KR101715875B1 - Support Integrated Hydrogen Separation Membrane and Method for Manufacturing the Same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적, 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된 일체화 수소분리막을 제조함으로써, 수소선택도 및 수소투과도가 동시에 향상되고, 접착력이 우수한 균일한 고용체의 계면을 형성하여 안정된 내구성을 가진 지지체 일체화 수소분리막 및 이의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명에 따른 지지체 일체화 수소분리막은 제조 공정이 단순하고, 효율적이며, 대면적에서도 재현성이 우수하여 양산성 효과가 높아서, 수소 정제분야뿐만 아니라 수소 분리 분야인 반응 분리 동시공정(SERP), 석탄가스화 복합 발전(IGCC), 이산화탄소 포획 및 저장(CCS) 분야 등에도 폭넓게 응용될 수 있다.
The present invention relates to a hydrogen permeable membrane having improved hydrogen selectivity and hydrogen permeability at the same time by producing an integrated hydrogen separation membrane in which structural, compositional, and functional properties of a porous support composed of a metal or an alloy and a hydrogen separation layer are gradually and continuously changed Provided is a support-integrated hydrogen separation membrane having stable durability by forming an interface of a uniform solid solution having excellent adhesion and a method for producing the same.
Furthermore, the support-integrated hydrogen separation membrane according to the present invention has a simple, efficient, and highly reproducible production process with high production efficiency, and can be used not only in the field of hydrogen purification but also in the field of hydrogen separation (SERP) It can be widely applied to coal gasification combined cycle power generation (IGCC), carbon dioxide capture and storage (CCS), and the like.

Figure R1020150062794
Figure R1020150062794

Description

지지체 일체화 수소분리막 및 이의 제조방법{Support Integrated Hydrogen Separation Membrane and Method for Manufacturing the Same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a support-integrated hydrogen separation membrane and a method for manufacturing the same,

본 발명은 지지체 일체화 수소분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적, 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된 일체화수소분리막을 제조함으로써 수소투과도 및 수소선택도를 동시에 향상시킬 수 있으며, 장기간의 극한 상용화 분위기에서도 우수한 내구성을 갖는 지지체 일체화 수소분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a support-integrated hydrogen separation membrane and a method for manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a method for producing a hydrogen permeable membrane and a method for producing a hydrogen permeable membrane by simultaneously and continuously changing the structural, combinatorial, and functional properties of a porous support composed of a metal or an alloy and a hydrogen separation layer And also has excellent durability in a long-term extreme commercialization atmosphere, and a method for producing the same.

석유자원의 부족으로 인해 천연가스, 석탄 등의 화석연료 및 바이오 매스 등을 탄화수소가 포함된 합성가스로 리포밍(Reforming)하여 대체에너지로 사용하는 연구가 많이 진행되고 있다. 이와 같이 합성가스에 주로 포함되는 성분인 수소는 에너지원으로 사용될 경우 공해물질이 생성되지 않으며, 기체나 액체로 수송이 용이하게 이루어지고 고압 기체, 액체 수소 및 금속 수소화물 등의 다양한 형태로서 에너지화할 수 있는 장점들을 제공한다. Research on the use of natural gas, fossil fuels such as coal, and biomass as synthesis gas containing hydrocarbons by reforming and using it as an alternative energy due to lack of petroleum resources is going on. As such, hydrogen, a component mainly contained in syngas, is not generated when it is used as an energy source. It is easily transported to gas or liquid and can be energized in various forms such as high pressure gas, liquid hydrogen and metal hydride Provides advantages that can be achieved.

이에 따라 수소를 에너지원으로 사용하는 수소분리 및 정제공정이 주목받고 있으며, 간단한 공정구성, 높은 수소회수율, 저렴한 설치비용 및 적은 설치공간 등의 다양한 장점들을 나타내는 막 분리법은 고순도 수소 생산을 위한 가장 유망한 기술로 평가되고 있다. 특히 이러한 막 분리법 중 무기막 촉매 기술인 팔라듐 합금 수소분리막은 수소에 대한 높은 투과선택도, 우수한 열적, 화학적 및 기계적 특성들이 있어 널리 사용된다. 이러한 수소분리막 기술은 고순도 수소 제조뿐만 아니라 수소 분리 및 정제를 위한 반응분리 동시공정(Sorption Ehanced Reaction Process, SERP), 석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC), 이산화탄소 포획 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS)분야 등의 고온과 고압으로 이루어진 상용화 공정 조건에 적용 가능하며 다양한 장점들을 제공한다.Accordingly, the hydrogen separation and purification process using hydrogen as an energy source has attracted attention, and the membrane separation method showing various advantages such as a simple process configuration, a high hydrogen recovery rate, a low installation cost and a small installation space is the most promising for high purity hydrogen production Technology. Among these membrane separation processes, palladium alloy hydrogen separation membranes, which are inorganic membrane catalyst technologies, are widely used because of their high permeation selectivity to hydrogen, excellent thermal, chemical and mechanical properties. This hydrogen separation membrane technology can be used not only for the production of high purity hydrogen but also for sorption enhanced reaction process (SERP), integrated gasification combined cycle (IGCC), carbon capture and storage Storage, and CCS), and offers various advantages.

종래의 수소 분리 및 정제 등의 수소 제조공정에 사용되는 팔라듐 합금 수소분리막은 비다공성 팔라듐 합금막으로 구성되어 높은 수소 선택성을 가지기 때문에 다공성 지지체 상부에 팔라듐 합금막을 코팅하여 수소의 선택적 투과성을 향상시키기 위한 연구가 진행 중이다. 그러나 비다공성의 팔라듐 합금층을 코팅하여 수소의 선택적 투과성을 높이려는 종래의 제조방법으로는 다공성 지지체 표면의 기공상태나 표면거칠기에 따라 팔라듐 합금층이 조밀하지 않게 생성되거나, 층 내에 미세기공이나 기타의 결함들이 존재하여 높은 수소 선택성을 얻을 수 없었다. 종래의 고온 스퍼터 공정(KR 10-1176585), 구리 리플로우(US 7,875,154 B2) 및 Ag-업필링(upfilling)(KR 10-1271394) 열처리 등에 의한 제조공정은 조밀한 미세구조를 가져 분리층 합금 표면에 미세기공이나 결함을 나타내지 않아 우수한 수소분리특성을 나타내었지만, 팔라듐 코팅 합금층의 두께가 수 마이크론으로 두껍고, 지지체와 수소분리층의 계면이 조밀하여 수소투과가 용이하게 일어나기 어려운 단점이 있어 수소투과도 측면에서 큰 개선을 나타내지 못하였다. 또한, 수소 투과도를 향상시키기 위하여 종래의 최대투과조성과 열린구조에 의한 두께감소 효과의 수소분리막은 수소분리특성과 수소투과도가 동시에 향상되었지만(KR 10-1459673), 고온으로 실시된 제조공정에 의해 지지체 금속성분들이 분리막 표면으로 확산함에 따라 불안정한 고온내구성과 일련의 복잡한 공정에 의한 재현성이 낮은 특성을 나타내었다. 또한, 다공성 지지체, 계면 및 팔라듐 합금 수소분리층들이 각각 독립된 구성체를 형성함으로써 궁극적으로 수소분리투과 기능성 및 내구성들이 저하되는 분리막 특성을 나타내었다.Since the palladium alloy hydrogen separation membrane used in the conventional hydrogen production process such as hydrogen separation and purification has a high hydrogen selectivity due to the non-porous palladium alloy membrane, the palladium alloy membrane is coated on the porous support to improve the selective permeability of hydrogen Research is underway. However, in the case of a conventional manufacturing method in which a non-porous palladium alloy layer is coated to increase the selective permeability of hydrogen, the palladium alloy layer may not be formed densely depending on the pore state or surface roughness of the surface of the porous support, Defects were present, and high hydrogen selectivity could not be obtained. The manufacturing process by the conventional high temperature sputtering process (KR 10-1176585), copper reflow (US 7,875,152 B2) and Ag-up filling (KR 10-1271394) heat treatment etc. have dense microstructure, However, since the thickness of the palladium-coated alloy layer is as thick as a few microns and the interface between the support and the hydrogen separation layer is dense and hydrogen permeation is difficult to occur easily, there is a disadvantage in that hydrogen permeability But did not show any significant improvement in terms of In order to improve the hydrogen permeability, the conventional hydrogen permeable membranes having the maximum permeation composition and the open structure have improved hydrogen permeability and hydrogen permeability (KR 10-1459673). However, As the support metal components diffuse to the membrane surface, unstable high temperature durability and low reproducibility due to a series of complicated processes were exhibited. In addition, the porous support, the interface and the palladium alloy hydrogen separation layers formed independent structures, respectively, and ultimately exhibited separator characteristics in which hydrogen permeation permeability and durability were degraded.

