포토리소그래피는 웨이퍼 위에 선폭을 나노급으로 줄인 패턴을 제조하는 반도체 제조 공정의 핵심 기술이며 선폭을 줄이고 불량을 줄이기 위하여 photo-resist 용액 제조 및 정제 기술이 중요하다. 특히 photo-resist solution 내에 함유되어 있는 soft particle의 정제가 매우 중요하다. 현재 개발되어 있는 멤브레인 필터는 soft particle 정제 성능이 상당히 미흡한 수준이다. 나일론이나 폴리에틸렌 위에 아라미드 고분자를 함침하여 soft particle 정제 특성을 살펴보았다. 또한 팔라듐 나노입자를 합성하여 투과 특성에 사용하였다.

Effective filtration ability with preventing irreversible biofilm formation might be the essential characteristic of water purification membranes. The materials used in current market still need the improvement to be more practical and durable for the high performance filtration technology. Nanofiltration, which is one of the method of water filtration, the materials for this use reguire highly defined nanostrucured morphology. In this study, we synthesized amphiphilic copolymers and blended with some homopolymers, of which the homopolymer could interact with a part of the copolymer by secondary interactions. Latet, the homopolymer was able to be removed, therefore, porous structure could be created. Also, the cell adhesion experiment of these polymer blend samples indicated anti-fouling effect of them.

One of the key components to determine polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) performances is a polymer electrolyte membrane (PEM), the representative PEM material is perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers. PFSA ionomers such as Nafion®and 3M® ionomers have been widely used as PEM materials for fuel cells owing to their excellent chemical inertness and high proton conductivity. Generally, polymeric materials are highly influenced by the membrane fabrication histories including casting solvents, thermal annealing temperature and time, when they are converted in the membrane forming process. In this study, 3M PFSA ionomer membranes were systematically prepared under different fabrication histories. Their morphological contribution on fundamental characteristics, transport behavior, and electrochemical performances were disclosed.

가솔린, 플라스틱, 섬유 등 수많은 일상 소재들의 원재료를 저에너지 및 저탄소 공정으로 생산하는 것은 석유화학 회사들의 초미의 관심사라고 할 수 있다. 특히 우리나라는 원유를 해외에서 수입하고 이를 분리 및 정제 하여 다양한 고부가 가치를 창출하는데 여러 집약된 기술에 의존하고 있다. 이와 같은 석유화학 원재료들이 복합적으로 섞여있는 혼합물로부터 비슷한 종류의 성분을 분리하는 공정에 전 세계적으로 막대한 양의 열에너지가 소비 된다. 본 발표에서는 석유화학 에너지 비용을 낮출 수 있는 멤브레인 기반 상온 액상 탄화수소 역삼투 분리 공정에 대해 소개하고자 한다. 특히 탄소 분자체 기반 분리막의 제조와 이의 응용에 대한 내용을 다루고자 한다.

Biogas produced in anaerobic digestion process has been considered as a renewable energy source. To recover biogas from the anaerobic effluent and thereby maximize the energy recovery from anaerobic processes, membrane contactor employing hydrophobic porous hollow fiber membrane has been applied. By optimizing the surface hydrophobicity and the porosity of membranes, a desirable CH4 flux could be achieved. Biogas recovered can be upgraded by applying required purification processes for the injection into natural gas grid or for the use as vehicle fuel. My group has synthesized various microporous materials including zeolites, metal-organic frameworks (MOFs) and amine-appended sorbents that are selectively transport CO2 molecule and incorporated them into polymeric films to design high performance gas separation membranes.

