본 연구과제에서는 4년의 연구기간 동안, 양쪽성이온 고분자를 사용해 1. 자가치유가 가능한 p-형과 2. n-형 이온성 열전소재를 개발하고, 3. 무기물 나노입자를 이용하여 이온성 열전성능 극대화하며, 4. 자가치유가 가능한 이온성 열전모듈을 제작할 것임. 최종목표 양쪽성이온 단량체를 이용하여 기계적인 유연성과 신축성을 가짐과 동시에 자가치유(self-he...
이온성 열전소재
자가치유 고분자
양쪽성이온 고분자
3
주관|
2022년 8월-2026년 2월
|96,747,000원
자기치유가 가능한 양쪽성이온 고분자 기반 이온성 열전소재 개발
★ 다기능성 자가치유 이온성 열전고분자 합성을 위해서는 이온 전도로 인한 이온성 열전성능과 분자 간 유동적인 상호인력으로 인한 자가치유 성능을 모두 확보하는 것이 중요함. 본 연구에서는 분자 간의 정전기 결합 및 수소결합을 극대화하고 자가치유성능 및 유연성, 신축성을 동시에 얻기 위해서 양쪽성이온 고분자(zwitterionic polymer)를 중합할 것임.
★ 양쪽성이온 고분자는 양이온과 음이온을 가지는 기능기를 동시에 가지고 있는 고분자로서 또 다른 용어로는 "내부 염"으로 불리기도 하며, 양이온과 음이온이 동시에 한 분자에 존재하고 양전하와 음전하가 서로 중화된다는 의미를 가지고 있음. 양쪽성이온 고분자는 아래와 같은 장점을 가지고 있으므로 자가치유 성능 등 기계적 물성이 우수한 이온성 열전소재 후보군임.
가. 아민기, 술폰기, 인산기, 카보닐기 등 다양한 기능기의 도입이 가능
나. 양이온과 음이온이 동시에 존재하기 때문에 분자 간 상호결합을 조절하여 자가치유 성능, 유연성, 신축성, 접착성을 얻을 수 있음.
다. 다수의 기능기로 인해 높은 이온전도도를 가짐.
가. 높은 화학적, 열적 안정성
★ 이러한 장점 때문에, 앙쪽성이온 고분자는 센서, 분리막, 약물전달, 촉매 등 다양한 응용분야에 적용되고 있지만, 이온성 열전소재에는 현재까지 적용된 바 없으며, 더욱이 이온성 열전성능과 자가치유 성능을 동시에 가지는 양쪽성이온 고분자는 현재까지 보고된 적이 전무한 신규성과 독창성이 매우 높은 연구 주제임.
★ 이온성 열전소재의 성능은 무차원 성능 지수인 ZTi로 특징지어 지는데,
식 (1)
여기서 Si는 이온성 지벡계수(Seebeck coefficient, mV K-1 단위), σi는 이온전도도(S cm-1), Si2σi는 역률(ionic power factor, PFi)이라고도 하며, T는 절대 온도(K), k는 열전도율(W m-1 K-1)임. 에너지 변환 성능지수인 ZTi를 높이려면 높은 Si와 σi ,그리고 낮은 k를 갖는 이온성 열전소재를 개발하는 것이 필요함. 양쪽성이온 고분자의 경우 적절한 기능기를 도입함으로써 상대적으로 높은 Si와 σi를 얻을 수 있을 것으로 기대됨.
★
식 (2)
Si는 다음 방정식을 기반으로 하는 열전달 계수(Q) 및 이온 확산도(D)와 밀접한 관련이 있음. e는 전하의 기본값을 나타냄.
★ 따라서 높은 Si값을 얻기 위해서는 양이온과 음이온의 이온 확산도 차이를 극대화해야 함. 구체적으로는 p-형 이온성 열전소재의 경우 양이온 확산도(D+)는 극대화시켜야 하고, 음이온 확산도(D-)는 최소화해야 높은 Si 및 PFi를 얻을 수 있음. n-형 이온성 열전소재의 경우 반대로 양이온 확산도(D+)는 감소시켜고, 음이온 확산도(D-)는 증가시켜야 이온성 열전성능을 극대화 할 수 있음.
