그래핀옥사이드는 우수한 물리적 특성 및 가공성으로 멤브레인 소재로 각광받고 있다. 특히, 이론적 예측과 실험 적인 접근을 통해 그래핀옥사이드의 원자 수준의 얇은 두께, 뛰어난 기계적 강도, 높은 수준의 내화학성, 기공 생성이 가능한 2차원 구조 또는 기체 확산 유로 생성이 가능한 적층구조 등 멤브레인 소재로서 매우 유리한 특성들을 보유하고 있음이 밝혀 졌다. 또한 그래핀옥사이드에서의 분자 투과 거동은 적층된 그래핀옥사이드 사이의 채널 크기에 따라 영향을 받는다는 것이 발견되었다. 그 후, 이러한 특성을 응용하여 그래핀옥사이드를 멤브레인 소재로 활용하기 위해 많은 연구가 집중적으로 진행 되고 있다. 본 총설에서는 그래핀옥사이드의 고유 특성을 기반으로 멤브레인 분야로의 응용 가능성에 대하여 논하고자 한다.

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.

20 여 가지의 형태의 제올라이트 중에서 8-membered ring (8 MR) 구조를 지닌 제올라이트를 다공성 지지층 위에 연속적인 분리막 형태로 제작하고자 한다. 이 때, 궁극적인 분리막의 사용처에 해당되는 배가스 및 바이오가스 조건에서 이산화탄소를 분리하는 데 적합하도록 설계한 제올라이트 분리막에 대해 기술하고자 한다. 특히, 10% 정도의 수분에 의한 악영향을 최소화할 수 있는 방법에 대해 발표하고자 한다.

A new method for enhancing condensable gas-induced plasticization resistance of aromatic polyimides (PIs) as well as increasing the flux of gas penetrants with negligible selectivity loss was demonstrated via a so-called bromination/debromination-induced thermal crosslinking. Our newly developed crosslinking approach essentially loosened the polymeric chain packing of 6FDA-Durene PIs by forming ethylene crosslinking bonds, while retaining its rigid PI backbone. As the degree of crosslinking increased, the permeability increased with trivial selectivity loss. As a result, outstanding separation performances for CO2/N2, CO2/CH4 and C3H6/C3H8 gas pairs have been obtained, and most importantly, a high tolerance to CO2 or C3H6 induced plasticization was observed.

금속유기구조체(metal-organic framework)는 유기물와 무기물로 구성된 나노다공성 결정물질로서 일정한 세공 구 조를 가지고 있다. 합성시 유기 리간드의 다양한 선택이 가능함으로 인해 다양한 세공 사이즈와 물리적/화학적 성질들을 나 타내는 금속유기구조체가 가능하다. 이러한 특성들로 인해 다공성 금속유기구조체는 새로운 기체분리용 막 재료로 각광받고 있다. 그러나 고품질의 다결정 금속유기구조체막을 재조하는 것은 상당히 어려운 일인데, 이것은 지지체 표면에 금속유기구 조체 결정을 자라게 하는 것이 쉽지 않기 때문이다. 지난 이십여 년 동안 마이크로 전자파를 이용한 물질 합성에 대한 연구 가 상당히 진행되었는데 특히 마이크로 전자파를 이용하면 전통적인 합성법에 비해 금속유기구조체 분리막을 제조하는 과정 에서의 어려움들을 극복할 수 있다. 마이크로 전자파를 이용한 다결정 분리막 제조 공정은 단시간 합성, 복잡한 구조체 합성 및 나노 결정체 합성 등의 장점이 있다. 본 총설에서는 금속유기구조체 분리막 제조 및 기체 분리에 관한 최근 연구성과들을 살펴보고 특히 마이크로 전자파를 이용한 분리막 제조 공정을 중심으로 정리한다.

Membrane-based gas separations are becoming relevant. Ordered mesoporous silicas have uniform pore channels with a mesopore range. The mesopores are advantageous for rapid diffusion of target molecules, can be modified in a variety of ways, allowing for separation applications. We first describe the technologically scalable fabrication based upon mesoporous silica membranes on polymeric hollow fibers. Furthermore, we modify the mesopores using amine-containing polysilsesquioxane molecules. The resulting modified membranes exhibit promising permeability and selectivity in separation of CO2 from N2 or CH4. Also, the CO2 and N2 transport properties of aziridine-functionalized mesoporous silica membranes are investigated. The hyperbranched aminosilica membrane shows bi-functional gas transport property regarding humidity of gas streams.

Polysilsesquioxanes are essentially hybrid materials consisting of inorganic framework and organic functional groups. A proof of concept study for a new type of gas separation membrane was considered based on the ladder-structured poly(phenyl-co-glycidoxypropyl) silsesquioxanes with phenyl:glycidoxypropyl copolymer ratio of 6:4 (LPG64), which were synthesized by a base-catalyzed sol-gel reaction. Also, by selectively introducing polyethylene oxide (PEO) groups covalently bound to the LPSQ, we effectively suppressed the PEO crystallization, allowing for excellent CO2/H2 and CO2/N2 separation under single as well as mixed gas conditions. Engineering molecular structures of LPSQs will be discussed in detail to investigate the fundamentals of gas transport in LPSQ-based membranes as well as their extended application.

이번 연구에서 효율적인 기체분리를 위한 탄소-실리카(C-SiO2) 분리막이 방향족 이미드 블록과 실록산 블록으로 구성된 공중합체의 비활성분위기에서의 열분해를 통해 제조되었다. 이 탄소-실리카 기체분리막은 비교적 작은 크기의 기체분리, 즉 He/N2, O2/N2 그리고 Co2/N2의 분리에 있어 매우 뛰어난 기체선택도를 나타내었다. 두 상을 가진 공중합체의 열분해는 600도, 800도 그리고 1000도의 최종열분해온도로서 수행되었으며, 이러한 두 상으로 이루어진 전구체는 탄소막의 제조에 처음으로 보고되었다. 이러한 전구체는 두 상의 조성 및 같은 조성에서 중합방법의 차이에 의해 형성되는 모폴로지의 변화가 최종 탄소-실리카막의 기체분리특성에 미치는 영향을 살피기 위해 제조되었다. 이러한 탄소-실리카분리막은 2.6-3.6AA의 동력학적 반경을 가진 작은 기체분자(헬륨, 산소, 질소, 이산화탄소)들을 사용한 기체투과실험에서, 탄소-실리카 분리막은 높은 투과도와 함께 뛰어난 분자체 효과를 보였다. 게다가 탄소-실리카분리막의 기체분리특성은 사용한 고분자 전구체의 기체분리특성과 매우 유사하며, 이것은 열적으로 안정한 두상의 사용으로 전구체의 초기 모폴로지가 열처리 후에도 상당히 유지되었기 때문이다. 현재의 연구는 탄소막 전구체의 초기의 모폴로지가 최종 탄소막의 분리특성 및 미세구조에 결정적인 영향을 미침을 암시한다.