특허 개요
본 특허는 플루오렌 기반 단량체를 이용해 연료전지용 고분자 전해질막의 전구체를 만드는 기술로, 저가습 환경에서도 이온이 이동하기 쉬운 측쇄 술폰산형 폴리(아릴렌 에테르 술폰) 계열 소재를 구현하는 발명입니다. DMHF를 출발 모노머로 삼아 메톡시기 함유 공중합체를 만든 뒤, 탈메틸화와 1,4-부탄설톤 그래프트 반응으로 친수성 측쇄를 도입해 이온성 채널을 형성하고, 술폰산기를 주쇄에서 떨어뜨려 수화 안정성과 치수 안정성을 높입니다.
- 핵심 기능
플루오렌 기반 비스페놀 모노머를 공중합해 전구체 사슬을 만든 뒤, 측쇄에 술폰산기를 도입하여 물과 이온이 이동할 수 있는 친수성 경로를 형성합니다. 그 결과 막 내부에서 수소이온 전도가 유지되도록 하면서도 과도한 팽윤을 줄이는 방향으로 동작합니다.
- 차별 강점
기존 주쇄형 술폰화 고분자는 이온기를 많이 넣을수록 부풀거나 형태가 불안정해지는 한계가 있었고, 나피온은 비용과 메탄올 투과 같은 제약이 있었습니다. 본 기술은 측쇄형 구조와 플루오렌 골격을 결합해 저가습 조건에서의 전도도와 치수 안정성을 함께 노린다는 점이 차별적입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 연료전지 고분자 전해질막, 직접메탄올연료전지, 수소이온 전도성 고분자소재 개발에 활용 가능하며, 저가습 구동이 필요한 막 소재 평가와 전해질 설계 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 수소 연료전지용 막·전극 조립체 소재, 직접메탄올연료전지용 분리막, 고내구성 이온전도성 고분자 부품으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
NMR, GPC, TGA, 수분흡수, IEC, TEM, 수소이온 전도도, 메탄올 침투도 및 단전지 성능 평가로 합성 구조와 물성을 확인했습니다. 다만 실제 양산성, 장기 내구성, 공정 재현성은 아직 충분히 검증되지 않았습니다.
- 검증대상: DMHF, MPAES-xx, HPAES-xx, SPAES-xx 멤브레인 및 4-SPAES-33, 4-SPAES-36
- 비교군: 나피온 117, NR212, S2-PAES-70, S4-PAES-35
- 조건: 30～80℃, 40～100% RH, 80℃, 100% RH, 2.0M H2SO4, 3% H2O2 containing 2 ppm FeSO4
현재 성과
SPAES 계열은 친수성 측쇄 채널을 통해 수소이온이 이동할 경로를 확보해, 저가습 조건에서도 전도도 저하를 줄이도록 설계되었습니다. 또한 치수 안정성과 낮은 메탄올 침투 특성을 함께 겨냥해 연료전지용 막으로의 적합성을 높였습니다.
NMR과 GPC로 단량체 및 공중합체 구조를 확인했고, TGA·수분흡수·IEC·TEM·전도도·메탄올 침투도·단전지 평가로 막 특성을 검증했습니다. 산화 안정성은 80℃, 산화 조건에서 중량 유지도를 확인하는 방식으로 평가했습니다.
플루오렌 기반 비스페놀과 측쇄 술폰산 도입을 결합해, 술폰산기를 주쇄에서 멀리 떨어뜨린 구조를 구현한 점이 핵심입니다. 기존 주쇄형 술폰화 고분자와 달리 전도도와 치수 안정성의 균형을 노린 설계라는 점에서 차별성이 있습니다.
상용화까지 남은 부분
현재 권리 상태가 거절 확정 및 소멸로 유효 권리가 없어, 기술이전 전에 개량 재출원이나 별도 권리화 전략이 필요합니다.
단량체 합성과 공중합의 수율, 정제 난이도, 스케일업 가능성에 대한 추가 검증이 필요합니다.
원가 구조와 장기 내구성, 양산 공정 재현성에 대한 실증이 부족합니다.
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
플루오렌 단량체 및 그 제조방법 (폴리아릴렌에테르술폰 PEM, 저가습 수소이온전도)
Fluorene-based monomer and preparation method thereof
10-2013-0152924 (2013.01.01)
미등록 (심사 중)
이영무 (한양대학교 산학협력단), 이소영 (한양대학교 산학협력단), 체니 왕 (한양대학교 산학협력단), 마이클 디 가이버 (한양대학교 산학협력단)
한양대학교 산학협력단