특허 개요
본 특허는 알칼리 환경에서 사용하는 가교 폴리(아릴 피페리디늄) 공중합체 이오노머와 이를 이용한 음이온교환막입니다. 고분자 골격에서 아릴 에테르 결합을 배제하고, 반복단위의 피페리디늄 그룹을 폴리스티렌 연결기로 가교한 뒤, 캐스팅 후 열처리로 스티렌기 간 가교반응을 유도하는 방식으로 막 구조를 안정화합니다. 여기에 비닐벤질클로라이드 기반 가교를 적용해 알칼리 안정성과 팽윤 억제, 이온전도도 사이의 균형을 맞춘 점이 핵심입니다.
- 핵심 기능
이 이오노머는 음이온교환막의 고분자 주성분으로 작동하며, OH- 이동 경로를 제공하면서 막의 형태를 유지합니다. 제조 시 용액 캐스팅과 열처리를 통해 가교 구조를 형성해 과도한 흡수·팽윤을 줄이고, 알칼리 조건에서도 물성 저하를 완화합니다.
- 차별 강점
종래 알칼리성 고분자 전해질은 에테르 결합과 양이온기로 인해 알칼리 안정성, 기계적 물성, 치수안정성에 한계가 있었습니다. 본 특허는 아릴 에테르 결합이 없는 골격과 가교된 피페리디늄 구조를 결합해 이온전도도와 내구성의 균형을 개선했다는 점에서 차별적입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼리막 연료전지, 수전해, 이산화탄소 환원, 산화-환원 플로우 전지 분야에 활용 가능하며, 막 소재·바인더 설계와 전해질 안정화 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 수소·전력 변환 장치용 전해질 막, 전극 바인더, 알칼리 전기화학 장치 부품 개발로 이어질 수 있습니다.
연구 개발 단계
실시예와 비교예를 대상으로 IEC, 함수율, 팽창률, 이온전도도, 기계적 물성, 알칼리 내구성, 연료전지 성능, 수전해 성능을 비교 평가했습니다. 다만 실제 장기 실셀 운전과 대면적 제조, 상용 전해질 대비 재현성 검증은 추가 확인이 필요합니다.
- 시료: x-PDTP-PS-10, x-PDTP-PS-20, x-PFTP-PS-10, x-PFTP-PS-20, PDTP, PFTP 막
- 비교군: 가교구조 없는 PDTP, PFTP 및 상용 PTFE-Sustainion
- 조건: 1M NaOH 80℃ 2,160시간, 90℃ 저습도 연료전지, 2.0V 수전해
현재 성과
가교 구조를 통해 함수율과 팽창률을 낮추면서도 OH- 전도도를 유지하도록 설계된 점이 핵심입니다. 저습도와 고온 조건에서도 전기화학 장치에 필요한 이온 이동 성능을 확보하도록 한 막 재료입니다.
1M NaOH, 80℃ 조건에서 장시간 침지 시험을 수행해 이온전도도 손실이 크지 않음을 확인했습니다. 또한 연료전지와 수전해 성능 비교를 통해 실제 구동 환경에 대한 검증을 병행했습니다.
종래 알칼리성 고분자 전해질이 가지는 에테르 결합 기반 열화 문제를 줄이기 위해, 아릴 에테르 결합이 없는 골격과 가교된 피페리디늄 구조를 결합한 점이 차별점입니다. 여기에 비닐벤질클로라이드 기반 가교를 더해 알칼리 안정성과 치수안정성의 균형을 설계한 것이 신규성입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 장기 실셀 운전에서의 수명과 재현성 검증
대면적 제조 공정과 스케일업 조건 확립
상용 전해질 대비 공정 확장성 및 품질 안정성 확인
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 고내구성 가교 폴리(아릴 피페리디늄) 공중합체 이오노머
Novel highly durable crosslinked poly(aryl piperidinium) ionomer, an anion exchange membrane and method for preparing the same
10-2022-0126050 (2022.07.14)
10-2857673
이영무 (한양대학교)
한양대학교 산학협력단