특허 개요
본 특허는 다공성 유기 고분자 내부에 아연 이온이 이동할 통로를 설계한 아연 이온 전도체와 이를 적용한 고체 전해질용 조성물입니다. 술폰기(SO3H)를 도입하고 알데하이드 반응을 추가하는 다중 후합성 기능화로 작용기 밀도를 높인 뒤, 술폰기의 양성자를 Zn 이온으로 치환하는 이온 교환 방식으로 제조합니다. 이 구조는 POP의 기공과 작용기를 활용해 Zn 이온을 수용하고 이동시키도록 설계됐습니다.
- 핵심 기능
POP 골격에 술폰기와 추가 작용기를 도입해 Zn 이온이 결합할 수 있는 부위를 형성하고, 아연염 수용액에서 이온 교환을 통해 술폰기 양성자를 Zn 이온으로 치환합니다. 기능화된 POP 전도체를 고체 전해질용 조성물에 포함시켜 아연 이온 전달 경로로 사용합니다.
- 차별 강점
기존 POP 기반 전도체는 주로 양성자 전도성에 초점이 있었고, 질량이 크고 2가인 Zn 이온의 전도도 향상 연구는 제한적이었습니다. 본 특허는 술폰화 POP의 양성자를 Zn 이온으로 바꾸고 다중 후합성 기능화를 결합해 작용기 도입량과 Zn 이온 전도 경로를 함께 설계한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 아연 이온 전도체, 고체 전해질 조성물, 습도 조건 기반 이온전도 소재 및 에너지저장장치 소재 개발에 활용 가능하며, POP 골격과 작용기 설계 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 아연 이온 배터리용 고체 전해질, 에너지저장장치 부품, 수계 아연전지용 기능성 소재 분야로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
다중 기능화 및 Zn 이온 치환 POP의 구조와 Zn 도입 여부를 IR, 고체상 ¹³C NMR, XPS, 원소분석, 암모니아 TPD로 확인하고, 임피던스 측정으로 아연 이온 전도 특성을 평가했습니다. POP 분말 기반의 전도도·이온 전달수·7일 유지 성능은 확인됐으나, 실제 아연 이온 전지 셀의 충방전 성능과 장기 수명은 검증되지 않았습니다.
- 평가 시료: 다중 기능화 및 Zn 이온 치환 POP 1(Zn), 1S(Zn), 1SCS(Zn), 1E(Zn), 1ES(Zn), 1ESCS(Zn)
- 비교 기준: 기능화 단계 및 POP 골격별 전도도, 분극화 전후 임피던스
- 전도도 조건: 백금 전극, 25℃, 상대습도 95%
- 이온 교환 조건: 1 M zinc acetate 수용액, 50℃, 각 24시간씩 2회
현재 성과
1ESCS(Zn)는 25℃, 상대습도 99%에서 해당 아연 이온 전도도를 보였습니다. 다중 기능화된 1SCS(Zn) 및 1ESCS(Zn)는 1(Zn) 및 1E(Zn) 대비 전도도가 현저하게 향상된 것으로 제시됐습니다.
1ESCS(Zn)를 대상으로 분극화 전후 임피던스 평가를 수행해 Zn 이온 전달수를 확인했습니다. 25℃, 상대습도 95% 조건에서 7일간 우수한 Zn 이온 전도도 성능 유지도 제시됐습니다.
술폰화 POP에 알데하이드 반응을 추가 적용해 작용기 밀도를 높이고, 술폰기 양성자를 Zn 이온으로 치환하는 제조 구조를 채택했습니다. 양성자 전도성 POP와 달리 Zn 이온 전도체 및 이를 포함하는 고체 전해질용 조성물을 권리화한 점이 핵심 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 아연 이온 전지 셀에서의 충방전 성능 및 전해질-전극 계면 안정성 검증
장기 수명과 반복 구동 조건에서의 전도도·이온 전달 특성 평가
저습도 조건에서의 이온전도 성능 및 환경 의존성 확인
대면적 고체 전해질 제조 공정과 스케일업 시 제조 재현성 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
다공성 유기 고분자 기반 전도체 및 이를 포함하는 고체 전해질용 조성물
10-2022-0145481 (2022.11.03)
1020230068317 (2023.05.17)
1027809680000 (2025.03.10)
홍창섭, 강민정, 강동원
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단