Polysulfone 수지를 사용한 그래핀 복합조성물을 제조하고, 이것들의 멤브레인에 대한 잔류응력과 열전도 특성을 분석하였다. 그래핀을 포함하는 polysulfone 멤브레인의 잔류응력분석은 Si (100) 기판에 스핀코팅으로 10 μm 두께의 막을 도포하여 준비한 시료를 대상으로 하였으며, 잔류응력의 측정은 온도를 승온하고 냉각하는 완전한 1주기 동안 수행하였다. 그래핀을 포함하는 polysulfone 평막을 증류수를 사용한 상전이법으로 제조하여 두께방향과 면방향으로 열전도도를 구분하여 각각 측정하였으며 평막시료의 열전도 이방성을 분석하였다. 그래핀의 구조적 특징에 의해 이를 포함하는 polysulfone 막의 잔류응력은 그래핀 함량이 증가함에 따라 점차로 완화되는 경향을 나타내었고, 열전도특성은 평막형성의 구조적 특성과 그래핀의 고유특성에 의해 두께방향과 면방향의 차이를 확인할 수 있었다.

멤브레인 파울링은 지표수를 처리하는 저압 멤브레인 기술 적용의 확장에 있어 큰 장애가 된다. 따라서 파울링 제어를 위한 주기적인 수리학적 세정기술의 최적화는 매우 중요하다. 주기적인 수리학적 세정과 이와 연관된 파울링 현상에 관한 올바른 이해는 멤브레인 세정 전략을 최적화하기 위해 매우 유용할 수 있다. 실험적으로 측정한 투과도와 전통적인 Hermia 파울링 모델 예측 치의 비교를 통해, 본 연구에서는 합성 탁도유발 시료를 처리하는 가압식 멤브레인 공정에서 30분 여과와 정세정/역세정이 포함된 1분 세정조건을 바탕으로 6번의 운전사이클을 통해 발생하는 파울링 현상을 분석하고 이를 통해 지배적인 파울링 기작을 정량적으로 이해하고자 하였다. 단독 세정에서, 첫 번째 운전사이클에서 발생하는 파울링은 완 전공극막힘 현상에 의해 주로 지배되었고 마지막 운전 사이클에서는 케이크 형성이 지배적인 파울링 기작으로 관찰되었다. 정세정과 역세정이 혼합된 경우, 파울링 속도는 감소하였으나 전반적으로 케이크 형성이 주 파울링 기작으로 관찰되었다.

분리막을 이용한 수처리 공정은 최근 효과적인 기술로 대두되고 있다. 분리막 표면에서의 기능족들이 이온화가 이루어짐으로써, 표면에 표면전하를 가지게 되는데 분리막 표면과 수계내의 용질의 전기적 상호작용은 분리막 성능에 큰 영향을 준다. 분리막의 표면전하는 대부분 제타전위를 측정함으로써 표면전하 값을 대변해 주는 인자로 사용되어 왔지만 엄밀히 표면에서의 전하라고는 할 수 없다. 제타전위의 경우 표면에서 일정 거리 떨어진 지점인 Shere plane에서의 전기적 포텐셜이기 때문에, 분리막 표면에서의 전기적 이동현상을 이해하기에는 부족한 것이 사실이다. 따라서 본 연구에서는 지난 연구에서 개발한 표면전하를 직접적정하는 기술을 이용하여 분리막의 표면전하를 측정하고 측정된 값을 기반하여 전기적 표면 특성인 pHpzc및 pKa값을 이론적으로 산정하고 분리막공정에 서의 활용성을 제시하는 것을 그 목표로 한다.

탄화규소(Silicon Carbide, SiC) 세라믹 멤브레인은 알루미나 원료의 세라믹 멤브레인보다 높은 친수성을 나타내어 동일한 압력 하에 높은 수투과도 유지가 가 능하다. 이러한 탄화규소 세라믹 멤브레인을 혐기성 생물막 반응조(Anaerobic Membrane Bioreactor, AnMBR)에 설치하여 고농도의 생물반응조 운전에도 불구하고 낮고 안정된 운전압력을 유지할 수 있었으며, 막오염 현상의 획기적인 저감이 가능하였다. 본 연구에서는 도시하수와 음폐수를 혼합 처리함에 있어서 탄화규소 세라믹 멤브레인을 적용한 AnMBR의 운전결과를 알루미나 세라믹 멤브레인을 적용한 경우와 비교 평가하였다.