이와 같은 종래의 기술적 배경하에서는 수소 분리 및 정제를 위한 수소분리막의 기능성뿐만 아니라 상용화를 위한 내구성 및 재현성들이 낮을 수밖에 없다는 문제점이 있다. 수소분리막 기술이 고순도 수소 제조뿐만 아니라 수소 분리 및 정제를 위한 반응분리 동시공정, 석탄가스화 복합발전, 석탄이용 연료전지발전 및 이산화탄소 포획 및 저장분야 등의 다양한 산업분야에서 효율적으로 적용되기 위해서는 수소분리막이 고온 및 고압의 상용화 환경에서 우수한 수소투과선택도 및 내구성을 필수적으로 가져야 한다.Under such conventional technical background, there is a problem that not only the functionality of the hydrogen separation membrane for hydrogen separation and purification but also durability and reproducibility for commercialization are inevitably low. In order to efficiently apply hydrogen membrane technology to various industrial fields such as high purity hydrogen production, simultaneous reaction separation for hydrogen separation and purification, coal gasification combined cycle power generation, coal-use fuel cell power generation, and CO2 capture and storage, It is essential to have excellent hydrogen permeation selectivity and durability in a high temperature and high pressure commercial environment.

이와 같이 수소투과선택도 및 내구성이 동시에 개선되기 위해서는 수소분리층의 표면 조밀화와 함께 수소투과도가 최대로 되는 팔라듐 합금막의 합금조성을 유지하면서 분리층 두께를 감소시키고 지지체 금속성분들의 표면 확산을 방지시켜야만 한다. 또한, 장기간 고온 및 고압의 상용화 공정 조건에서 상기와 같은 기능적 특성들이 유지되면서 분리막의 미세구조 및 계면 접착력 등의 구조적 및 화학적 안정성들이 일정하게 유지되어야 한다. 이와 더불어 다공성 지지체, 계면 및 수소분리층들의 구조적, 조성적, 기능적 성질들이 경사적 특성을 나타내어 향상된 내구성을 가진 일체화된 분리막으로 제조되어야 한다. 또한, 위와 같은 특성을 갖는 수소분리막이 상용화에 적용되기 위해서는 세부공정들이 상호간에 호환성이 있어야 하며, 일련의 전공정들이 단순하며 재현성이 우수하여야 하며, 금속 지지체나 분리층 합금원소 종류에 구애받지 않는 제조방식이어야 한다.
In order to simultaneously improve the hydrogen permeation selectivity and durability, it is necessary to reduce the separation layer thickness and to prevent the surface diffusion of the support metal components while maintaining the alloy composition of the palladium alloy film in which the hydrogen permeability is maximized along with the surface densification of the hydrogen separation layer . In addition, structural and chemical stability such as microstructure and interfacial adhesion of membranes must be maintained constantly while maintaining the above-mentioned functional characteristics under the conditions of commercialization of high temperature and high pressure for a long period of time. In addition, structural, functional, and functional properties of the porous support, interface, and hydrogen separation layers should be fabricated from monolithic membranes with improved durability. In order to apply hydrogen separation membranes having the above characteristics to commercialization, the detailed processes must be mutually compatible, and a series of pre-processes must be simple and excellent in reproducibility. In addition, It should be a manufacturing method.

1. KR 10-14596731. KR 10-1459673 2. KR 10-11765852. KR 10-1176585 3. US 7,875,154 B23. US 7,875,154 B2 4. KR 10-08323024. KR 10-0832302 5. KR 10-11368535. KR 10-1136853 6. KR 10-12713946. KR 10-1271394 7. US 7,255,7267. US 7,255,726

1. Formation of defect-free Pd-Cu-Ni alloy membrane on a polished porous nickel support(PNS)., S. K. Ryi, J. S. Park, S. H. Kim, D. W. Kim, K. I. Cho : J. Membr. Sci., 318 (2008) 346-3541. Formation of defect-free Pd-Cu-Ni alloy membrane on a polished porous nickel support (PNS), S. K. Ryi, J. S. Park, S. H. Kim, D. W. Kim, K. I. Cho: J. Membr. Sci., 318 (2008) 346-354 2. The effect of Cu reflow on the Pd-Cu-Ni ternary alloy membrane fabrication for infinite hydrogen separation., D. W. Kim, Y, J. Park, J. W. Moon, S. K. Ryi, J. S. Park : Thin Solid Films, 516 (2008) 3036-30442. The effect of Cu reflow on the Pd-Cu-Ni ternary alloy membrane fabrication for infinite hydrogen separation. Lee, JK Park, JW Moon, SK Lee, JS Park, 3036-3044 3. Pd-Ag membrane synthesis: The electroless and electro-plating conditions and their effect on the deposits morphology., R. Bhandari, Y. H. Ma : J. Membr. Sci., 334 (2009) 50-63 3. Pd-Ag membrane synthesis: The electroless and electro-plating conditions and their effect on the deposits morphology., R. Bhandari, Y. H. Ma: J. Membr. Sci., 334 (2009) 50-63 4. Palladium and Palladium alloy membranes for hydrogen separation and production: History, fabrication strategies, and current performance., . Hatlevik, S. K. Grade, M. K. kelling, P. M. Thoen, A. P. Davidson, J. D. Way: Sep. Purif. Technol., 73 (2010) 59-644. Palladium and Palladium alloy membranes for hydrogen separation and production: History, fabrication strategies, and current performance. Hatlevik, S. K. Grade, M. K. Kelling, P. M. Thoen, A. P. Davidson, J. D. Way: Sep. Purif. Technol., 73 (2010) 59-64 5. Development of Pd alloy hydrogen separation membranes with dense/porous hybrid structure for high hydrogen permselectivity., J. Y. Han, C. H. Kim, S. H. Kim, D. W. Kim: Advanced in Materials Science and Engineering, 438216 (2014)5. Development of Pd alloy hydrogen separation membranes with dense / porous hybrid structure for high hydrogen permselectivity. J. Y. Han, C. H. Kim, S. H. Kim, D. W. Kim: Advanced in Materials Science and Engineering, 438216 (2014) 6. Improvement in Long-term Stability of Pd alloy hydrogen separation membranes, C. H. Kim, J. H. Lee, S. T. Jo, D. W. Kim, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 48 (2015) 11-22)6. Improvement in Long-term Stability of Pd Alloy Hydrogen Separation Membranes, C. H. Kim, J. H. Lee, S. T. Jo, D. W. Kim, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 48 (2015) 11-22) 7. Inluence of substrate temperature and deposition rate on structure of thick sputtered Cu coatings., J. A. Thornton : J. Vac. Sci. Technol., 12 (1975) 830-8357. Inluence of substrate temperature and deposition rate on structure of thick sputtered Cu coatings, J. A. Thornton: J. Vac. Sci. Technol., 12 (1975) 830-835 8. Preparation and characterization of palladium-based composite membranes by electroless plating and magnetron sputtering, H.-B Zhao, G.-X. Xiong, G. V. Baron, Catalysis Today 56 (2000) 89-968. Preparation and characterization of palladium-based composite membranes by electroless plating and magnetron sputtering, H.-B Zhao, G.-X. Xiong, G. V. Baron, Catalysis Today 56 (2000) 89-96

본 발명의 목적은, 금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적, 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된 일체화 수소분리막을 제조함으로써, 향상된 수소투과선택도 및 장기간의 극한 상용화 분위기에서 우수한 내구성을 나타내는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법을 제공하고자 한다.It is an object of the present invention to provide an integrated hydrogen separation membrane in which the structural, compositional, and functional properties of a porous support composed of a metal or an alloy and a hydrogen separation layer are gradually and continuously changed to produce an inclined integrated hydrogen separation membrane, The present invention provides a method for producing a support-integrated hydrogen separation membrane that exhibits excellent durability in an extremely commercialized atmosphere.

또한, 금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적, 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된 조밀질/다공질 복합구조의 지지체 일체화 수소분리막을 제공하고자 한다.Also, it is intended to provide a support-integrated hydrogen separation membrane having a densified / porous composite structure in which structural, compositional, and functional properties of a porous support composed of a metal or an alloy and a hydrogen separation layer gradually and continuously vary.

나아가, 세부공정들이 상호간에 호환성이 있으며, 일련의 전 공정들이 단순하며 재현성이 있으며, 다공성 금속 지지체의 종류나 수소분리층의 합금 원소에 구애받지 않는 수소분리막의 제조방법을 제공하고자 한다.Further, it is intended to provide a method of manufacturing a hydrogen separation membrane which is compatible with each other, the series of preliminary processes are simple and reproducible, regardless of the kind of the porous metal support or the alloy element of the hydrogen separation layer.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 더욱 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 목적은 다공성 지지체 표면상에 수소분리층을 다중 코팅하여 지지체 일체화 수소분리막을 제조하고, 상기 제조된 지지체 일체화 수소분리막을 수소 분리 및 정제 공정에 활용함으로써 달성된다.The object of the present invention is achieved by preparing a support-integrated hydrogen separation membrane by multi-coating a hydrogen separation layer on the surface of a porous support, and utilizing the support-integrated hydrogen separation membrane thus produced in a hydrogen separation and purification process.

