 다른 force-field의 사용 시에는 결과 비교에 있어서도 매우 신중을 기해야 할 것이다.

OBIGGS에서는 대기 중의 미량의 오존이 고분자 분리막의 손상을 가져오기 때문에 전단에 오존 제거장치를 설치하여 분리막에 전해지는 기체에서 오존의 농도를 감소시켜 분리막의 손상을 막고 있다. 본 연구에서는 OBIGGS용 기체 분리막을 이용하여 오존 노출시간에 따른 인장강도와 기체투과특성을 평가하여 오존 노출환경과 투과특성의 관계를 확인하였다. 폴리이미드계와 폴리설폰계 두 종류의 중공사 분리막을 이용하였고, 6.37 cm2의 유효 막 면적을 가지는 중공사 모듈을 제조하여 사용하였다. 오존 챔버를 이용하여 오존의 농도를 2-3 ppm으로 유지하였으며, 챔버 내의 기체를 펌프를 이용하여 모듈내로 지속적으로 공급하였으며, 오존 노출시간에 따라서 기체투과특성과 인장강도를 각각 평가하였다. 그 결과 폴리이미드계 중공사 분리막은 투과도에서 20%의 감소만 나타났을 뿐, 선택도와 인장강도에서 다른 큰 변화를 나타내지 않고 균일하게 유지되는 것을 확인하였다. 하지만 폴리설폰계 중공사 분리막을 사용하였을 때는 투과도가 80% 이상 감소하였고, 인장강도는 70% 이상 감소하는 결과를 나타내었다.