기체 분리막의 상업적 발전은 CO2 분리 효율을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 고분자량 PEO (high-Mw PEO)는 높은 CO2 용해도, 가격 경쟁성 및 견고한 기계적 특성을 가져 분리막 제조용 고분자로 유력하지만 그 특유의 결정성 으로 인해 기체 분리막에 응용이 어렵다. 본 연구에서는 결정성 감소를 위해 다양한 고분자 첨가제를 고분자량 PEO에 혼합 하는 방법을 제시하였다. 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리프로필렌글리콜(PPG), 폴리아크릴산(PAA) 및 폴리비닐피롤리돈(PVP) 과 같은 상업적으로 이용 가능하고 섞임성이 좋은 수용성 고분자를 첨가제로 사용하여 PEO 결정성을 감소시킴으로써 가스 분리 성능을 향상시키고자 하였다. PEG 및 PPG의 경우 PEO의 결정 구조를 억제하지 못하고 분리막의 결함을 초래하였으나, PAA 및 PVP는 PEO의 결정 구조를 바꿔 결함이 없는 분리막을 제조하는 데 성공하였다. 고분자량 PEO 혼합막의 결정 구조 변화와 기체 분리 성능의 상관관계를 조사하여 본 연구의 결과와 이전에 기록된 결과를 바탕으로 고분자량 PEO에 대한 첨가 제 고분자의 설계 및 선택에 대한 통찰력을 제공하며, 이를 통해 비용 효율적이고 상업적으로 실용적인 CO2 분리막을 제조하 고자 하였다.

이 총설에서는 다양한 소재를 이용한 고분자 분리막의 제조를 위한 제조방식, 특성과 여러가지 인자들에 대해서 논의하고자 한다. 분리막 제조방식은 상전이, 계면중합, 연신, 트랙에칭 그리고 전기방사 같은 방법을 주로 강조하여 설명하 고자 하며, 추가적으로 다양한 응용에 따른 제조방식에 대한 한계나 응용성에 대해서도 설명하고자 한다. 또한 다양한 고분자 분리막의 표면거칠기, 표면장력, 표면전하와 표면의 기능성 작용기 같은 표면특성에 대해서도 정리하였으며, 막성능의 향상을 위하여 상전이법이나 계면중합 같은 일반적인 분리막 제조공정에서 필요한 추가적인 향상방법을 나타내었다. 트랙에칭이나 전기방사와 같은 새로운 제조방법의 가능성에 대해서도 분석하였다.

본 논문에서는 이산화탄소 친화적인 PBEM-POEM (PBE) 공중합체를 기반으로 고분자 블렌드 분리막을 제조하 는 방법을 제시한다. PBE 공중합체는 자유 라디칼 중합 반응을 통해 손쉽게 합성이 가능하며, 이를 상용 고분자인 PEG와 다 양한 비율로 혼합하여 이산화탄소/질소 분리막을 제조하였다. 이산화탄소/질소 분리 성능을 테스트한 결과, PEG의 함량이 높을수록 이산화탄소 투과도는 감소하는 반면 이산화탄소/질소 선택도는 크게 증가하는 상충(trade-off) 관계가 나타났다. 그러 나 PBE/PEG (9 : 1)과 PBE/PEG (7 : 3)을 비교하면 이산화탄소 투과도는 단지 8.3% 감소한 반면에 질소 투과도는 69.1%나 감소하였다. 따라서 이산화탄소/질소 선택도가 33.8에서 100.3으로 크게 증가하였다. 이것은 PBE 공중합체의 80%를 차지하 는 POEM 사슬이 PEG와 상호작용하여 더욱 조밀한 구조가 되었기 때문이며, 이를 FT-IR, XRD, SEM 분석으로 확인하였다. PBE/PEG (7 : 3) 블렌드 막이 가장 최적의 기체 분리 성능을 가졌고, 이산화탄소투과도는 170.5 GPU, 이산화탄소/질소 선택 도는 100.3이었다.

산업 응용에 적용할 수 있는 중합체 막의 상용화 전에, 고성능 중합체가 실질적인 도전, 즉 연장된 서비스 시간에 대한 장기 안정성을 극복해야하는 과제가 남아있다. 매우 높은 분수 자유 부피(fractional free volume) 및 높은 투과성을 나타내는 고유한 미세 다공성 중합체(polymers of intrinsic microporosity)는 비효율적 무작위 패킹에 의해 생성된 여분의 부피가 물질의 부피적 평형에서 멀어짐과 동시에, 다시 부피적 평형 상태로 복귀하려는 특성, 즉 자유 부피를 줄여가는 특정으로 인해 투과성을 감소시키는 물리적 노화에 영향을 받기 쉽다. 본 논문에서 우리는 미세 다공성 고분자의 물리적 노화를 재검토 하고 PIM에서 물리적 노화를 완화하려는 가장 두드러진 시도 중 일부를 논의할 것이다.

수처리 분리막 분야에서 고분자는 세라믹과 함께 가장 중요한 소재로 이용되고 있다. 본 총설에서는 이러한 고분자 분리막 소재의 기술동향을 상용화 제품을 중심으로 분석하고자 하였으며, 이를 위하여 수처리 분리막의 종류에 따라 MF (Microfiltration), UF (Ultrafiltration), NF (Nanofiltration)/RO (Reverse Osmosis) 분리막으로 구분하여, 국가별, 소재별, 회사 별 고분자 분리막 제품 동향을 살펴보았다. 이를 통하여, 각 분리막 종류별로 주로 사용되고 있는 소재의 종류를 파악할 수 있었으며, 동시에 시장 지배적인 위치에 있는 업체들을 파악하고 이들 업체들이 어떤 소재들로 제품 포트폴리오를 구성하고 있는지 분석할 수 있었다. 이러한 결과들을 바탕으로 각각의 분리막 종류에 따른 소재 시장의 특징을 제시하였으며, 이런 특징을 바탕으로 각 시장에 신규로 진입하기 위한 기술 개발 전략을 제안하였다.