특허 개요
본 특허는 알칼리 환경에서 사용할 수 있도록 만든 폴리플루오렌계 중합체 이오노머와 이를 이용한 음이온교환막 기술입니다. 플루오렌 또는 9,9'-디메틸플루오렌과 1-메틸-4-피페리돈을 강산 촉매로 축합해 폴리플루오렌계 골격을 만들고, 이어 4급 피페리디늄화하여 OH-·Cl-·CO3 2- 형태의 이온교환막으로 전환하는 방식으로 동작합니다. 골격 내 아릴 에테르 결합을 없애 알칼리 안정성을 높이고, 피페리디늄 양이온과 플루오렌 세그먼트로 이온전도도와 필름 형성성을 함께 확보합니다.
- 핵심 기능
먼저 폴리플루오렌계 중합체를 합성한 뒤, 측쇄 또는 반복단위의 피페리딘 고리를 4급화하여 음이온을 이동시키는 이온성 자리를 만듭니다. 이후 이를 막으로 캐스팅하고 이온전환 처리하여, 알칼리 조건에서 음이온을 전달하면서도 기계적으로 유지되는 분리막 또는 바인더로 사용합니다.
- 차별 강점
기존의 아릴 에테르 기반 음이온교환막은 알칼리 조건에서 결합 절단에 취약한 문제가 있었고, 일부 프로톤 교환막은 가격과 적용 환경 측면의 제약이 컸습니다. 본 특허는 아릴 에테르 결합이 없는 폴리플루오렌 골격에 피페리디늄을 도입해 안정성과 전도도를 함께 높인 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼리 연료전지, 막전극접합체(MEA), 수전해 장치, 음이온교환막 기반 바인더 개발에 활용 가능하며, 소재 조성·막 구조·전극 접합 특성 평가로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 연료전지용 막재, 전해조용 분리막, 전극 바인더, 알칼리 에너지 변환 장치용 핵심 소재로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
합성한 폴리플루오렌계 이오노머와 이를 캐스팅한 음이온교환막, 그리고 막전극접합체를 대상으로 NMR, IEC, 수분흡착, 이온전도도, 열적·기계적 물성, 현미경 분석과 연료전지 성능을 평가했습니다. 다만 대면적 막, 실셀 장기 내구성, 상용 공정 재현성은 아직 추가 검증이 필요합니다.
- 검증대상: 합성한 폴리플루오렌계 이오노머, 캐스팅한 음이온교환막, 막전극접합체
- 비교군: PBP, PTP, PFBP, PFP, PFPN, 상용 FAA-2-30, FAA-3-20, Fumion
- 검증조건: NMR, IEC, WU, SR, 이온전도도, DSC, TGA, DMA, SEM, AFM, TEM 및 연료전지 성능을 30℃～100℃, 상대습도, backpressure, 유량, H2/O2·H2/air 조건에서 평가
현재 성과
대표 막인 PFTP는 높은 온도에서 OH-와 Cl- 전도도가 모두 높게 나타나, 알칼리 연료전지용 분리막으로서의 기본 성능을 보여줍니다. 또한 CO3 2- 형태에서도 높은 온도에서 65 mS/cm 이상을 보여, 다양한 이온형태로 운용 가능성이 있습니다.
합성 이오노머와 캐스팅 막을 대상으로 구조 분석, 열분석, 기계물성, 전도도, 연료전지 성능 및 알칼리 안정성을 종합 평가했습니다. 대표 막은 80℃, 1M NaOH에서 2000시간 수준의 안정성을 보여, 막 소재로서의 실증 근거를 제시합니다.
기존 아릴 에테르 기반 음이온교환막과 달리, 본 특허는 골격 내 아릴 에테르 결합이 없는 폴리플루오렌계 구조를 채택했습니다. 여기에 반복단위 내 피페리디늄 양이온을 도입해 알칼리 안정성과 이온전도도를 동시에 노린 점이 핵심 신규성입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 막 제조와 실셀 장기 내구성의 추가 검증이 필요합니다.
상용 공정에서의 재현성과 품질 균일성 확보가 필요합니다.
장시간 고전류 밀도 운전에서의 성능 유지와 열화 메커니즘 확인이 필요합니다.
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
신규 폴리플루오렌계 중합체 이오노머, 음이온교환막
A novel polyfluorene-based ionomer, an anion exchange membrane and method for preparing the same
10-2020-0093640 (2020.01.01)
10-2938646
이영무 (한양대학교), 첸난준 (한양대학교), 왕호현 (한양대학교), 김순표 (한양대학교)
한양대학교 산학협력단