특허 개요
본 특허는 다공성 고분자 지지체 위에 폴리플루오렌계 음이온교환막 또는 가교구조의 폴리플루오렌계 음이온교환막을 형성한 음이온교환 복합막입니다. 유기용매에 녹인 고분자 용액에 메탄올·에탄올·이소프로필알코올 같은 공용매를 2～25 중량% 첨가해 함침성을 높인 뒤 지지체에 캐스팅·건조하여 복합막을 만들고, 지지체 표면은 불소화 또는 친수화 처리해 적합성을 높일 수 있습니다. 이렇게 얻은 구조는 막의 기계적 물성, 치수안정성, 내구성과 장기안정성을 개선하는 방향으로 설계되어 있습니다.
- 핵심 기능
다공성 지지체가 기계적 뼈대 역할을 하고, 그 안에 스며든 폴리플루오렌계 음이온교환막이 이온 전달 기능을 담당합니다. 공용매는 중합체 용액의 젖음성과 침투성을 높여 지지체 내부까지 균일하게 함침되도록 돕고, 그 결과 복합막의 안정성과 제조 재현성을 높입니다.
- 차별 강점
종래 음이온교환막은 화학적 안정성, 기계적 물성, 수분 팽윤에 따른 치수안정성에서 한계가 있었고, 복합막은 지지체로의 함침 자체가 어렵다는 문제가 있었습니다. 본 특허는 폴리플루오렌계 재료와 공용매 첨가 공정을 결합해 함침성을 개선하고, 강도·안정성·양산성을 함께 높인 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼리 연료전지, 수전해, 이산화탄소 환원, 금속-공기 배터리, 막전극접합체 개발에 활용 가능하며, 음이온 전달막의 물성 개선이 필요한 분야로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 수전해 스택, 연료전지용 막재, 전해조용 핵심 부품, 전기화학 에너지 변환 장치 소재로 연결할 수 있습니다.
연구 개발 단계
실시예 1～3과 비교예 1～3을 대상으로 물성, 모폴로지, 이온교환성능, 함수율, 팽창률, 이온전도도, 연료전지 성능을 평가해 공용매 첨가와 복합화 효과를 확인했습니다. 다만 산업체 스케일업, 대량 생산, 장기 실셀 내구성, 다양한 전극·운전조건에 대한 추가 검증은 아직 필요합니다.
- 시료: 실시예 1～3 및 비교예 1～3의 음이온교환 복합막·단일막
- 비교군: 비교예 1 단일막, 비교예 2 공용매 미첨가 복합막, 비교예 3 다른 지지체 복합막, 대조군 W-PE 또는 FAA-3-50
- 시험조건: 80℃ 건조, 150℃ 진공건조, 80℃, A/C 1.3/1.3 backpressure, H2-O2 또는 H2-air(CO2 free), 75～100% RH
현재 성과
공용매를 사용해 지지체 내부로 막 용액이 더 잘 함침되도록 하면서 인장강도와 연신율이 함께 개선되었습니다. 비교예 2의 68 Mpa/30%보다 우수해, 복합막 구조가 물리적 내구성 확보에 유리함을 보여줍니다.
실시예와 비교예를 대상으로 기계적 물성, 투명도, 수분 특성, 팽창률, 이온전도도, 연료전지 성능 및 내구성을 종합 평가했습니다. 공용매 첨가 복합막은 함침성 개선, 치수안정성 향상, 연료전지 구동 중 성능 유지가 확인되었습니다.
종래 음이온교환막은 화학적 안정성, 기계적 물성, 팽윤 억제, 지지체 함침성에서 한계가 있었고, 복합막은 제조 재현성이 떨어질 수 있었습니다. 본 특허는 폴리플루오렌계 이오노머와 공용매 첨가 공정을 결합해 양산성을 높이면서도 물성과 안정성을 함께 개선한 점이 핵심 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
산업체 스케일업과 대량 생산 공정의 안정화
장기 실셀 내구성 및 다양한 전극·운전조건에서의 추가 검증
도입 대상 장치별 최적 지지체·공용매·가교 조건의 세부 최적화
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
폴리플루오렌계 음이온교환 복합막
A polyfluorene-based anion exchange composite membrane and preparation method thereof
10-2021-0168178 (2021.01.01)
10-2819450
이영무 (한양대학교 산학협력단), 첸난준 (한양대학교 산학협력단), 박종형 (한양대학교 산학협력단), 왕호현 (한양대학교 산학협력단)
한양대학교 산학협력단