본 발명의 일 측면에 따르면, 금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적, 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된 일체화 수소분리막을 형성함으로써, 향상된 수소투과선택도 및 장기간의 극한 상용화 분위기에서 우수한 내구성을 나타내는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an integrated hydrogen separation membrane characterized in that structural, combinational, and functional properties of a porous support composed of a metal or an alloy and a hydrogen separation layer are gradually and continuously changed to form an inclined integrated hydrogen separation membrane, Provided is a method for producing a support-integrated hydrogen separation membrane exhibiting excellent durability in an extremely long commercialized atmosphere.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체; 다수의 개기공(開氣孔)이 형성되며, 상기 다공성 금속 지지체 상부에 형성된 계면; 및 상기 계면 상부에 형성된 팔라듐 또는 팔라듐 합금의 수소분리층을 포함하고, 상기 다공성 지지체, 계면 및 수소분리층의 구조적, 조성적 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된(gradient) 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막을 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a porous support comprising a metal or an alloy; A plurality of open pores are formed, and an interface formed on the porous metal support; And a hydrogen separation layer of a palladium or palladium alloy formed on the interface, wherein the structural, compositional, and functional properties of the porous support, the interface, and the hydrogen separation layer are gradually and continuously changed and graded And a support-integrated hydrogen separation membrane.

본 발명은, 수소 선택도 및 투과도를 동시에 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제조 공정이 단순하고, 효율적이며, 대면적에서도 재현성이 우수하여 양산성 효과가 높은 지지체 일체화 수소분리막 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.Provided is a support-integrated hydrogen separation membrane which can maximize both hydrogen selectivity and permeability at the same time, is simple, efficient in manufacturing process, excellent in reproducibility even in a large area, and has high mass productivity, and a method for manufacturing the same .

즉, 본 발명의 제조방법은, 금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체나 팔라듐 합금 수소분리층의 금속 종류에 구애받지 않으며 다공성 지지체의 복잡한 전처리 공정 없이 스퍼터 방법의 다중 코팅 및 저온 열처리 공정에 의해 다기능성 수소분리막을 제조할 수 있어 효율적이며 제조 공정을 단순화할 수 있는 이점이 있다.That is, the production method of the present invention is not limited to the metal species of the porous support or the palladium alloy hydrogen separation layer composed of the metal or the alloy, and can be applied to the porous support by multi-coating of the sputtering method and low temperature heat treatment, The separator can be manufactured, which is advantageous in that it is efficient and the manufacturing process can be simplified.

또한, 수소분리층의 조밀한 표면과 다공질의 내부구조 등의 복합구조 형성, 최대투과 포화합금 조성 및 안정한 합금과 더불어 지지체 성분들의 확산방지 특성들을 나타내고, 다공성 지지체, 계면 및 수소분리층으로 구성된 일련의 복합물(composite)층의 구조적, 조성적, 기능적 성질들이 경사적 특성을 나타내어 지지체 일체화된 수소분리막을 형성함으로써 고온 및 고압 내구성을 더욱 증진시킬 수 있다. It also exhibits a series of features consisting of a porous support, an interface and a hydrogen separation layer, exhibiting a composite structure such as a dense surface of a hydrogen separation layer and a porous internal structure, a maximum permeation saturation alloy composition, The structural, compositional and functional properties of the composite layer of the composite membrane of the present invention exhibit an inclined property to form a support-integrated hydrogen separation membrane, thereby further enhancing the high-temperature and high-pressure durability.

나아가, 본 발명에 따른 수소분리막은 고순도 수소 제조뿐만 아니라 수소 분리 및 정제공정을 위한 반응분리 동시공정, 석탄가스화 복합발전, 이산화탄소 포획 및 저장 등의 다양한 분야에서도 폭 넓게 응용될 수 있다.
Furthermore, the hydrogen separation membrane according to the present invention can be widely applied not only to high purity hydrogen production, but also to various processes such as simultaneous reaction separation for hydrogen separation and purification, coal gasification combined cycle, carbon dioxide capture and storage, and the like.

도 1은 종래 기술에 의해 제조된 수소분리막(다공성 지지체/계면/수소분리층)의 문제점 및 한계를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지체 일체화 수소분리막의 모식도 및 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 지지체 일체화 팔라듐-은 합금 수소분리막의 구조적, 조성적 및 기능적 경사 특성 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면처리 공정에 따른 다공성 금속 지지체의 표면상태를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 수소분리층의 구조적, 조성적 및 기능적 특성을 나타낸다. (a)는 복합구조(조밀/기공성) 특성을 나타내며, (b)는 안정화 합금 특성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 수소분리막 계면의 구조적, 조성적 및 기능적 특성을 나타낸다. (a)는 열린 계면을 나타내며, (b)는 확산방지/접합증진/경사기능성 계면을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 팔라듐-금 합금 수소분리막의 내구성 및 수소투과선택도 특성을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 팔라듐-은 합금 수소분리막의 내구성 및 수소투과선택도 특성을 나타낸다.
FIG. 1 shows the problems and limitations of the hydrogen separation membrane (porous support / interface / hydrogen separation layer) produced by the prior art.
FIG. 2 is a schematic view of a support-integrated hydrogen separation membrane according to an embodiment of the present invention and structural, compositional and functional inclination characteristics of a support-integrated palladium-silver alloy hydrogen separation membrane manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates a surface state of a porous metal support according to a surface treatment process according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the structural, compositional and functional properties of a hydrogen separation layer prepared according to one embodiment of the present invention. (a) shows a composite structure (dense / porous) characteristic and (b) shows a stabilized alloy characteristic.
FIG. 5 shows the structural, compositional, and functional properties of the hydrogen separation membrane interface fabricated in accordance with one embodiment of the present invention. (a) shows the open interface and (b) shows the diffusion barrier / junction enhancement / gradient functional interface.
6 shows durability and hydrogen permeation selectivity characteristics of a palladium-gold alloy hydrogen separation membrane produced according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows the durability and hydrogen permeability selectivity of a palladium-silver alloy hydrogen separation membrane produced according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and particular embodiments are illustrated in the drawings and will be described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 지지체 일체화 수소분리막 및 이의 제조방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Hereinafter, embodiments of a support-integrated hydrogen separation membrane and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like elements, And a detailed description thereof will be omitted.

또한, 설명의 편의를 위하여 각 구성에 대한 방향은 도면에 도시된 방향을 기준으로 한다. 다만, 이러한 방향을 통한 설명은 작동 상태에 대한 일례에 불과한 것으로서, 본 실시예에 따른 지지체 일체화 수소분리막 및 이의 제조방법을 한정하는 것은 아니다.
For the sake of convenience of explanation, the direction of each constitution is based on the direction shown in the figure. However, the description based on such a direction is merely an example of the operating state, and the support-integrated hydrogen separation membrane according to the present embodiment and the method for manufacturing the same are not limited.

수소분리막이 수소 정제 분야뿐만 아니라 수소분리 분야인 반응분리 동시공정, 석탄가스화 복합발전, 이산화탄소 포획 및 저장 분야 등에 폭넓게 적용되기 위해서는 수소선택도와 투과도의 기능성이 동시에 향상되어야 하며, 고온 및 고압의 상용화 분위기에서 분리막의 내구성이 개선되어야 하며, 대면적 하에서 기능적 측면의 재현성과 더불어 제조 수율도 개선되어야 하는 문제점들이 남아있다. 수소분리막의 수소선택도와 투과도는 서로가 상반된 상기 분리막의 요건을 필요로 하기 때문에 동시에 만족하기에는 어려운 과제이다. 따라서 원천적으로 합성가스를 수소분리막으로 리포밍하여 수소선택도를 중요시하는 수소 정제 분야와 수소투과도를 필요로 하는 수소 분리 분야로 구분하여 각각의 제한된 응용분야로 사용처를 모색하고 있으며, 아직까지 수소를 에너지원으로 사용하는 수소경제시대를 위한 광범위한 응용분야에 활용되기 위한 수소선택도와 투과도가 동시 향상된 수소분리막이 개발되지 못하고 있는 실정이다.In order to be widely applied not only to the hydrogen purification field but also to the hydrogen separation process, the reaction separation and simultaneous process, the coal gasification combined power generation, and the capture and storage of carbon dioxide, the hydrogen selectivity and the permeability should be improved simultaneously. The durability of the separator must be improved, and the reproducibility of the functional aspect under a large area as well as the manufacturing yield must be improved. The hydrogen selectivity and the permeability of the hydrogen separation membrane are difficult to satisfy at the same time because they require the requirements of the separation membrane which are opposite to each other. Therefore, it is necessary to refine the syngas into a hydrogen separation membrane and to separate the hydrogen separation process into the hydrogen separation process and the hydrogen separation process which require hydrogen permeability. Hydrogen separation membranes with improved hydrogen selectivity and permeability have not been developed for use in a wide range of applications for the hydrogen economy as an energy source.

수소분리막의 내구성 측면에서 보면 다공성 지지체, 계면 및 수소분리층들로 구성된 수소분리막 복합체는 각각의 세부 구성물들이 독립된 구성체를 형성하며, 상호의 물리ㆍ화학적 친화력이 부족한 금속과 세라믹 결합체로 제조되어 고온 및 고압의 상용화 분위기에서는 분리막의 내구성이 현저히 열악한 상태이다. 또한 분리막의 제조법이 복잡하면서 상호 호환성이 결여된 세부공정들로 이루어지며, 건식 및 습식 공정들로 혼합되어 구성되며, 불순물과 대기오염의 노출된 분위기에서 제조되기 때문에 분리막 제조의 재현성이 부족하여 생산 수율도 낮은 형편이다. From the viewpoint of durability of the hydrogen separation membrane, the hydrogen separation membrane complex composed of the porous support, the interface and the hydrogen separation layers is composed of the metal and the ceramic combined body, each of which constitutes an independent constituent and lacks mutual physical and chemical affinity, The durability of the separator is remarkably poor under a high-pressure commercialization atmosphere. In addition, since the production process of the separation membrane is complicated and the process is made in a lack of mutual compatibility, it is mixed with dry and wet processes and is manufactured in an exposed atmosphere of impurities and air pollution, The yield is also low.

