요약
고분자막을 통한 가스 분리는 에너지 효율적이고 경제적이어서 아민 스크러빙 기술을 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 일반적인 유기 고분자막은 투과성과 선택성 사이의 트레이드 오프 문제를 겪고 있습니다. 이를 해결하기 위해 혼합매트릭스막(MMM)이 대안으로 제시되었으며, 특히 금속 유기 골격체(MOF)와 고분자의 최적 계면 형성을 통해 높은 선택성과 투과성을 동시에 확보할 수 있습니다. 본 발명에서는 폴리에틸렌글리콜 및 폴리디메틸실록산 기반의 고무상 고분자와 개질된 UiO-66-NB를 통해 결함 없는 가교 공중합체를 구현하였습니다. 이는 CO2 분리를 포함한 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있으며, 에너지 효율성과 환경 보호에 기여할 수 있습니다.
기본 정보
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특허명: 기체 분리 성능이 우수한 가교 공중합체, 이를 포함하는 기체 분리막, 가교 공중합체의 제조방법 및 기체 분리막의 제조방법
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발명자: 김태현 교수
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출원번호: 10-2021-0035913
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등록번호: 10-2538338
상세 정보
발명의 배경과 필요성
기술의 배경과 문제점
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고분자막을 통한 가스 분리는 아민 스크러빙(amine scrubbing) 기술을 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있음. 고분자막은 에너지 효율적이고 저렴하며 제조 및 취급이 쉬워 가스 분리 분야에 널리 응용되고 있음.
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일반적인 유기 고분자막의 분리 성능은 투과성과 선택성 사이의 트레이드 오프 관계로 인해 분리 성능을 개선하는데 어려움이 있음.
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이 문제를 해결하기 위해 높은 선택성과 투과성을 갖춘 혼합매트릭스막(MMM)이 대안으로 떠오름. 혼합매트릭스막은 폴리머와 무기 나노입자의 결합을 통해 유기 고분자막의 한계를 극복할 수 있는 가능성이 있음.
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그러나 혼합매트릭스막에서는 고분자와 무기 충전제 사이의 최적화된 계면을 형성하는 것이 중요하며, 기체는 이 계면을 통해서만 통과해야 함.
기술의 필요성
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최근 연구에서는 금속 유기 골격체(MOF)과 고분자 간의 최적 계면 형성을 통해 가스 분리 성능을 최대화하려는 시도가 있었음. 하지만 금속 유기 골격체와 고분자를 단순히 혼합하는 것으로는 한계가 존재함.
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특히 CO2 분리의 경우 나노 크기의 가스를 분리하기 위해 고분자와 금속 유기 골격체의 조합을 최적화하는 것이 필요함.
구현방법
기술의 원리
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본 발명은 폴리에틸렌글리콜/폴리프로필렌글리콜계 디노르보르넨(PEG/PPG-DNB) 및 폴리디메틸실록산계 디노르보르넨(PDMS-DNB)을 포함한 고무상 고분자에 노르보르넨기로 개질된 금속 유기 골격체(UiO-66-NB)를 공유 결합하여 가교 공중합체를 제공함.
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공유 결합을 통해 금속 유기 골격체와 고분자 간의 상호작용을 강화하여 결함이 없는 혼합매트릭스막을 만듦. 이를 통해 높은 선택성과 투과성을 동시에 확보함.
구체적인 구현 방법
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한 예로, 폴리에틸렌글리콜/폴리프로필렌글리콜계 디노르보르넨과 폴리디메틸실록산계 디노르보르넨을 포함하는 고무상 고분자에 노르보르넨기로 개질된 금속 유기 골격체를 공유 결합하여 가교 공중합체를 제조함.
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이 과정에서는 노르보르넨 기능화된 금속 유기 골격체를 제조한 후 이를 고무상 고분자와 혼합하여 중합하는 방식으로 진행됨.
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혼합 용액을 기판 상에 캐스팅하여 기체 분리막을 제조함.
기술의 장점
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가교 공중합체는 그물망 형태의 상호 연결된 네트워크 구조를 가지며, 이를 통해 우수한 분자체 능력과 높은 열역학적 안정성을 가짐.
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막의 결정성을 감소시키고, 고분자 사슬 간 패킹 현상을 방지하여 기공 구조를 형성함으로써 기체 투과성능을 향상시킴.
발명의 활용 방안
활용 방안
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본 발명의 가교 공중합체는 기체 분리막 제조에 직접적으로 활용될 수 있음. 특히 CO2 분리와 같은 환경 문제 해결에 도움을 줄 수 있음.
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화학, 석유화학, 환경공학 등 다양한 산업 분야에서 응용 가능함. 특히, 고효율의 가스 분리 성능이 요구되는 분야에 적합함.
기대효과
기대효과
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기체 분리 성능의 획기적인 향상을 통해 기존 기술의 한계를 극복할 수 있음.
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에너지 효율성을 높이고 환경 보호에 기여할 수 있음.
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다양한 산업 분야에 적용되어 경제적 효과와 함께 환경적 긍정적 영향을 미칠 것으로 기대됨.
시장 동향
고분자막 시장 동향
금속 유기 골격체 시장 동향
가스 분리막 시장 동향
CO2 분리막 시장 동향
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