반도체용 초순수를 생산하는 공정에서 다양한 종류의 멤브레인을 적용하고 있다. 정밀여과막, 한외여과막, 역삼투막, 탈기막, 이온교환막, 최종생산수용 한외 여과막 등이 있다. 멤브레인기술은 종래기술과 비교하여 동등이상의 성능과 운전의 용이함과 설치면적의 최소화 등 부수적인 장점이 있기 때문이다. 반도체산업에서 적용되고 있는 멤브레인은 주로 외산기술이 점유하고 있다. 본 연구에서는 국산화를 위해 설계공정과 일부 멤브레인 기자재 개발을 진행하 였다. 기자재 개발품의 실증을 위해 실증파일럿플랜트에 적용하여 국/외산 성능 비교와 운전방법에 따른 성능 등을 평가하는 연구를 진행하였다.

포토리소그래피는 웨이퍼 위에 선폭 10나노 이하의 패턴을 올리는 반도체 제조 공정의 핵심 기술이며 선폭을 줄이고 불량을 줄이기 위하여 photo-resist 용 액 제조 및 정제 기술이 상당한 수준에 올라와 있지만 아직고 soft particle 정제를 위한 공정을 시도되고 있다. 현재 개발되어 있는 필터는 soft particle 정제 기술이 상당히 미흡한 수준이다. 나일론이나 폴리에틸렌 위에 아라미드 고분자 를 함침하여 soft particle 정제 특성을 살펴보았다. 또한 팔라듐 나노입자를 합성하여 투과 특성에 사용하였다.

계면동전위(electrokinetic potential)로 불리는 제타전위(zeta potential)란 표면 전하적 특성을 정량화한 값으로, 전기동역학적 현상으로 인하여 발생하는 전기적 유동층을 통과하는 전위차를 말한다. 이러한 제타전위는 표면화학분야의 기초, 응용적인 연구에서 중요하다. 제타전위는 용액 내에서 표면 전하 특성 정보를 얻을 수 있다. 이를 측정하는 방법으로는 계면동전위효과(electrokinetic effects)를 이용한다. 현재 위 효과를 이용하여 제타전위 측정 기기로 측정이 쉽게 가능하고, 많은 연구가 진행되어왔다. 본 연구에서는 계면동전위의 원리, 측 정, 결과 등을 제시하면서 분리막 표면 특성평가에 관한 내용을 제시하였다.

평관형 알루미나 세라믹 멤브레인을 적용한 실험실 규모의 단독 혐기성 유동상 멤브레인 생물반응기 (Anaerobic Fluidized Bed Ceramic Membrane Bioreactor, AFCMBR) 하수처리 적용 가능성을 평가하였다. 단독 AFCMBR은 25℃에서 395일 간 합성폐수의 평균 유입 COD 260 mg/L에서 연속운전 되었다. 운전기간 동안 약 25 mg/L의 NaOCl 용액을 주입하여 주기적인 유지세정으로 멤브레인 투과플럭스 14.5-17 L/m².hr 달성이 되었다. 투과수의 용해성 COD는 1시간 HRT 에서 23 mg/L 이었고 고형물 발생량은 0.014 gVSS/gCODremoved였다. 단독 AFCMBR 운전 요구 전기에너지는 0.038 kWh/m³ 이었고 생산되는 메탄발생 전기에너지의 약 17%에 해당되었다.

지난 2011년부터 수처리용 멤브레인 개발을 진행하던 롯데케미칼은 침지식 PVDF 중공사 멤브레인을 기반으로 MBR을 포함하는 수처리 시장에 진출하기 위하여, 2015년 2월 삼성 SDI의 관련 기술 및 연구장비, 파일럿을 인수하여 기술개발과 실적확보를 위한 연구를 지속적으로 수행하였다. 롯데케미칼의 침지식 멤브레인은 평균 기공크기가 30 nm의 한외여과막으로서 고강도 멤브레인과 저에너지형 멤브레인의 두 종류로 구성되어 있다. 특히, 저에너지형 멤브레인은 고강도 대비 30%의 fiber 무게를 감소시킴으로서 적은 세정용 공기 소비량에서도 세정효율을 유지할 수 있도록 하였다. 또한 내경의 단면적을 약 90% 정도 향상시켜 중공사막 내부의 유체저항을 최소화시켰다.