★ 본 연구과제에서는 4년의 연구기간 동안, 양쪽성이온 고분자를 사용해 1. 자가치유가 가능한 p-형과 2. n-형 이온성 열전소재를 개발하고, 3. 무기물 나노입자를 이용하여 이온성 열전성능 극대화하며, 4. 자가치유가 가능한 이온성 열전모듈을 제작할 것임.
Layer-by-Layer Assembly를 이용한 향상된 전기화학적 산화안정성을 지니는 폴리아닐린 전도성 고분자 필름에 관한 연구
1. 산화안정성이 향상된 폴리아닐린/고분자 전해질 다층필름 개발
-본 연구에서는 양전하를 띠고 있고 전기전도도를 지니는 emeraldine salt (ES) 산화상태를 가지는 폴리아닐린 분산액과 고분자 전해질 용액을 함침 LbL 조립법을 이용하여 폴리아닐린/고분자 전해질 다층막 필름을 제조할 것임. 폴리아닐린/고분자 전해질 다층필름에는 폴리아닐린 주사슬에 위치한 양전하를 띄는 아민기(amine group)과 고분자 전해질의 작용기(functional groups) 사이에 상호작용이 존재하며, 이러한 상호작용은 폴리아닐린의 산화안정성에 크게 영향을 미칠 것으로 판단됨.
-본 연구에서 사용할 고분자 전해질은 폴리아크릴릭산(poly(acrylic acid)), 폴리스티렌 술폰산(polystyrene sulfonic acid), 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol)), 폴리비닐인산(poly(vinylphosphoric acid))로 서로 다른 pKa를 가지는 카복시기 (carboxylic acid, -COOH), 술폰기(sulfonic acid, -SO3H), 알콜기(alcohol, -OH) 및 인산기(phosphoric acid, -PO3H2)에 해당하는 작용기를 지님.
2. 함침, 스프레이, 스핀 LbL 조립법(dip-, spray-, and spin-assisted LbL assembly)을 이용한 다층필름 제조와 산화안정성 분석
- 근래에 함침법 이외에도 스프레이나 스핀 코팅을 활용한 LbL 조립법이 적용되었고, 각각의 방법에 따라 고분자의 확산 및 흡착 속도가 다른 것이 알려져 있고, 다른 방법으로 조립된 다층박막 필름은 그 구조, 물리적 특성, 화학적 특성, 광학적 특성이 다르게 나타남.
-따라서 같은 구성성분을 가지는 폴리아닐린/전도성 고분자 필름일지라도, 사용되는 LbL 조립법의 종류와 조립 조건에 따라서 구성성분간의 상호작용이 다를 것이며, 필름의 산화안정성이 다를 것이라 예상됨.
-본 연구에서는 함침, 스프레이, 스핀 LbL 조립법(dip-, spray-, and spin-assisted LbL assembly)을 이용하여 폴리아닐린/고분자 전해질 다층박막 필름을 제조하고, 각각 필름의 산화안정성을 조사하고자 함 (그림3).
3.3. 폴리아닐린/다가저분자(multivalent small-molecules) 다층필름 개발
-고분자 전해질이 폴리아닐린의 산화안정성을 높일 수 있을 것으로 예상되지만 고분자 전해질은 질량 대비 전하량(charge to mass ratio)이 작기 때문에 다층필름을 형성하기 위해서는 상대적으로 많은 양의 고분자 전해질이 필요함. 고분자 전해질은 폴리아닐린의 산화안정성을 증가시키는 역할을 하지만 전기전도도 및 전기화학적인 활성을 가지고 있지 않으므로 또한 폴리아닐린의 기능성을 희석시키게 됨.
-고분자 전해질 대신에 다가저분자(multivalent small-molecules)를 사용하게 되면 적은 양의 음이온을 띄는 분자 만으로도 다층필름을 형성할 수 있을 것이고 전기적으로 활성을 가지지 않는 물질이 차지하는 비중이 줄어들어 다층필름 전체의 전기전도도 및 전기화학적인 활성을 향상시킬 수 있을 것으로 예상됨.
-본 연구에서 사용하고자하는 다가저분자들은 한 분자 안에 다수의 작용기가 존재하기 때문에 킬레이터로 작용하여 많은 폴리아닐린 아민기와 동시에 상호작용을 하여 물리적 교차결합(physical crosslinking)을 형성할 것이므로 고분자 전해질의 경우와는 다른 상이한 전기전도도 및 산화안정성을 가지는 다층필름을 형성할 것으로 예상됨.