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신규 지방족 사슬 함유 폴리(알킬-아릴 피페리디늄) 중합체 이오노머

TRL 6
등록

아릴 에테르 결합이 없는 지방족 사슬 함유 피페리디늄계 고분자를 만들어, 알칼리 환경에서 쓰는 음이온교환막과 복합막으로 구현하는 기술입니다. 이 막은 이온이 잘 이동하고 물 관리와 내구성도 함께 고려해, 알칼리 연료전지와 수전해 장치의 핵심 부품으로 활용할 수 있는 특허입니다.

특허 개요

본 특허는 알칼리 환경에서 쓰는 음이온교환막과 복합막을 더 안정적으로 만들기 위한 고분자 이오노머 기술입니다. 아릴 에테르 결합이 없는 폴리(알킬-아릴 피페리디늄) 구조를 합성하고, 반복단위에 지방족 사슬과 피페리디늄기를 함께 도입한 뒤 4급화하여 이온전도와 알칼리 안정성을 동시에 확보하며, 필요에 따라 다공성 지지체에 함침해 복합막으로 구현합니다.

  • 핵심 기능

디페닐알칸, 1-메틸-4-피페리돈, 아릴 화합물을 중합해 고분자 골격을 만든 뒤 4급화하여 이오노머로 전환합니다. 이렇게 얻은 이오노머를 단일막 또는 지지체 함침형 복합막으로 제조해, 수산화이온 전달과 기계적 지지 기능을 수행하게 합니다.

  • 차별 강점

기존 아릴 에테르계 음이온교환막은 알칼리 안정성과 기계적 물성에서 한계가 있었고, 수투과도와 내구성도 충분하지 않았습니다. 본 특허는 아릴 에테르 결합을 배제하고 지방족 사슬과 피페리디늄기를 결합해, 알칼리 안정성·전도도·물 관리·내구성을 함께 개선한 점이 차별점입니다.

  • 활용 범위

기술·연구 측면에서는 알칼리 연료전지, 수전해, 막전극접합체, 음이온교환 바인더, 복합막 개발 분야에 활용 가능하며, 이온전도·물관리·내구성 평가가 필요한 막 소재 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 비귀금속 촉매 기반 연료전지 스택, 수전해 전해조, MEA 소재, 고내구성 막 부품 공급 분야로 확장할 수 있습니다.

연구 개발 단계

TRL 1
기초 원리
TRL 2
개념 정립
TRL 3
개념 검증
TRL 4
실험실 검증
TRL 5
유사 환경
TRL 6
시제품
TRL 7
실증
TRL 8
인증완료
TRL 9
사업화
TRL6실험실 랩테스트와 산업체 협력 기반 스케일업 증명 단계입니다.
현재 검증 내용

합성된 PDTP 계열 이오노머와 비교막을 대상으로 물성, 가스투과, 전도도, 연료전지 성능, 내구성을 실험으로 확인했습니다. 다만 대면적 실제 제품 환경에서의 장기 실증과 양산 수준 검증은 아직 더 필요합니다.

검증 환경

- 시료: PDTP-25, PDTP-50, PDTP-75 및 PTP, PFBP 비교막
- 비교군: 상용 FAA-3-20, FAA-3-50, PFBP, PTP, 다양한 A/C AEI 및 촉매 조합
- 조건: 25～80℃, 0%～100% 상대습도, 1M NaOH 또는 1M NaHCO3 처리, AEMFC는 80℃에서 H2/O2 또는 H2-air, 0/0～2.0/2.0 bar 후방압력

현재 성과

성능·효과
알칼리 연료전지에서 높은 출력과 물 관리 적합성2.58 W cm-2

강화 지지체 없이 제조된 음이온교환막 기준으로, 80℃ 및 고전류 밀도 조건에서 높은 피크 전력밀도를 보였습니다. 또한 수투과도와 수증기 투과 특성이 함께 확보되어 물 관리 측면에서 유리한 막으로 제시됩니다.

검증·신뢰
1M NaOH 80℃ 장기 처리 후 구조 안정성 확인1500시간 이상

1M NaOH, 80℃ 조건에서 장시간 처리한 뒤에도 피페리디늄 그룹 분해가 관찰되지 않아 알칼리 안정성을 실험적으로 확인했습니다. 전도도, 기계적 물성, 연료전지 구동 성능까지 함께 평가해 막으로서의 신뢰성을 확인했습니다.

차별성·독창성
아릴 에테르 배제와 지방족 사슬 도입을 통한 신규 이오노머 구조

종래 아릴 에테르계 음이온교환막의 안정성 한계를 줄이기 위해, 본 발명은 아릴 에테르 결합이 없는 피페리디늄계 골격을 채택했습니다. 반복단위 내 지방족 사슬과 양이온기를 함께 갖는 구조로, 알칼리 안정성과 기계적 물성을 동시에 노린 점이 핵심 차별점입니다.

상용화까지 남은 부분

1

대면적 셀과 실제 운전 조건에서의 장기 내구성 추가 검증

2

산업체 스케일업에 필요한 공정 재현성 및 대량 샘플 생산 검증

3

수전해 장치와 복합막 적용에서의 실증 데이터 확대

기술 이전 형태·도입 과정

기술양도
전용실시권
통상실시권
공동 과제 수행
기술지도·자문

도입은 이렇게 진행됩니다.

1

검토 미팅

귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.

2

PoC 공동 검증

연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.

3

라이센싱 계약

PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.

4

기술지도·후속

도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.

특허 정보

발명의 명칭(KR)

신규 지방족 사슬 함유 폴리(알킬-아릴 피페리디늄) 중합체 이오노머

발명의 명칭(EN)

Novel aliphatic chain-containing poly(alkyl-aryl piperidinium) ionomer, anion exchange membrane, composite membrane and method for preparing the same

출원번호

10-2022-0009882 (2022.01.01)

등록번호

10-2716792

발명자

이영무 (한양대학교), 박종형 (한양대학교), 후추안 (한양대학교), 첸난준 (한양대학교)

출원인

한양대학교 산학협력단

문의

담당자박시우
이메일sw.park@rndcircle.io
연락처010-5585-1789