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제목 세계 최초 그래핀 기반 차세대 CO₂ 분리막 개발(박호범 교수, 한양대)
작성자 KCRC 등록일 2015-01-22 조회수 8925

 
세계 최초 그래핀 기반 차세대 CO2 분리막 개발 성공

 

□  주요 내용
o 그래핀과 그래핀 유도체의 크기 조절 및 원자두께의 소재들을 새롭게 적층구조로 배열하여 배기가스 중의 이산화탄소를 선택적으로 분리할 수 있다는 것을 세계 최초로 규명함
- 기존 소재 대비 두께를 1/100이상 줄임(5 nm이하)으로써 기존 분리막과 비교해 1,000배 이상 성능이 향상된 세계 최고 수준의 CO2 분리막 소재를 개발하는 데 성공함
 
o 이번에 개발된 그래핀 기반 분리막 소재의 경우 지지체를 결합하는데 필요한 물질로, 강한 용매를 사용하지 않고 수용성 용액을 이용한 코팅 방식을 사용하는 것으로 대량생산에 매우 용이

 ※ 기존 분리막의 경우 막소재와 지지체 결합시 강한 용매를 사용하여 지지체가 용매에 녹는 문제와 분리성능 향상을 위해서는 난해한 중공사막화가 요구되어 대량생산이 용이하지 않음

 

o  또한, 세계 최초로 그래핀을 적용한 신규 분리막 원천소재와 분리막 제조기술까지 확보하여 2~3년 이내에 조기 상용화 및 기술사업화가 가능함

 

□ 연구 내용

o  그래핀 및 그래핀 옥사이드를 활용하여 이상적인 신규 분리막 소재를 기존의 연구 방법과 차별된 아이디어를 통해 대면적 규모의 새로운 그래핀 분리막 소재기술을 개발

 

o 그래핀유도체의 기체 및 액체의 투과특성은 이들 소재의 크기 및 적층구조에 크게  의존하며, 크기가 작아지고 적절한 기공 및 채널크기에서 우수한 투과특성을 갖는 것을 이론 및 실험적으로 구현

 - 크기가 약 수백나노미터인 그래핀옥사이드 적층구조의 기공 및 채널제어로 기체투과특성을 조절할 수 있는 신규 분리막모델을 제시

 - 적층된 수 나노 두께의 그래핀 및 그래핀 옥사이드의 층간 거리( <1 nm) 조절로 기체 및 액체의 선택적 투과특성을 실험적으로 증명

 

o 그래핀 및 그래핀 옥사이드의 적층구조방법을 달리하여 나노기공( 및 채널) 혹은 분자체 구조를 가지는 분리막소재를 개발하였으며, 각 적층구조에 따라 이산화탄소를 효과적으로 차단하기도, 반면 이산화탄소를 선택적으로 빠른 속도로 투과시킬 수 있는 현상을 발견

 

o 또한 개발된 그래핀옥사이드 분리막의 열처리공정을 통하여 나노수준이하의 기공을 형성하여 작은 기체분자(예: 수소)를 빠르게 투과시키고 큰 기체분자(예: 이산화탄소)를 선택적으로 차단시키는 신규 그래핀분리막의 개발에도 성공

 

 이러한 그래핀 혹은 그래핀옥사이드 분리막은 기존의 상업용 다공성 분리막에 기존에 상업적으로 흔히 사용되는 코팅방법 (예: dip coating, spray coating 및 spin coating)으로 쉽게 제조할 수 있다는 장점과 그래핀옥사이드는 대량생산이 가능하다는 장점을 가지고 있어 조기상업화에 대한 전망이 밝음

 

 

        

<그림 1> (좌) 전사방법을 통해 제조된 그래핀 분리막 PTMSP 고분자 지지체 및 그래핀 적층 횟수에 따른 그래핀 분리막 표면 사진 (우) 개발된 그래핀 분리막의 기체투과거동 모식도. 그래핀의 결정립계의 결합 부분 또는 결정립계가 만나는 부분으로 기체 분자가 투과됨

 

       

           <그림 2> 초박막 그래핀옥사이드 분리막 제조 모식도. 흑연을 박리 및 산화과정을 통해 그래핀옥사이드 제조 후 초음파 분산계를 이용하여 수계에 분산시킴. 분산되 그래핀옥사이드 수용액을 스핀코팅법으로 초박막 그래핀옥사이드 분리막을 제조함

 

  

<그림 3> 개발된 초박막 그래핀옥사이드 분리막. (좌) 제조된 그래핀옥사이드 분리막의 디지털 사진 이미지. 기존의 보고되던 분자단위의 분리막 제조공정을 벗어난 대면적 규모의 그래핀옥사이드 분리막. 상업화가 가능하도록 상업용 고분자 지지체위에 균일하게 그래핀옥사이드가 코팅됨. (우) 개발된 초박막 그래핀옥사이드 분리막 단면 사진. 고분자 지지체 위에 약 3-5nm의 유효두께를 나타냄

 

  

<그림 4> 적층구조에 따른 초박막 그래핀옥사이드 분리막의 기체투과거동 모식도. (좌) 나노기공을 갖는 그래핀옥사이드 분리막의 예상 기체투과거동 (우) 치밀구조를 갖는 그래핀옥사이드 분리막의 예상 기체투과거동

 

<그림 5> 열처리를 통한 그래핀옥사이드 분리막 기공형성 모식도. 그래핀옥사이드의 경우 낮은 열처리 온도 (약 140 oC)에서 그래핀옥사이드 내부에 산소관능기가 이산화탄소 및 일산화탄소 형태로 분해되며 기공을 형성함. 열처리로 기공이 형성된 그래핀옥사이드 분리막은 기존의 그래핀옥사이드 분리막보다 우수한 기체투과 및 선택도를 나타냄.

 

□ 기대효과

o 그래핀유도체를 활용하여 나노과학의 학문적 원리를 실제 소재기술개발에 적용한 것으로 물질의 나노기공 내 일어나는 전달현상 이해 및 나노소재 구조제어학문의 새로운 패러다임을 제시할 것을 예상

 

o  현재 분리막을 이용한 기체분리 기술은 세계 여러 나라에서 연구개발을 지속적으로 진행하고 있지만, 아직까지 상용화를 위한 기술 개발은 완성되지 않아 발전 가능성이 높으며,
 - 특히 이산화탄소 배출규제로 그 중요성 점차 증가하고 있으며 이에 따라 기체분리막 시장이 확대되고 있는 추세로 본 연구로 세계 분리막 시장 선점 및 원천 소재 기술 개발이 가능할 것으로 기대

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