특허 개요
본 특허는 알칼리 연료전지와 수전해 등에 쓰는 가지부 함유 폴리(아릴 피페리디늄) 공중합체 이오노머입니다. 방향족 고분자 골격에 아릴 에테르 결합을 두지 않고, 반복단위 안에 가지부(branched moiety)를 갖는 피페리디늄 양이온기를 도입해 알칼리 안정성과 기계적 물성, 이온전도도, 치수안정성을 함께 확보하는 구조입니다. 이렇게 만든 이오노머를 1M NaHCO3 또는 1M NaOH로 처리해 음이온교환막으로 전환하며, 바인더로도 사용할 수 있습니다.
- 핵심 기능
이 이오노머는 고분자 사슬에 도입된 가지부 구조로 자유부피와 물 보유 특성을 조절하고, 피페리디늄 양이온기로 OH- 전달 경로를 제공합니다. 그 결과 저습도 조건에서도 이온 전달이 가능하면서도 막의 팽창은 억제하는 방향으로 작동합니다.
- 차별 강점
종래 아릴 에테르계 음이온교환막은 알칼리 환경에서 분해되기 쉽고, 일반 음이온교환막은 화학적 안정성과 기계적 물성, 내구성의 균형이 부족했습니다. 본 특허는 아릴 에테르 결합을 제거하고 가지부 피페리디늄 구조를 적용해 이러한 한계를 완화한 점이 차별적입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼리 연료전지, 수전해, 이산화탄소 환원, 바나듐 레독스 플로우 배터리, 금속-공기 전지 분야에 활용 가능하며, 막 재료와 이오노머 바인더 설계 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 차세대 수소·전력 변환 장치, 전해조 부품, 전극용 바인더, 저습도 구동이 필요한 전기화학 모듈로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
1H NMR로 가지부 함유 폴리(아릴 피페리디늄) 공중합체의 합성을 확인했고, 제막 후 기계적 물성, 팽창률, 함수율, 수소 투과도, 연료전지 성능을 실험적으로 평가했습니다. 다만 산업체 수준의 스케일업, 대면적 제막, 실셀 내구성 검증은 아직 추가 확인이 필요합니다.
- 시료: b-PDTM-Trip-3.5, b-PDTP-Trip-3.5, b-PFBM-Trip-3.5, b-PFBP-Trip-3.5 계열 음이온교환막 및 바인더
- 비교군: 가지부가 없는 PDTP, PFBP
- 조건: 1H NMR, 기계적 물성, 팽창률, 함수율, 수소 투과도, H2-O2@80℃, 1.3 bar, 저습도 조건
현재 성과
저습도 조건에서도 연료전지 구동 성능이 확인되어, 함수율과 팽창률의 균형을 갖는 재료 설계 방향이 유효함을 보여줍니다. 알칼리막과 바인더를 함께 겨냥할 수 있어 전기화학 장치 적용성이 높습니다.
1H NMR에서 가지부 구조에 해당하는 특성 피크가 확인되어, 목표한 공중합체 이오노머 합성이 검증되었습니다. 이후 제막 후 물성, 수분 특성, 가스 투과, 연료전지 성능까지 단계적으로 평가했습니다.
종래 아릴 에테르계 고분자의 알칼리 분해 취약성을 피하면서, 가지부 구조로 자유부피와 물질전달을 개선한 점이 핵심입니다. 일반적인 음이온교환막과 달리 저습도 성능과 치수안정성을 함께 노린 구조라는 점에서 차별성이 있습니다.
상용화까지 남은 부분
산업체 연계 스케일업과 대량 샘플 요구에 대응할 제조 재현성 확보
실제 제품 환경에서의 장기 내구성 및 실셀 검증 추가 필요
대면적 제막과 공정 안정화, 타 업체·연구기관과의 성능 비교 검증 보완
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
신규한 가지부 함유 폴리(아릴 피페리디늄) 공중합체 이오노머
Novel poly(aryl piperidinium) ionomer containing branched moeity, an anion exchange membrane and method for preparing the same
10-2022-0126048 (2022.06.03)
10-2835484
이영무 (한양대학교)
한양대학교 산학협력단