Ionomer membranes which consist of polymer backbones attached with fixed charge groups have been traditionally used in various water treatment processes. Recently, they have also gained increased industrial importance in the applications to electrochemical energy processes such as reverse electrodialysis, fuel cells, redox flow batteries etc. A pore-filled ionomer membrane (PFIM), composed of an inert and tough porous substrate and an ionomer that fills the pores, is considered as a promising candidate for various commercial applications because they can be manufactured via a cheap process and also provide both high ion conductivity and excellent mechanical properties. We will introduce the results on the development of high performance PFIMs for various electrochemical applications.

무기실리카 입자로 구성된 고탁도 원수를 처리하는 침지식 정밀여과 운전에서 휴민산과 2가 양이온의 존재유무에 따라 시간에 따른 파울링 저항을 관찰하였다. 공기폭기로 인한 무기실리카 입자의 파울링 감소효과는 휴민산과 칼슘이 혼합 으로 존재 시 감소하였다. 파울링층의 전자현미경 관찰결과 칼슘의 존재 시 휴민산의 무기실리카 입자 표면흡착이 관찰되었 다. 이는 멤브레인 표면에 조밀한 파울링층을 형성시켜 공기폭기 효과를 감소시킨 것으로 판단된다. 용액의 조성에 따른 고탁 도 원수의 탁도 제거율에는 큰 변화가 없었으나 공기폭기량에 따라 칼슘과 무기실리카 입자의 혼합 존재 시 유기물질의 제거 율은 80% 이상으로 증가하였다. 이는 공기폭기 하에 무기실리카 입자 표면에 흡착된 일부 휴민산들이 멤브레인 표면으로부 터 함께 역수송 되어 유기물질 제거율을 증가시킨 것으로 사료된다.

The investigation of effects on fouling propensity with various viscosity of feed solutions would be better understanding for forward osmosis (FO) performance since the fouling propensity was directly influenced with solution viscosity. Therefore, this study was focused on the FO fouling with model foultants (humic acid, alginate) by altering solution viscosity with change of ionic strength (I.S) and Ca2+ concentrations. In the comparison between humic acid and alginate, as expected, the alginate generally caused more severe fouling (almost 35.8 % of flux reduction) based on the solution characteristics (high viscosity) and fouling patterns (coil and gel layer). However, interesting point to note is that the fouling propensity of alginate was more severe even though it was applied with low viscosity of feed conditions (I.S = 20 mM, Ca2+ = 1 mM). This might be due to that crossed linked gel layer of alginate on the FO membrane surface could be best formed in the condition of Ca2+ presence and higher I.S, and that is more dominant to fouling propensity than the low viscosity of feed solutions.

최근 들어 정렬구조의 나노구조체를 이용한 분리막 응용기술이 큰 관심을 받고 있다. 나노구조체 분리막은 낮은 흐름저항을 통해 높은 투습성을 유지하면서도 매우 균일한 기공크기 특성으로 인해 높은 분리선택비를 가질 수 있다는 장점 을 지닌다. 특히 콜로이드 입자의 자기조립체인 오팔상 및 그 역구조인 역오팔상 구조체를 이용한 분리막 기술이 각광을 받 고 있는데, 기공크기를 자유롭게 제어하면서도 내부에 다양한 기능기의 도입이 가능하여 크기선별 분리 뿐 아니라 반응성 분 리막의 응용에까지 폭넓게 적용이 가능하다. 더불어 다양한 멀티스케일 구조화 기술을 이용하여 기존의 분리막 소재에서는 다룰 수 없었던 다양한 형태의 기공 및 채널구조를 도입할 수 있어, 차세대 고부가가치 분리막 소재기술에 있어 큰 활용이 기대된다. 본 기고에서는 다양한 소재를 활용한 역오팔상 구조체 분리막 기술과 더불어 계층구조화를 통한 기능성 분리막의 개발에 대해 총괄적으로 살펴보고 논의하고자 한다.