PMC Lab
나노/신소재공학부 고분자공학전공 김기현
PMC Lab(고분자재료화학연구실)은 경상대학교 나노신소재공학부 고분자공학전공 소속으로, 고분자 전해질 막 및 첨단 고분자 소재의 합성과 응용에 중점을 두고 있습니다. 연구실은 연료전지, 수전해, 이차전지 등 다양한 에너지 변환 및 저장 시스템에 적용 가능한 고성능·고내구성 고분자 전해질 막 개발을 핵심 목표로 삼고 있습니다. 이를 위해 고분자 구조 설계, 가지형 공중합체, 가교 구조 도입, 유무기 복합화, 나노구조 제어 등 다양한 첨단 소재 공정 기술을 융합적으로 활용하고 있습니다.
특히, 기존 상용화된 과불소화계 이오노머(나피온 등)의 한계를 극복하기 위해, 탄화수소계 고분자, 폴리벤즈이미다졸(PBI) 기반 고온형 막, 직접 메탄올 연료전지용 저메탄올 투과성 막 등 다양한 맞춤형 고분자 소재를 개발하고 있습니다. 또한, 그래핀 옥사이드, 실리카, 탄소 나노소재 등 무기 필러의 표면 개질 및 복합화를 통해 고분자 막의 내구성, 이온전도성, 기계적 안정성, 선택적 투과성 등 핵심 물성을 획기적으로 향상시키는 연구를 수행하고 있습니다.
연구실은 고분자 전해질 막의 구조-물성-성능 상관관계 규명, 고분자-무기 복합화 기술, 나노구조 제어, 기능성 표면 개질 등 다양한 연구 주제를 다루며, 다수의 SCI 논문 발표, 국내외 특허 출원 및 등록, 산학협력 프로젝트 수행 등으로 그 우수성을 인정받고 있습니다. 또한, 정부 및 산업체와의 공동 연구를 통해 기술 이전 및 상용화에도 적극적으로 기여하고 있습니다.
PMC Lab의 연구는 차세대 수소 에너지 시스템, 친환경 모빌리티, 고효율 발전 시스템 등 다양한 산업 분야에 실질적인 파급효과를 창출하고 있습니다. 앞으로도 고분자 전해질 막 및 복합소재 분야에서 혁신적 연구를 지속하여, 에너지 전환 시대를 선도하는 연구실로 자리매김할 계획입니다.
이와 같은 연구 역량과 성과를 바탕으로, PMC Lab은 고분자 및 복합소재 분야의 미래를 이끌어갈 핵심 인재 양성과 첨단 소재 기술 개발에 앞장서고 있습니다. 연구실은 앞으로도 지속적인 연구개발과 산학협력을 통해, 친환경 에너지 사회 구현에 기여할 것입니다.
Engineering Plastics
Energy Applications
Composite Materials
고분자 전해질 막 및 연료전지용 고분자 소재 개발
본 연구실은 고분자 전해질 막(PEM)과 이를 기반으로 한 연료전지 응용을 위한 첨단 고분자 소재의 합성과 구조 제어에 중점을 두고 있습니다. 고분자 전해질 막은 연료전지의 핵심 부품으로, 수소이온의 이동과 연료의 분리를 담당하여 전체 시스템의 성능과 내구성을 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 기존의 상용화된 과불소화계 이오노머(예: 나피온)는 높은 수소이온 전도도와 화학적 안정성을 제공하지만, 높은 비용과 환경오염 문제, 낮은 내구성 등 한계가 존재합니다.
이에 따라 연구실에서는 다양한 탄화수소계 고분자, 가지형 공중합체, 가교 구조 도입, 유무기 복합화 등 고분자 구조 설계 및 개질 기술을 활용하여 고성능·고내구성의 PEM 소재를 개발하고 있습니다. 특히, 고분자 주쇄와 측쇄의 조합, 이온전도성 작용기의 도입, 나노상분리 구조의 구현, 가교화 기술을 통해 수소이온 전도도와 물리화학적 안정성을 동시에 향상시키는 연구를 수행하고 있습니다. 또한, 고온 구동형 연료전지용 폴리벤즈이미다졸(PBI) 기반 막, 직접 메탄올 연료전지용 저메탄올 투과성 막 등 다양한 응용 분야에 적합한 맞춤형 소재 개발도 활발히 이루어지고 있습니다.
이러한 연구는 국내외 특허 출원 및 등록, 다수의 SCI 논문 발표, 산학협력 프로젝트 수행 등으로 이어지고 있으며, 차세대 수소 에너지 시스템, 친환경 모빌리티, 고효율 발전 시스템 등 다양한 산업 분야에 기여하고 있습니다. 앞으로도 고분자 전해질 막의 구조-물성-성능 상관관계 규명과 혁신적 소재 개발을 통해 연료전지 기술의 상용화와 에너지 전환 시대를 선도하는 연구를 지속할 계획입니다.