도 1은 종래의 기술에 의해 제조된 수소분리막의 문제점 및 한계를 나타낸 것으로, 수소분리막 복합체의 구성요소인 다공성 금속 지지체, 계면 및 수소분리층들로 각각 구분하여 종래 제조방법의 문제점들을 제시하였다. 다공성 지지체는 수소분리층을 기계적으로 지지해 주는 역할(support)과 함께 다공질로 구성되어 수소 투과를 원활하게 하여야 하며, 수소분리층을 균일하게 코팅하기 위한 기판(substrate) 기능을 수행하여야 한다. 이러한 다공성 금속 지지체는 표면에 다수의 거대 기공 및 불균일하고 거친 표면조도 등을 나타내기 때문에, 상기 지지체의 표면상에 코팅된 분리막 표면은 기공들이 다수 존재함에 따라 수소선택도가 저하되며, 이들 기공들을 제거하기 위해서 두꺼운 분리층을 코팅할 경우 두께에 의한 수소투과저항이 커짐에 따라 수소투과도의 기능성이 급격히 저하된다. 따라서 다공성 지지체의 표면에 존재하는 거대기공들을 매립하고 표면 거칠음을 평탄화할 수 있는 표면처리 공정이 반드시 필요하다. 이에 수반되는 종래 기술의 문제점들을 도 1에 나타내었다. 다공성 금속 지지체의 거대 표면 기공들은 세라믹 파우더를 사용하여 매립함으로써 향후의 열처리 공정이나 고온의 상용화 분위기에서 세라믹과 금속과의 화학적 친화력이 나쁘므로 분리막이 파괴되는 문제점을 나타낸다. 또한 다공성 금속 지지체의 표면 기공도 및 크기, 표면조도들이 불균일하며, 이와 더불어 종래의 표면처리 공정들은 복잡하며 불완전하기 때문에 공정의 재현성이 매우 부족하여 분리막 제조의 한계를 나타내고 있다.FIG. 1 shows the problems and limitations of the hydrogen separation membrane manufactured by the conventional technique, and the problems of the conventional manufacturing method are shown by dividing the porous metal support, the interface and the hydrogen separation layers, which are components of the hydrogen separation membrane composite. The porous support has a role of supporting the hydrogen separation layer mechanically and is made porous so that the permeation of hydrogen is smooth and a substrate functioning to uniformly coat the hydrogen separation layer should be performed. Since such a porous metal support exhibits a large number of macropores and uneven and rough surface roughness on the surface thereof, the surface of the separation membrane coated on the surface of the support is degraded in hydrogen selectivity due to the presence of many pores, When the thick separating layer is coated to remove the hydrogen permeation resistance due to the thickness, the functionality of the hydrogen permeability is drastically lowered. Therefore, a surface treatment process which can embed macropores existing on the surface of the porous support and planarize the surface roughness is indispensable. The accompanying problems of the prior art are shown in Fig. The large surface pores of the porous metal support are buried using ceramic powder, which indicates that the separation membrane is broken due to poor chemical affinity between ceramic and metal in a future heat treatment process or a high temperature commercialization atmosphere. In addition, the surface porosity, size, and surface roughness of the porous metal support are uneven. In addition, since conventional surface treatment processes are complicated and incomplete, the reproducibility of the process is very poor and thus limits the manufacture of the separator.

수소분리층은 수소의 선택적 분리기능을 갖는 팔라듐 합금막으로 주로 구성되며, 수소선택도와 투과도의 기능성이 동시에 향상되면서 고온ㆍ고압의 상용화 분위기에서 안정된 팔라듐 합금을 유지하여야 한다. 앞에서 논한 바와 같이 수소선택도와 투과도는 서로 상반된 분리층의 요건을 필요로 하지만 이를 만족시킬 수 있는 복합층 구조의 구현이 어려우며, 또한 분리층의 미세구조 및 조성들이 열적 변화에 따라 안정하지 못하여 분리막의 내구성이 현저히 저하되는 종래 기술들의 문제점을 구체적으로 도 1에 나타내었다. The hydrogen separation layer is mainly composed of a palladium alloy membrane having a function of selectively separating hydrogen. As the hydrogen selectivity and the functionality of the permeability are improved simultaneously, a stable palladium alloy should be maintained in a high temperature and high pressure commercial atmosphere. As discussed above, hydrogen selectivity and permeability are required to be different from each other, but it is difficult to realize a multi-layer structure capable of satisfying the requirements. Also, since the microstructure and compositions of the separation layer are not stable due to thermal changes, The problem of the prior art in which the durability is remarkably reduced is specifically shown in Fig.

다공성 지지체와 수소분리층 사이에 존재하는 계면은 상기층들의 열적으로 기인한 물리ㆍ화학적 반응과 접착력을 좌우하는 중요한 부분으로서 계면 반응 여부에 따라 지지체와 분리층의 접착력, 수소투과성, 분리층의 합금조성뿐만 아니라 분리막의 내구성들에 상당한 영향을 미친다. 종래의 분리막 제조 기술 중에서 상기의 계면과 관련된 기술개발은 매우 저조한 실정이며, 이에 수반되는 근본적 문제점인 접착력 저하에 따른 분리막 파괴와 닫힌 계면 상태에 의해 수소투과도의 저항 효과를 도 1에 나타내었다.The interface between the porous support and the hydrogen separation layer is an important part that determines the thermo-physico-chemical reaction and the adhesion force of the layers, and the adhesion of the support and the separation layer, the hydrogen permeability, But also significantly affects the durability of the membrane as well as the membrane. Among the conventional membrane fabrication techniques, the technology related to the above interface is very poor. The resistance effect of hydrogen permeability due to membrane breakage and closed interface state due to deterioration of adhesion, which is a fundamental problem accompanying the above, is shown in FIG.

본 발명의 발명자들은, 다중 스퍼터링 코팅 및 저온 열처리 공정에 의해 금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적, 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된 일체화 수소분리막을 제조함으로써, 접착력이 우수한 균일한 고용체를 형성하여 수소선택도 및 수소투과도가 동시에 향상되고 안정된 내구성을 가진 지지체 일체화 수소분리막 및 이의 제조방법을 완성하였다.
The inventors of the present invention have found that by constructing an inclined integrated hydrogen separation membrane by gradually and continuously changing the structural, compositional, and functional properties of a porous support composed of a metal or an alloy and a hydrogen separation layer by a multi-sputter coating and a low temperature heat treatment process , A uniform solid solution having excellent adhesive strength is formed, and hydrogen selectivity and hydrogen permeability are improved at the same time, and a stable durability is achieved.

본 발명의 일 측면에 따르면, 금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적, 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된 일체화 수소분리막을 형성함으로써, 향상된 수소투과선택도 및 장기간의 극한 상용화 분위기에서 우수한 내구성을 나타내는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an integrated hydrogen separation membrane characterized in that structural, combinational, and functional properties of a porous support composed of a metal or an alloy and a hydrogen separation layer are gradually and continuously changed to form an inclined integrated hydrogen separation membrane, A method of manufacturing a support-integrated hydrogen separation membrane that exhibits excellent durability in an extremely long-term commercialized atmosphere can be provided.

상기 지지체 일체화 수소분리막을 제조하는 각각의 세부공정들이 상호간에 호환성을 가지며, 일련의 지지체 표면처리, 수소분리층 제조 및 합금화 열처리 공정들이 단순하며, 또한 금속 지지체나 수소분리층의 합금 원소 종류에 구애받지 않는 제조방법들로 구성되어, 종래의 제조방법에 비해 수소분리막 제조의 재현성이 우수하여 대면적의 제조 양산성을 향상시킬 수 있다.Each of the sub-processes for producing the support-integrated hydrogen separation membrane has mutual compatibility, and a series of processes of surface treatment of the support, production of a hydrogen separation layer, and alloying heat treatment processes are simple, and the alloy type of the metal support or hydrogen separation layer The production process of the hydrogen separation membrane is superior to that of the conventional production method, and mass production of large area can be improved.

