특허 개요
본 특허는 저가습·고온 환경에서도 물을 유지하면서 전해질 역할을 하는 고분자 이온교환막을 제공하는 기술입니다. 탄화수소계 수소이온 전도성 고분자 막의 표면만 플라즈마 소수성 처리하여 나노-크랙과 -CF2/-CF3 기반 소수성 박막을 만들고, 내부의 친수성 이온 채널은 유지함으로써 자기 수화 특성과 촉매층과의 접합성을 동시에 확보합니다.
- 핵심 기능
막 표면에 형성된 소수성 박막과 나노-크랙이 수화 시 물을 머금고 건조 시 물 손실을 늦추는 방식으로 동작합니다. 그 결과 저가습 조건에서도 이온 전도 경로를 유지하면서 막-전극 계면의 상용성을 높여 연료전지 성능 저하를 완화합니다.
- 차별 강점
기존 탄화수소계 막은 저가습 조건에서 수화가 불안정하거나, 막 내부까지 친수성을 키우는 방식은 오히려 이온 전도에 불리할 수 있었습니다. 본 특허는 표면만 선택적으로 개질해 내부 전도 구조를 보존하면서 자기 수화와 계면 접합성을 함께 확보한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 고분자 전해질막, 막-전극 어셈블리, 수소 연료전지, 저가습 작동 전해질 재료 개발 분야에 활용 가능하며, 표면개질 고분자 재료와 전극 계면 제어 연구로도 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 수송용 연료전지, 분산형 발전용 전지 모듈, 스택용 핵심 막 소재, 상용 막 대체 소재 개발로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
플라즈마 소수성 처리 전후에 대해 표면 조성, 접촉각, FT-IR, 이온 채널 분포, DVS 및 단전지 성능을 비교해 자기 수화와 성능 향상을 확인했습니다. 다만 실제 스택 규모의 장기 내구성과 양산 적합성은 아직 추가 검증이 필요합니다.
- 시료: 탄화수소계 수소이온 전도성 고분자 막 및 이를 적용한 막-전극 어셈블리
- 비교군: 비교예 1～4의 비처리 막 또는 다른 고분자 수지 막
- 구동 조건: 80℃～120℃, 상대습도 35%～100%, 1.5atm, 플라즈마 반복 10회～40회
현재 성과
소수성 표면과 나노-크랙 구조를 통해 물 보존성과 이온 전도성을 함께 유지하여, 저가습 조건에서 단전지 전류 밀도와 출력 밀도가 향상되었습니다. 막 내부 수화 구조를 해치지 않으면서 표면 기능만 강화한 점이 성능 개선의 핵심입니다.
플라즈마 처리 전후에 표면 조성, 접촉각, FT-IR, 이온 채널 분포, DVS 측정과 단전지 성능을 비교해 효과를 확인했습니다. 상대습도 35%～100%와 80℃～120℃ 조건에서 비교예와의 차이를 검증했습니다.
막 전체를 친수화하는 방식이 아니라 표면에만 나노-크랙과 소수성 박막을 형성해 내부 이온전도 채널을 보존한 점이 독창적입니다. 또한 불소계 바인더와의 상용성 개선을 함께 노린 구조라는 점에서 기존 막 개질과 구별됩니다.
상용화까지 남은 부분
상압 플라즈마 표면처리의 대면적·연속 공정 전환과 크랙 균일도 관리
실제 스택 규모에서의 수천 시간급 내구성 및 불소계 바인더 접합 신뢰성 검증
양산 수율·단가와 상용막 대비 총소유비용 비교
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
고분자 이온교환막 및 이의 제조 방법
POLYMER ION EXCHNAGE MEMBRANE AND METHOD OF PREPARING SAME
10-2015-0038456 (2015.01.01)
10-1860499
이영무 (한양대학교 산학협력단), 박치훈 (한양대학교 산학협력단), 황두성 (한양대학교 산학협력단), 이소영 (한양대학교 산학협력단), 신동원 (한양대학교 산학협력단)
한양대학교 산학협력단