특허 개요
본 특허는 그래파이트 결정 구조를 유지한 채 층 내부에 미세 통로를 형성한 나노 다공성 그래파이트와 이를 이용한 분리막·전기화학 소자 기술입니다. 그래파이트 층간에 CrO2Cl2 등의 인터칼레이팅 화합물을 도입해 흑연 층간 화합물(GIC) 전구체를 만들고, 산성 조건에서 제어된 산화로 탄소 격자를 국소적으로 반응시켜 층 내부 평면(in-plane) 나노기공을 형성합니다. 제한된 산소 기능기와 sp2·sp3 영역이 공존하는 치밀한 적층 구조로 층간거리 변조를 제어해, 물질전달 경로는 확보하면서 수화 이온에 대한 선택성과 장기 구조 안정성을 함께 지향합니다.
- 핵심 기능
그래파이트 층간에 인터칼레이팅 화합물을 삽입한 뒤 산화제를 반응시켜 층 내부 평면에 나노기공을 형성하고, 산화 정도에 따라 기공·산소 기능기·층간거리를 조절합니다. 형성된 나노 다공성 그래파이트를 PES 다공성 고분자 지지체 위 활성층으로 적용하면 물 이동은 허용하면서 이온 투과와 층간거리 팽창을 억제합니다.
- 차별 강점
기존 산화그래핀 기반 적층막은 수성 매체나 용매에서 층간거리가 팽창하고 외부 자극에 의해 박리될 수 있어, 장기 선택 분리 안정성에 한계가 있었습니다. 본 기술은 그래파이트 결정성을 유지하면서 in-plane 나노기공과 제한된 산화 구조를 구현해, 투과 경로 확보와 층간 구조 안정성을 동시에 추구하는 점에서 차별성이 있습니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 정삼투 담수화, 수처리·이온 분리, 용매 나노여과, 가스 분리와 같이 선택적 물질전달과 막 안정성이 중요한 분야에 활용 가능하며, 이차전지 음극·수퍼커패시터 전극·전기화학 센서 및 촉매 연구로도 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 해수·고염도 수처리 설비, 산업용 분리막, 에너지저장 부품 및 전기화학 분석·촉매 제품군으로 적용 가능성을 검토할 수 있습니다.
연구 개발 단계
나노 다공성 그래파이트/PES 지지체 분리막을 대상으로 구조분석, 이온 투과 및 정삼투 담수화 시험을 수행해 층간거리 안정성, 이온 배제 및 연속 운전 특성을 확인했습니다. 다만 실제 수처리 모듈의 대면적 제조, 복합 오염수 조건 및 실증 규모에서의 장기 운전 재현성은 추가 검증이 필요합니다.
- 시료: 나노 다공성 그래파이트 활성층/PES 다공성 고분자 지지체 분리막
- 비교군: 산화제 미첨가체, 비인터칼레이션 그래파이트 산화체, 휴머 방법 탄소체 및 비교예 분리막
- 시험 조건: H형 셀에서 피드·투과 영역 각 80mL, 이온 투과 24시간
- 정삼투 조건: 0.1M 이온 용액 80mL 피드와 2M 수크로스 80mL 드로우 용액으로 24시간～30일 연속 시험
현재 성과
나노 다공성 그래파이트 분리막은 24시간 정삼투 시험에서 1가·다가 이온에 대해 99.5% 이상의 이온 배제율과 0.75～0.92LMH의 물 유량을 나타냈습니다. 7일 연속 시험 후에도 이온 배제율 99.5% 이상이 유지됐으며, 0.01～1M NaCl 조건에서는 99.4% 이상의 이온 배제율이 제시됐습니다.
순수 침지 60일 후에도 분리막의 나노 다공성 그래파이트는 박리 없이 X선 회절 기반 층간거리를 유지했습니다. 0.1M 및 1M NaCl 피드 조건의 30일 연속 정삼투 시험에서는 이온 배제율이 각각 99.8% 및 98% 수준으로 유지됐습니다.
순수 침지 조건에서 실시예 분리막의 층간거리는 7.5Å에서 8.9Å로 증가했으며, 비교 분리막은 7.9Å에서 11.5Å로 증가했습니다. 그래파이트 결정성을 유지한 상태에서 층 내부 평면 나노기공을 형성하고 제어 산화로 산소 기능기와 층간거리를 조절하는 구조가 기존 단순 적층 산화그래핀 막과의 핵심 차이입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 수처리 모듈 적용을 위한 대면적 분리막 제조 및 스케일업 공정 검증
복합 오염수, 다양한 염 조성 및 실제 운전 조건에서의 선택 분리 성능과 내오염성 검증
실증 규모 장기 운전에서의 내구성, 성능 재현성 및 모듈 수준 신뢰성 확보
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
나노 다공성 그래파이트, 이의 전구체 및 이를 포함하는 전기화학 소자
10-2024-0039041 (2024.03.21)
1020240143940 (2024.10.02)
미등록 (심사 중)
정희태 (한국과학기술원), 루이즈토레스클라우디오아드리안 (한국과학기술원)
한국과학기술원