또한, 상기 지지체 일체화 수소분리막은, 수소투과도 및 수소선택도의 기능성뿐만 아니라 분리막의 내구성과 제조방법의 재현성을 동시에 향상시킬 수 있다.In addition, the support-integrated hydrogen separation membrane can improve not only the functionality of hydrogen permeability and hydrogen selectivity, but also the durability of the separation membrane and the reproducibility of the production method.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 지지체 상의 금속파우더에 의한 표면 기공 매립과 프레스에 의한 표면 평탄화를 포함하는 표면처리 단계; 상온의 스퍼터 코팅에 의해 다기능성 조밀질/다공질 복합 구조 및 다층구조를 갖는 수소분리층을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 지지체 및 상기 수소분리층을 550℃ 이하의 저온에서 열처리하는 단계;를 포함하여 수소분리막의 수소투과선택도 및 내구성을 향상시킬 수 있는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법이 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of fabricating a porous substrate, comprising: a surface treatment step including surface pore filling by a metal powder on the porous support and surface planarization by pressing; Forming a hydrogen separation layer having a multi-functional dense / porous composite structure and a multi-layer structure by sputter coating at room temperature; And a step of heat-treating the porous support and the hydrogen separation layer at a low temperature of 550 ° C or less, thereby improving the hydrogen permeation selectivity and durability of the hydrogen separation membrane.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 지지체의 표면처리 단계는, 상기 다공성 지지체 표면에 존재하는 수 내지 수십 마이크로급 이상의 거대 표면기공들을 선택적으로 매립하기 위한 수 마이크로급 이하의 상기 지지체 동종 금속 파우더들의 진공매립과 상기 다공성 지지체 표면에 존재하는 수 마이크로급 이하의 미세 표면기공들을 선택적으로 매립하기 위한 나노급 구리 또는 은 파우더들의 진공매립 단계; 및 프레스를 이용한 상기 다공성 지지체 표면 평탄화 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the surface treatment step of the porous support may include a step of treating the surface of the porous support with a support microparticulate powder of not more than several microliters for selectively embedding large surface pores of several to several tens of microns or more existing on the surface of the porous support, Vacuum embedding of nanocomposite copper or silver powders for selectively embedding vacancies of the micropores and micro-surface pores of a few microns or less existing on the surface of the porous support; And a step of planarizing the surface of the porous support using a press.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 지지체의 표면처리 단계 중에 매립된 나노급 구리 또는 은 파우더들은, 이에 한정되는 것은 아니나, 후속하는 1.0×10-2torr 내지 760torr의 진공, 및 400℃ 내지 550℃의 저온 열처리에 의한 상기 나노급 파우더들의 확산, 반응, 및 재소결에 의해 미세 기공들로 구성된 열린 계면을 형성함으로써, 상기 수소분리막의 수소투과도를 증진시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the nanocomposite copper or silver powders buried during the surface treatment step of the porous support may be subjected to a subsequent vacuum of 1.0 x 10 -2 torr to 760 torr, The hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane can be improved by forming an open interface composed of micropores by diffusion, reaction, and re-sintering of the nano-sized powders by a low temperature heat treatment at 550 캜.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소분리층을 형성하는 단계는, 상온, 5.0×10-5torr 내지 5.0×10-3torr의 고진공, 120W 내지 300W의 고파워 공정 조건의 다기능성 스퍼터를 이용하여 형성되는 상기 수소분리막의 수소선택도를 극대화하기 위한 조밀질 형태의 표면구조; 및 상온, 5.0×10-3torr 내지 5.0×10-1torr의 저진공, 10W 내지 100W의 저파워 공정 조건의 다기능성 스퍼터를 이용하여 형성되는 상기 수소분리막의 수소투과도를 극대화하기 위한 내부의 다공질 구조들;로 구성된 복합구조를 선택적으로 형성하여, 수소선택도와 수소투과도를 동시에 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the hydrogen separation layer may include a step of forming a hydrogen separation layer by applying a multi-functional sputtering material at a high temperature of from 5.0 × 10 -5 torr to 5.0 × 10 -3 torr, A dense surface structure for maximizing hydrogen selectivity of the hydrogen separation membrane; And an inner porous film for maximizing the hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane formed using a multifunctional sputtering process at room temperature, a low vacuum of 5.0 × 10 -3 torr to 5.0 × 10 -1 torr, and a low power process condition of 10 W to 100 W Structures can be selectively formed to improve hydrogen selectivity and hydrogen permeability at the same time.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소분리층을 형성하는 단계는, 상온, 5.0×10-5torr 내지 5.0×10-3torr의 고진공, 120W 내지 300W의 고파워 공정 조건에서 은(Ag)을 스퍼터하여, 자체 수소분리층을 구성하고 있는 조밀질 구조의 은 코팅층을 형성하는 단계를 포함하여, 다공성 스테인리스강 또는 니켈 지지체의 주성분인 철(Fe) 또는 니켈(Ni)과, 은 성분들의 상분리 현상 및 상용화 온도에서 수소분리층의 포화조성들을 유지함으로써 새로운 재료의 확산방지막을 첨가하지 않고 지지체 성분들의 표면확산을 억제할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the hydrogen separation layer may include a step of forming silver (Ag) at a high temperature of room temperature, a high vacuum of 5.0 × 10 -5 torr to 5.0 × 10 -3 torr, (Fe) or nickel (Ni), which is a main component of the porous stainless steel or nickel support, and a silver coating layer of a dense structure constituting the self-hydrogen separation layer by sputtering, By maintaining the saturated compositions of the hydrogen separation layer at the development and commercialization temperatures, surface diffusion of the support components can be suppressed without the addition of diffusion barrier films of new materials.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소분리층을 형성하는 단계는, 상온, 5.0×10-5torr 내지 5.0×10-3torr의 고진공, 120W 내지 300W의 고파워 공정 조건, 및 상온, 5.0×10-3torr 내지 5.0×10-1torr의 저진공, 10W 내지 100W의 저파워 공정 조건에서 팔라듐 층, 및 은, 금, 구리, 니켈, 루세늄, 이트륨으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 합금용 금속 층들을 각각 조밀질 구조 및 다공질 구조의 다중 코팅층들로 그 두께를 조절하여 형성하고, 상기 저온으로 열처리하는 단계는, 이에 한정되는 것은 아니나, 1.0×10-2torr 내지 760torr의 진공, 및 400℃ 내지 550℃의 저온 열처리함으로써, 최대투과 포화합금 조성을 유지하여 상기 수소분리막의 수소투과도를 극대화시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of forming the hydrogen separation layer may include a step of forming a hydrogen separation layer by using a high-vacuum process conditions of room temperature, 5.0 x 10 -5 torr to 5.0 x 10 -3 torr, high power process conditions of 120 W to 300 W, A palladium layer and at least one alloy selected from the group consisting of silver, gold, copper, nickel, ruthenium, and yttrium under low vacuum conditions of 10 -3 torr to 5.0 10 -1 torr and low power of 10 W to 100 W The metal layers are formed by controlling the thickness of the metal layers by using a plurality of coating layers having a dense structure and a porous structure, respectively, and the heat treatment at the low temperature is performed in a vacuum of 1.0 x 10 -2 torr to 760 torr, By performing the low temperature heat treatment at 400 ° C to 550 ° C, it is possible to maximize the hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane by maintaining the maximum permeation saturated alloy composition.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상온 스퍼터링 단계 및 저온 열처리 단계에 의해 조밀질/다공질의 복합 분리층 구조, 최대투과 포화합금 조성, 확산 방지 기능을 갖는 수소분리층 및 열린 계면을 함께 형성함으로써 수소선택도 및 수소투과도를 동시에 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by forming the dense / porous composite separating layer structure, the maximum permeable saturated alloy composition, the hydrogen separation layer having the diffusion preventing function and the open interface together by the room temperature sputtering step and the low temperature heat treatment step Hydrogen selectivity and hydrogen permeability can be improved at the same time.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 지지체와 수소분리층의 일체화된 재료 특성, 호환성 있는 세부공정들로 구성된 표준화된 전공정, 및 다공성 지지체의 종류나 표면상태뿐만 아니라 수소분리층의 합금 종류에 종속받지 않는 제조방법으로 구성되어, 수소분리막 제조의 재현성과 양산성을 향상시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the integrated material characteristics of the porous support and the hydrogen separation layer, the standardized whole process composed of compatible detailed processes, and the kind and surface state of the porous support, So that reproducibility and mass productivity of the hydrogen separation membrane can be improved.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 지지체와 수소분리층의 일체화된 특성과, 접착력이 우수한 균일 고용체, 경사적인 조성, 및 상기 다공성 지지체와 수소분리층의 상호 연계 조직들로 구성된 계면 특성들에 의하여, 열적, 화학적, 및 기계적 안정성들의 내구성을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the integrated characteristics of the porous support and the hydrogen separation layer and the interfacial characteristics composed of the interconnected structures of the porous support and the hydrogen separation layer, Can improve the durability of thermal, chemical, and mechanical stability.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소분리층의 합금은, 이에 한정되는 것은 아니나, 팔라듐/은, 팔라듐/금, 팔라듐/구리, 팔라듐/니켈, 팔라듐/루세늄, 및 팔라듐/이트륨으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the alloy of the hydrogen separation layer may include, but is not limited to, palladium / silver, palladium / gold, palladium / copper, palladium / nickel, palladium / ruthenium, and palladium / One or more can be selected from the group.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 지지체의 금속은, 이에 한정되는 것은 아니나, 스테인리스강, 니켈, 바나듐, 탄탈륨, 및 티타늄으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the metal of the porous support may be selected from the group consisting of stainless steel, nickel, vanadium, tantalum, and titanium, but not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소분리막의 제조방법은 3인치 이상의 판상형 분리막 또는 10인치 이상의 튜브형 분리막에 적용이 가능하여, 대면적의 제조 양산성 및 제조공정의 효율을 향상시킬 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the method of manufacturing the hydrogen separation membrane can be applied to a plate-like separation membrane of 3 inches or more or a tubular separation membrane of 10 inches or more, thereby improving the mass production of large area and efficiency of the manufacturing process.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체; 다수의 개기공(開氣孔)이 형성되며, 상기 다공성 금속 지지체 상부에 형성된 계면; 및 상기 계면 상부에 형성된 팔라듐 또는 팔라듐 합금의 수소분리층을 포함하고, 상기 다공성 지지체, 계면 및 수소분리층의 구조적, 조성적 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된(gradient) 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막이 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a porous support comprising a metal or an alloy; A plurality of open pores are formed, and an interface formed on the porous metal support; And a hydrogen separation layer of a palladium or palladium alloy formed on the interface, wherein the structural, compositional, and functional properties of the porous support, the interface, and the hydrogen separation layer are gradually and continuously changed and graded A support-integrated hydrogen separation membrane may be provided.