유무기 복합소재 및 나노구조 고분자 막의 설계와 응용
연구실에서는 고분자와 무기 나노소재의 복합화를 통한 차세대 고분자 전해질 막 및 에너지 소재 개발에 주력하고 있습니다. 유기/무기 하이브리드 복합막은 고분자 매트릭스 내에 실리카, 탄소 나노소재, 그래핀 옥사이드 등 다양한 무기 필러를 도입하여 열적·기계적 안정성, 이온전도성, 내화학성 등 핵심 물성을 극대화하는 데 목적이 있습니다. 특히, 산화방지 작용기, 술폰산기, 이온교환 작용기 등 기능성 그룹이 도입된 무기 필러의 표면 개질을 통해 고분자와의 상호작용을 강화하고, 나노스케일에서의 상분리 및 이온전도 채널 형성을 유도합니다.
이러한 복합막은 연료전지뿐만 아니라, 수전해 시스템, 리튬이차전지, 바나듐 레독스 흐름전지 등 다양한 에너지 변환 및 저장 시스템에 적용되고 있습니다. 예를 들어, 그래핀 옥사이드에 과불소화 이오노머, 항산화제, 폴리트리아졸 등 다양한 고분자 또는 유기 작용기를 그래프팅하여 복합막의 내구성, 선택적 이온전도성, 기계적 강도 등을 획기적으로 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 또한, 다공성 지지체 기반의 강화 복합막, 세미-인터페네트레이팅 네트워크, 가교 구조 도입 등 다양한 나노구조 설계 전략을 통해 고온·저습 환경에서도 안정적으로 작동하는 고성능 막을 개발하고 있습니다.
이와 같은 유무기 복합소재 연구는 실용화 가능성이 높은 특허 기술로 이어지고 있으며, 실제 산업체와의 공동 연구, 정부 과제 수행 등을 통해 기술 이전 및 상용화가 추진되고 있습니다. 앞으로도 고분자-무기 복합화, 나노구조 제어, 기능성 표면 개질 등 첨단 소재 공정 기술을 바탕으로 차세대 에너지 소재 분야를 선도할 계획입니다.
에너지 응용을 위한 고분자 전해질 및 복합막의 혁신적 응용
본 연구실은 고분자 전해질 및 복합막의 혁신적 응용을 통해 연료전지, 수전해, 이차전지 등 다양한 에너지 변환 및 저장 시스템의 성능을 극대화하는 연구를 수행하고 있습니다. 고분자 전해질 막은 연료전지의 핵심 부품일 뿐만 아니라, 수전해 시스템의 수소 생산, 리튬이차전지의 전해질, 바나듐 레독스 흐름전지의 이온 선택적 분리막 등 다양한 에너지 장치에 필수적으로 적용되고 있습니다.
특히, 고온 구동형 연료전지용 폴리벤즈이미다졸(PBI) 기반 막, 직접 메탄올 연료전지용 저메탄올 투과성 막, 바나듐 레독스 흐름전지용 초박막 과불소화 복합막 등 각 응용 분야에 최적화된 고분자 및 복합막을 개발하고 있습니다. 이 과정에서 고분자 구조 설계, 가교화, 유무기 복합화, 나노구조 제어 등 다양한 소재 공정 기술을 융합하여, 높은 이온전도도, 내화학성, 기계적 안정성, 선택적 투과성 등 요구되는 특성을 동시에 만족시키는 혁신적 소재를 창출하고 있습니다.
이러한 연구는 에너지 효율 향상, 시스템의 내구성 증대, 환경 친화적 소재 개발 등 실질적인 산업적 파급효과를 창출하고 있으며, 국내외 특허 등록, 산학협력, 정부 과제 수행 등으로 이어지고 있습니다. 앞으로도 고분자 전해질 및 복합막의 혁신적 응용을 통해 차세대 에너지 시스템의 상용화와 친환경 에너지 사회 구현에 기여할 계획입니다.
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Hydrocarbon-based composite membranes containing sulfonated Poly (arylene thioether sulfone)-grafted 2D crown ether framework coordinated with cerium ions for PEMFC applications
Seho Lee, Chanhee Choi, Sung Min Lee, Hyunhee Lee, Jusung Han, Junghwan Kim, Jinseok Kim, Jinwook Park, Kihyun Kim, Jong-Chan Lee
Journal of Membrane Science, 2025
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Perfluorosulfonic Acid Composite Membranes Containing Organic Antioxidant-grafted Graphene Oxides for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Applications
Yu-Gyeong Jeong, Inhyeok Hwang, Jungmoon Bae, Kihyun Kim
Membrane Journal, 2024
3
Hydrocarbon-based Composite Membranes Containing Hindered Phenol –Grafted Graphene Oxide for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Applications
Inhyeok Hwang, Yu-Gyeong Jeong, Jungmoon Bae, Kihyun Kim
Membrane Journal, 2024
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[통합EZ/위탁] PEM 수전해 차세대 소재 및 신뢰성 기술 개발 (2차년도)
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[통합EZ/위탁] PEM 수전해 차세대 소재 및 신뢰성 기술 개발
3
[통합EZ] 고분자 전해질 막 연료전지 전극층 적용이 가능한 플루오렌 기반의 신규 이오노머 개발 (3차년도)