특허 개요
본 특허는 다공성 지지체와 이온교환막, 표면 소수성 코팅을 결합해 물이 부족한 조건에서도 수분 상태를 스스로 조절하는 자기-가습성 이온교환 복합막입니다. 다공성 고분자 지지체 위에 방향족 탄화수소계 이온교환막을 형성하고, 그 표면에 나노-크랙 모폴로지의 소수성 박막 코팅층을 상압 플라즈마로 반복 형성하여 물 교환은 제어하면서 이온 전도 경로는 유지하도록 설계했습니다. 이를 통해 고온·저가습 환경에서도 수화 유지와 내구성을 함께 확보하도록 한 구조입니다.
- 핵심 기능
다공성 지지체가 복합막의 기계적 강도를 받쳐 주고, 그 위의 방향족 탄화수소계 이온교환막이 이온 전달 기능을 담당합니다. 표면 소수성 박막은 나노-크랙 구조를 통해 수화와 탈수의 균형을 조절하여, 저가습 조건에서도 막 내부 수분이 급격히 빠지지 않도록 돕습니다.
- 차별 강점
기존 이온교환막은 고온 저가습에서 수화 유지와 장기 안정성을 동시에 만족시키기 어려웠고, 단일막은 팽윤으로 장기 신뢰성이 떨어지는 문제가 있었습니다. 본 특허는 다공성 지지체-이온교환막-소수성 박막의 3중 복합구조와 상압 플라즈마 반복 처리로 이러한 한계를 줄여, 자기 수화성과 내구성을 함께 확보한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 연료전지 전해질막, 고분자전해질막, 막 기반 에너지 변환, 수처리용 분리막 분야에 활용 가능하며, 고온·저가습에서 막 성능이 중요한 조건 연구에 적합합니다. 사업 측면에서는 연료전지 스택용 막재료, 수처리 분리소재, 막 기반 에너지 장치용 핵심 부품으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
실시예에서 다공성 지지체, 이온교환막, 상압 플라즈마 반복 처리 조건을 달리한 복합막을 제조하고, 수소이온전도도와 내구성, 접촉각, 팽윤 거동을 비교 평가했습니다. 고온 저가습 조건에서도 이온전도 특성과 치수 안정성이 확인되었지만, 대면적 양산 공정과 스택 장기 운전 수준의 실증은 아직 추가가 필요합니다.
- 시료: BPSH60, crosslinked BPSH60, BPSH-RPCM, PET RCM, P-PET RCM R20
- 비교군: Nafion 212, P-BPSH60 R30
- 시험 조건: 80℃/100%RH, 100℃/85%RH, 120℃/35%RH 및 상압 플라즈마 반복 처리
현재 성과
120℃, 상대습도 35% 조건에서 수소이온전도도를 유지해 고온 저가습 환경에서도 동작 가능성을 보였습니다. 또한 in-plane swelling이 낮아 치수 안정성 측면에서도 복합막 구조의 장점이 확인되었습니다.
실시예에서 80℃/100%RH, 100℃/85%RH, 120℃/35%RH 조건으로 수소이온전도도와 전류밀도, 출력밀도, 내구성을 비교했습니다. 접촉각, AFM, 팽윤 거동, 장기 구동시간도 함께 확인해 구조와 성능을 연계해 검증했습니다.
다공성 고분자 지지체, 방향족 탄화수소계 이온교환막, 나노-크랙 모폴로지의 소수성 박막 코팅층을 함께 구성한 점이 핵심입니다. 상압 플라즈마 반복 처리로 수화 제어와 내구성 확보를 동시에 노린 구조라는 점에서 기존 단일막이나 일반 복합막과 구별됩니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 복합막의 두께 균일도와 결함을 안정적으로 관리하는 연속 코팅 공정 확립
스택 조립 후 장기 운전에서의 내구성 및 지지체-이온교환막 계면 박리 검증
수처리용 분리막 등으로 확장할 때 용도별 규격과 성능 기준에 대한 추가 실증
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
자기-가습성 이온교환 복합막 및 그 제조방법
Self-humidifying ion-exchange composite membrane and preparation method thereof
10-2017-0062875 (2017.01.01)
10-1956169
이영무 (한양대학교 산학협력단), 박상현 (한양대학교 산학협력단), 문선주 (한양대학교 산학협력단), 박현진 (한양대학교 산학협력단)
한양대학교 산학협력단