상기 지지체 일체화 수소분리막은, 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화함에 따라 경사적 특성을 나타내어 수소분리막이 일체화됨으로써 종래의 분리막에 비해 열적, 화학적 및 기계적 안정성들의 내구성을 향상시킬 수 있다.The support-integrated hydrogen separation membrane exhibits an inclined property as the structural, compositional, and functional properties of the porous support and the hydrogen separation layer progressively and continuously change, so that the hydrogen separation membrane is integrated. As a result, thermal, chemical and mechanical stability It is possible to improve the durability.

본 발명의 일 실시예에 따른 지지체 일체화 수소분리막은, 상기 다공성 지지체와 수소분리층 사이에 은(Ag) 코팅층을 더 포함하여, 상기 다공성 지지체 금속의 표면확산을 억제하며, 최대투과 포화합금 조성을 유지할 수 있다.The support-integrated hydrogen separation membrane according to an embodiment of the present invention may further include a silver (Ag) coating layer between the porous support and the hydrogen separation layer to suppress the surface diffusion of the porous support metal and maintain the maximum permeation saturated alloy composition .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소분리층의 최대투과 포화합금 조성은, 이에 한정되는 것은 아니나, 중량분율로 팔라듐:은=77:23, 팔라듐:금=95:5, 또는 팔라듐:구리=60:40인 것을 특징으로 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the composition of the maximum permeable saturated alloy of the hydrogen separation layer may be, but is not limited to, palladium: silver = 77: 23, palladium: gold = 95: 5, = 60: 40.

본 발명의 일 실시예에 따른 지지체 일체화 수소분리막은, 상기 다공성 지지체와 수소분리층 사이에 상기 다공성 지지체의 금속이 상기 팔라듐 또는 팔라듐 합금에 고용되어 상기 계면에 균일 고용체를 형성할 수 있다.In the support-integrated hydrogen separation membrane according to one embodiment of the present invention, the metal of the porous support may be dissolved in the palladium or palladium alloy between the porous support and the hydrogen separation layer to form a uniform solid solution at the interface.

상기 지지체 일체화 수소분리막은, 수소 정제 분야뿐만 아니라 수소 분리 분야 등의 산업에 폭넓게 적용할 수 있다.
The support-integrated hydrogen separation membrane can be widely applied not only to the field of hydrogen purification but also to industry such as hydrogen separation field.

상기와 같은 본 발명 지지체 일체화 수소분리막 및 제조방법에 대하여 다음의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples of the support-integrated hydrogen separation membrane and method of the present invention.

[[ 실시예Example 1] One]

본 발명의 일 실시예에 따른 팔라듐-금 합금 수소분리막의 다공성 니켈 지지체 제조방법은 평균 직경 3μm의 니켈 파우더를 압축 프레스기로 500~1000 kgf/cm2 의 압력을 가하여 직경 2인치 크기의 디스크 형태로 성형 제조하였다. 압축 프레스기로 제조된 다공성 니켈 금속 지지체의 열적 안정성 및 기계적 강도를 증가시키기 위해 환원분위기에서 900℃, 2시간 동안 열처리하였다.Palladium in accordance with one embodiment of the invention the porous nickel support method of producing gold alloy hydrogen separation membrane is added to 500 to 1000 pressure kgf / cm 2 for nickel powder having an average diameter of 3μm as a compression press forming machine diameter disk form of a two-inch Molded. In order to increase the thermal stability and the mechanical strength of the porous nickel metal support produced by the compression press machine, it was heat-treated at 900 ° C for 2 hours in a reducing atmosphere.

상기 제조된 2인치 크기의 다공성 니켈 지지체들은 일정한 압력조절과 균일한 회전이 가능한 자동연마기의 시편홀더에 고정시켰다. 시편의 연마부분과 연마패드가 항상 평행하고 일정한 연마가 이루어지도록 하였으며, 연마 시 나타나는 편마모의 영향을 최소화하였다. 연마공정에서 나타나는 편마모는 상대적으로 큰 입자의 연마를 발생시켜 시편표면에 흠을 발생시키거나 표면의 균일도를 낮게 만드는 원인으로 작용하므로 본 발명에 따른 수소분리층의 복합구조의 형성을 방해하거나 수소분리층의 두께가 얇은 분리막 제조 시 표면의 기공들을 발생시키는 원인이 된다.The prepared 2 inch sized porous nickel supports were fixed to a specimen holder of an automatic polishing machine capable of constant pressure regulation and uniform rotation. The polishing part of the specimen and the polishing pad were always parallel and uniformly polished, and the influence of the uniaxial polishing during polishing was minimized. The irregular waviness appearing in the polishing process causes polishing of relatively large particles to cause scratches on the surface of the specimen surface or to lower the uniformity of the surface. Therefore, the formation of the complex structure of the hydrogen separation layer according to the present invention may be prevented, The thickness of the layer causes the surface pores to be generated during the production of the thin separation membrane.

다공성 니켈 지지체는 #1000 내지 #4000의 실리콘 카바이드 연마지를 이용하여 초기 연마(rough grinding) 공정을 통해 지지체 표면에 존재하는 표면거칠음과 이물질들을 제거하였다. The porous nickel support was subjected to a rough grinding process using # 1000 to # 4000 silicon carbide abrasive paper to remove surface roughening and foreign substances existing on the surface of the support.

연속하여 상기 초기 연마된 다공성 니켈 금속 지지체의 표면에 0.1μm 내지 5μm의 평균입도분포를 가지고, 팔라듐 합금성분과 우수한 화학적 친화력을 나타내며 지지체 금속과 동종인 니켈 금속파우더를 이물질 오염을 최소화하기 위해 DI water에만 희석하여 진공매립 방식을 통해 지지체 표면의 거대기공들을 선택적 매립하였으며, 지지체의 표면을 평탄화하였다. 다음으로 표면에 잔존하고 있는 수마이크로 이하의 미세기공들을 매립하기 위하여 0.025㎛내지 0.1㎛의 평균입도분포를 가지는 은(Ag) 나노 파우더를 탈이온수(deionized water, DI water)에 희석하여 진공매립 방식을 통해 상기의 표면 미세기공들을 매립하였다. 상기의 진공매립된 금속파우더들은 이후의 저온 열처리 공정에서 팔라듐, 지지체 및 금속 파우더 입자들이 상호확산 함에 따라 계면에서 확산반응 및 소결반응들이 활성화되어 열린구조를 용이하게 형성할 수 있다. 또한 상기의 진공매립 방식은 매립된 금속 파우더가 압력흐름에 의해 기공들 내에 순차적으로 매립되므로 종래의 파우더 매립 방식보다 간편하여 재현성이 우수한 장점을 가진다. A nickel metal powder having an average particle size distribution of 0.1 μm to 5 μm on the surface of the initially polished porous nickel metal support and exhibiting excellent chemical affinity with the palladium alloy component and having the same metal as the support metal, The macropores on the surface of the support were selectively buried through a vacuum filling method and the surface of the support was planarized. Next, in order to embed micro pores of a few micrometers or less remaining on the surface, silver (Ag) nano powder having an average particle size distribution of 0.025 탆 to 0.1 탆 was diluted with deionized water (DI water) To fill the surface micropores. The vacuum-buried metal powders can facilitate the diffusion and sintering reactions at the interface as palladium, support, and metal powder particles are diffused in a subsequent low-temperature heat treatment process to easily form an open structure. In addition, since the buried metal powder is buried in the pores sequentially by the pressure flow, the vacuum filling method has advantages such as simplicity and excellent reproducibility than the conventional powder filling method.

최종적으로 10kgf/cm2 내지 50kgf/cm2의 압력으로 2초 내지 5분 미만의 시간으로 프레스 표면 처리방식을 사용하여 지지체의 표면 평탄화를 실시하였다. 상기 프레스 평탄화 표면처리 공정은 종전의 습식 미세연마 공정에 비해 비교적 간단한 방식으로 지지체 표면상태에 구애받지 않으며 단순하며 재현성이 우수하였다.Finally, the surface of the support was planarized using a press surface treatment method at a pressure of 10 kgf / cm 2 to 50 kgf / cm 2 for less than 2 seconds to 5 minutes. The press planarization surface treatment process was relatively simple in comparison with the conventional wet micro polishing process, and was simple and reproducible regardless of the surface state of the support.

