특허 개요
본 특허는 알칼리 환경에서 이온을 전달하는 음이온교환막과 그 바인더용 이오노머를 만드는 기술입니다. 아릴 에테르 결합이 없는 안정한 주쇄에 스피로비스인덴 구조와 피페리디늄 양이온기를 도입한 공중합체 이오노머를 합성하고, 이를 단독막 또는 다공성 지지체 함침 복합막으로 제조해 이온전도도, 기체투과성, 물 관리, 기계적 물성을 함께 조절합니다. 스피로비스인덴 비율, 용액 농도, 공용매 사용 조건에 따라 막 적합성과 바인더 적합성을 나눠 설계할 수 있습니다.
- 핵심 기능
단량체를 축합 중합해 공중합체를 만든 뒤 피페리디늄기를 4급화하여 음이온교환성을 부여하고, 이를 캐스팅 또는 지지체 함침으로 막 형태로 만듭니다. 이렇게 형성된 막은 OH- 또는 HCO3-를 전달하면서도 구조를 유지해 연료전지와 전기화학 장치에 쓰일 수 있습니다.
- 차별 강점
기존 음이온교환 고분자는 아릴 에테르 결합의 화학적 취약성과 낮은 장기 안정성이 문제였고, 일부 막은 전도도와 물성 사이의 균형이 충분하지 않았습니다. 본 특허는 아릴 에테르 결합을 배제한 스피로비스인덴-아릴 피페리디늄 골격으로 안정성과 전도성을 동시에 겨냥하고, 복합막과 바인더까지 같은 플랫폼으로 확장한 점이 차별적입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 알칼리 연료전지, 수전해, 이산화탄소 환원, 금속-공기 전지, 전극 바인더 설계 분야에 활용 가능하며, 막의 이온전도도·기체투과성·물성 최적화 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 AEMFC용 막·전극 바인더, 수전해 스택 부품, 전기화학 반응기용 분리막, 탄소전환 장치용 핵심 소재로 이어질 수 있습니다.
연구 개발 단계
합성된 공중합체 이오노머는 1H NMR로 목적 구조를 확인했고, 제조한 음이온교환막은 치수안정성, 기계적 물성, 이온전도도, 기체투과 및 셀 성능까지 실험적으로 검증했습니다. 다만 대량생산, 장기 내구성, 실셀 수준의 운전 검증은 아직 추가 확인이 필요합니다.
- 검증대상: PSTP, PSBP, PSDP 계열 음이온교환막·복합막
- 비교군: PFTP, PFBP 및 상용막 FAA-3-50·FAAM
- 검증조건: 캐스팅 후 1M NaHCO3 또는 1M NaOH 전환, 80℃ 셀 운전, H2/O2 공급, 상대습도 75%/100%
현재 성과
PSTP 막은 80℃에서 매우 우수한 이온전도도를 보여 알칼리 연료전지용 막으로서의 가능성을 확인했습니다. 전도도와 함께 치수안정성 및 기계적 물성도 함께 고려한 설계라는 점이 의미가 있습니다.
1H NMR로 목적 이오노머 합성을 확인했고, 제조한 막은 치수안정성·기계적 물성·이온전도도·기체투과 특성 및 단전지 성능까지 검증했습니다. H2-O2 조건의 셀 평가에서 우수한 성능이 제시되었습니다.
기존 음이온교환 고분자의 화학적 취약성을 유발하던 아릴 에테르 결합을 배제하고, 스피로비스인덴 골격과 피페리디늄기를 결합한 점이 핵심입니다. 단독막뿐 아니라 복합막과 바인더, 전기화학 장치 적용까지 같은 이오노머 플랫폼으로 제안한 점이 차별적입니다.
상용화까지 남은 부분
대량생산 공정과 스케일업 검증이 아직 추가로 필요함
장기 내구성 및 실셀 운전 조건에서의 안정성 확인이 필요함
산업체·연구기관과의 추가 성능 검증 및 상용화 조건 정리가 필요함
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 폴리(스피로비스인덴-아릴 피페리디늄) 공중합체 이오노머
Novel poly(spirobisindane-co-aryl piperidinium) ionomer, anion exchange membrane and method for preparing the same
10-2022-0009888 (2022.01.01)
10-2655117
이영무 (한양대학교)
한양대학교 산학협력단