다음으로, 상기 지지체 표면처리 공정 중에 생길 수 있는 불순물 및 이물질들을 세정하기 위해서 폴리비닐알코올 브러쉬를 이용하였고, 화학적 오염물들은 NH4OH 또는 SC-1(Standard Clean-1) 용액을 사용하여 제거하였다. 마지막으로 메가소닉의 초음파를 사용하여 서브 마이크론 크기의 불순물 입자를 제거한 뒤, 약 60℃내지 약 100℃의 온도 범위에서 진공 건조기를 2시간 이상 사용하여 지지체에 흡착된 표면 불순물을 제거하였다. Next, a polyvinyl alcohol brush was used to clean impurities and foreign substances that may occur during the surface treatment of the support, and chemical contaminants were removed using NH 4 OH or SC-1 (Standard Clean-1) solution. Finally, a submicron sized impurity particle was removed using Megasonic sonication, and then a vacuum dryer was used for 2 hours or more at a temperature range of about 60 ° C to about 100 ° C to remove surface impurities adsorbed on the support.

다음, 다공성 니켈 지지체 표면의 불순물 제거 및 표면 활성화를 위해 플라즈마 표면 처리 공정을 실시하였다. 플라즈마 표면 처리는 약 1.0×10-3 torr의 기저압력과 약 1.0×10-1torr의 공정압력에서 약 30sccm(Standard Cubic Centimeter per Minutes) 내지 약 50sccm의 수소가스를 흘려주며, 상온에서 약 13.56MHz의 방전 여기 교류 전원 주파수, 약 100W 내지 약 200W의 교류 전압 또는 350W내지 약 500W의 직류 전압에서 약 5분 내지 15분 동안 상기의 다공성 니켈 금속 지지체의 표면을 개질처리하였다. 플라즈마 표면 처리 공정과 스퍼터 공정은 인-시투(in -situ) 진공 방식으로 진행되며, 스퍼터 공정은 표면처리된 다공성 니켈 금속 지지체의 상부에 팔라듐과 금 등의 금속들을 연속하여 다중코팅하였다.Next, a plasma surface treatment process was performed to remove impurities on the surface of the porous nickel substrate and to activate the surface. Plasma surface treatment is about 1.0 × 10 -3 torr of flow gives the base pressure and about 1.0 × 10 -1 torr for about 30sccm (Standard Cubic Centimeter per Minutes) to about 50sccm hydrogen gas at a process pressure of about 13.56MHz at room temperature The surface of the porous nickel metal support was modified for about 5 to 15 minutes at a discharge excitation AC power frequency of about 100 W to about 200 W alternating voltage or a direct current voltage of about 350 W to about 500 W. Plasma surface treatment process and the sputtering process is in-proceeds in situ (in -situ) the vacuum method, a sputtering process was a multi-coating to a continuous metal such as palladium and gold on top of the porous nickel metal substrate surface treated.

팔라듐 스퍼터 공정은약 10W 내지 약 100W의 직류전원, 약 10sccm 내지 약 30sccm의 아르곤 가스, 약 5.0×10-3torr 내지 약 5.0×10-1torr의 공정압력, 상온의 기판온도로 설정된 조건하에 팔라듐의 두께를 2~3μm로 코팅하는 공정을 실시하였다.Palladium sputtering process is from about 10W to about 100W of direct-current power supply, of about 10sccm to about 30sccm of argon gas, of about 5.0 × 10 -3 torr to about 5.0 × 10 -1 torr of chamber pressure, palladium, under conditions set to substrate temperature of room temperature To a thickness of 2 to 3 m.

연속적으로 지지체 금속성분의 확산방지를 위한 은 스퍼터 공정은 약 120W 내지 약 300W의 직류전원, 약 10sccm 내지 약 30sccm의 아르곤 가스, 약 5.0×10-5torr 내지 약 5.0×10-3torr의 공정압력, 상온의 기판온도로 설정된 조건하에 은의 두께를 0.1~1μm로 코팅하는 공정을 실시하였다.The silver sputter process for preventing the diffusion of the support metal component continuously includes a direct current power source of about 120 W to about 300 W, an argon gas of about 10 sccm to about 30 sccm, a process pressure of about 5.0 × 10 -5 torr to about 5.0 × 10 -3 torr , And a coating temperature of 0.1 to 1 占 퐉 in thickness of silver under a condition set at a substrate temperature of room temperature.

연속적으로 약 120W 내지 약 300W의 직류전원, 약 10sccm 내지 약 30sccm의 아르곤 가스, 약 5.0×10-5torr 내지 약 5.0×10-3torr의 공정압력, 상온의 기판온도로 설정된 조건하에 팔라듐의 두께를 1.5~2.5μm로 코팅하는 공정을 실시하였다.Continuously under the conditions set at a direct current power of about 120 W to about 300 W, an argon gas of about 10 sccm to about 30 sccm, a process pressure of about 5.0 x 10 -5 torr to about 5.0 x 10 -3 torr, and a substrate temperature of room temperature, Was coated at a thickness of 1.5 to 2.5 占 퐉.

다음으로 금 스퍼터 공정은 약 20W 내지 약 60W의 직류전원, 약 10sccm 내지 약 30sccm의 아르곤 가스, 약 5.0×10-4torr 내지 약 2.0×10-3torr의 공정압력, 상온의 기판온도로 설정된 조건하에 금의 두께를 0.1~1μm로 코팅하여, 후속 공정인 저온 열처리 공정에서 안정된 합금화 및 조밀한 미세구조를 형성할 수 있도록 미세 결정화된 금 금속 코팅막을 증착하였다.Next, the gold sputtering process is performed under conditions set at a substrate temperature of room temperature, a process gas pressure of about 5.0 × 10 -4 torr to about 2.0 × 10 -3 torr, a direct current power of about 20 W to about 60 W, an argon gas of about 10 sccm to about 30 sccm, And a microcrystallized gold metal coating film was deposited to form a stable alloyed and dense microstructure in a subsequent low temperature heat treatment process.

최종적으로 약 120W 내지 약 300W의 직류전원, 약 10sccm 내지 약 30sccm의 아르곤 가스, 약 5.0×10-5torr 내지 약 5.0×10-3torr의 공정압력, 상온의 기판온도로 설정된 조건하에 팔라듐의 두께를 0.1~1μm로 코팅하는 공정을 실시하였다.And finally setting the substrate temperature to a substrate temperature of room temperature, a direct current power of about 120 W to about 300 W, an argon gas of about 10 sccm to about 30 sccm, a process pressure of about 5.0 x 10 -5 torr to about 5.0 x 10 -3 torr, To 0.1 to 1 mu m.

상기와 같은 팔라듐 및 금 스퍼터 공정은 각 스퍼터 공정 변수에 의해 다공질 내지 조밀질 미세구조의 수소분리층을 형성함에 따라 팔라듐 합금 코팅층 표면의 상부에서 하부로 갈수록 구조적, 조성적, 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사적 특성을 나타낼 수 있도록 한다.As the hydrogen separation layer of the porous or dense fine structure is formed according to the respective sputter process parameters, the palladium and gold sputter process progressively progresses from the upper part to the lower part of the surface of the palladium alloy coating layer gradually, So that the oblique characteristic can be expressed.

스퍼터 다중코팅 공정이 완료된 후, 수소 환원 분위기의 진공 가열로에서 약 760torr(상압) 내지 1.0×10-2torr의 진공도와 팔라듐 및 금 성분들의 합금화와 수소분리층 표면 조밀화를 위해 약 400℃ 내지 500℃의 온도에서 1시간 내지 2시간 동안 저온 열처리를 공정을 실시하여 분리층의 합금화와 복합구조 형성과 함께 스퍼터 코팅된 팔라듐, 매립된 지지체 자체의 금속성분 및 매립된 금속 파우더 입자들의 반응이 활성화되어 분리막의 계면 근처에서 상호확산이 용이해짐에 따라 계면 접착력이 향상되도록 하였다.After completion of the sputter multi-coating process, a vacuum degree of about 760 torr (atmospheric pressure) to 1.0 x 10 < -2 > torr in a vacuum furnace in a hydrogen reduction atmosphere, and a temperature of about 400 & C for 1 hour to 2 hours to alloW the separation layer and to form the composite structure and the reaction of the metal components of the sputter coated palladium, the buried support itself, and the buried metal powder particles are activated The interfacial adhesion was improved by facilitating the diffusion at the interface of the separator.

이후의 500℃, 3000시간 동안의 열적 피로 및 열 충격 내구성 실험을 실시한 결과, 상기와 같이 제조된 팔라듐-금 합금 수소분리막 표면 금속성분들의 중량분율이 포화 조성을 형성함으로써 추가적인 지지체 성분의 확산이 발생하지 않았다. 또한, 분리막의 표면의 미세구조는 조밀하며 안정된 합금화를 이루었고, 수소분리층에서 조밀질 및 다공질의 복합구조를 가짐에 따라 수소투과도가 향상되어 수소투과도 및 수소선택도가 동시에 극대화되었으며, 최종적으로는 지지체 성분의 표면확산이 최소화되어 고온내구성이 향상된 수소분리막을 얻을 수 있었다.
As a result of the thermal fatigue test and the thermal shock endurance test at 500 ° C. for 3000 hours, the weight fraction of the surface metal components of the palladium-gold alloy hydrogen separation membrane prepared as described above formed a saturated composition, I did. In addition, the microstructure of the surface of the separator has been densely and steadily alloyed, and hydrogen permeability and hydrogen permeability were both maximized at the same time as the hydrogen separation layer had a composite structure of dense quality and porous structure. It was possible to obtain a hydrogen separation membrane having improved durability at a high temperature by minimizing the surface diffusion of the support component.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 수소분리막은 단순하고 재현성이 우수한 지지체 표면처리 공정, 상온 기능성 스퍼터 방식 및 저온열처리 공정 등 상호간에 호환성을 가지는 각각의 세부공정들에 의해 조밀질/다공질의 복합 박막구조, 최대투과 포화조성, 확산방지막 및 열린계면들을 복합하여 함께 형성함으로써 수소투과선택도의 기능성뿐만 아니라 분리막의 내구성과 제조방법의 재현성이 동시에 향상되었다. 또한, 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화함에 따라 경사적 특성을 나타내어 수소분리막이 일체화됨으로써 열적, 화학적 및 기계적 안정성들의 내구성이 월등하게 향상되었다.
Therefore, the hydrogen separation membrane according to an embodiment of the present invention can be applied to a hybrid thin film / porous composite membrane due to each of the detailed processes having mutual compatibility, such as a simple surface treatment, a room temperature functional sputtering method and a low temperature heat treatment process, Structure, maximum permeation saturation composition, diffusion barrier, and open interfaces together, the durability of the membrane as well as the reproducibility of the manufacturing method were improved at the same time as the functionality of the hydrogen permeability selectivity. Also, as the structural, compositional, and functional properties of the porous support and the hydrogen separation layer progressively and continuously change, they exhibit sloping characteristics, and the hydrogen separation membranes are integrated so that the durability of thermal, chemical, and mechanical stability is greatly improved.

[[ 실시예Example 2] 2]

본 발명의 일 실시예에 따른 팔라듐-은 합금 수소분리막의 제조방법은 직경 2인치 크기의 다공성 스테인리스 강 지지체(PSS-316L; Mott Metallurgical Corporation)를 사용하였다. A porous stainless steel support (PSS-316L; Mott Metallurgical Corporation) having a diameter of 2 inches was used as a manufacturing method of the palladium-silver alloy hydrogen separation membrane according to an embodiment of the present invention.

상기 2인치 크기의 다공성 스테인리스강 지지체들은 일정한 압력조절과 균일한 회전이 가능한 자동연마기의 시편홀더에 고정시켰다. 시편의 연마부분과 연마패드가 항상 평행하고 일정한 연마가 이루어지도록 하였으며, 연마 시 나타나는 편마모의 영향을 최소화하였다. 연마공정에서 나타나는 편마모는 상대적으로 큰 입자의 연마를 발생시켜 시편표면에 흠을 발생시키거나 표면의 균일도를 낮게 만드는 원인으로 작용하므로 본 발명에 따른 수소분리층의 복합구조의 형성을 방해하거나 수소분리층의 두께가 작은 분리막 제조 시 표면의 기공들을 발생시키는 원인이 된다.The 2-inch porous stainless steel supports were fixed to a specimen holder of an automatic polishing machine capable of constant pressure regulation and uniform rotation. The polishing part of the specimen and the polishing pad were always parallel and uniformly polished, and the influence of the uniaxial polishing during polishing was minimized. The irregular waviness appearing in the polishing process causes polishing of relatively large particles to cause scratches on the surface of the specimen surface or to lower the uniformity of the surface. Therefore, the formation of the complex structure of the hydrogen separation layer according to the present invention may be prevented, The thickness of the layer may cause surface pores to be generated during the production of the separation membrane.

다공성 스테인리스 강 지지체는 #1000 내지 # 4000의 실리콘 카바이드 연마지를 이용하여 초기 연마(rough grinding) 공정을 통해 지지체 표면의 표면거칠음과 이물질들을 제거하였다. The porous stainless steel support was subjected to a rough grinding process using # 1000 to # 4000 silicon carbide abrasive paper to remove surface roughness and foreign matter on the surface of the support.

연속하여 상기 미세연마된 다공성 스테인리스 강 지지체의 표면에 0.1μm 내지 5μm의 평균입도분포를 가지고, 팔라듐 합금성분과 우수한 화학적 친화력을 나타내며 지지체 금속과 동종인 스테인리스강 금속파우더들을 이물질 오염을 최소화하기 위해 DI water에만 희석하여 진공매립 방식을 통해 지지체 표면의 거대기공들을 선택적 매립하였으며, 지지체의 표면을 평탄화하였다. 다음으로 표면에 잔존하고 있는 수마이크로 이하의 미세기공들을 매립하기 위하여 0.025㎛ 내지 0.1㎛의 평균입도분포를 가지는 은(Ag) 나노 파우더를 DI water에 희석하여 진공매립 방식을 통해 상기의 표면 미세기공들을 매립하였다. 상기의 진공매립된 금속파우더들은 이후의 저온 열처리 공정에서 팔라듐, 지지체 및 금속 파우더 입자들이 상호확산함에 따라 계면에서 확산반응 및 소결반응들이 활성화되어 열린구조를 용이하게 형성할 수 있다. 또한 상기의 진공매립 방식은 매립된 금속 파우더가 압력흐름에 의해 기공들 내에 순차적으로 매립되므로 종전의 파우더 매립 방식보다 간편하여 재현성이 우수한 장점을 가진다. Stainless steel metal powders having an average particle size distribution of 0.1 μm to 5 μm on the surface of the micro-polished porous stainless steel support and exhibiting a good chemical affinity with the palladium alloy component and having the same metal as the support metal were subjected to DI water And the macro pores on the surface of the support were selectively embedded through the vacuum filling method, and the surface of the support was planarized. Next, silver (Ag) nano powder having an average particle size distribution of 0.025 탆 to 0.1 탆 is diluted in DI water to embed micro pores of several micro or less remaining on the surface, and the surface micro-pores Respectively. The vacuum-buried metal powders can facilitate the diffusion and sintering reactions at the interface as palladium, support, and metal powder particles are diffused in a subsequent low-temperature heat treatment process to easily form an open structure. In addition, since the buried metal powder is buried in the pores sequentially by the pressure flow, the vacuum filling method has advantages such as simplicity and excellent reproducibility than the conventional powder filling method.

최종적으로 10kgf/cm2 내지 50kgf/cm2의 압력으로 2초 내지 5분 미만의 시간으로 프레스 표면 처리방식을 사용하여 지지체의 표면 평탄화를 실시하였다. 상기 프레스 평탄화 표면처리 공정은 종전의 습식 미세연마 공정에 비해 비교적 간단한 방식으로 지지체 표면상태에 구애받지 않으며 단순하며 재현성이 우수하다. Finally, the surface of the support was planarized using a press surface treatment method at a pressure of 10 kgf / cm 2 to 50 kgf / cm 2 for less than 2 seconds to 5 minutes. The press planarization surface treatment process is relatively simple in comparison with the conventional wet micro polishing process, and is simple and reproducible regardless of the surface state of the support.

다음으로, 상기 지지체 표면처리 공정 중에 생길 수 있는 불순물 및 이물질들을 세정하기 위해서 폴리비닐알코올 브러쉬를 이용하였고, 화학적 오염물들은 NH4OH 혹은 SC-1 용액을 사용하여 제거하였다. 마지막으로 메가소닉의 초음파를 사용하여 서브 마이크론 크기의 불순물입자를 제거한 뒤, 약 60℃내지 약 100℃의 온도 범위에서 진공 건조기를 2시간 이상 사용하여 지지체에 흡착된 표면 불순물을 제거하였다. Next, a polyvinyl alcohol brush was used to clean impurities and foreign substances which may be formed during the surface treatment of the support, and chemical contaminants were removed using NH 4 OH or SC-1 solution. Finally, a submicron sized impurity particle was removed using Megasonic sonication, and then a vacuum dryer was used for 2 hours or more at a temperature range of about 60 ° C to about 100 ° C to remove surface impurities adsorbed on the support.

다음, 다공성 스테인리스강 지지체 표면의 불순물 제거 및 표면 활성화를 위해 플라즈마 표면 처리 공정을 실시하였다. 플라즈마 표면 처리는 약 1.0×10-3 torr의 기저압력과 약 1.0×10-1torr의 공정압력에서 약 30sccm 내지 약 50sccm의 수소가스를 흘려주며, 상온에서 약 13.56MHz의 방전 여기 교류 전원 주파수, 약 100W 내지 약 200W의 교류 전압 또는 350W내지 약 500W의 직류 전압에서 약 5분 내지 15분 동안 상기의 다공성 스테인리스 강 지지체의 표면을 개질처리하였다. 플라즈마 표면 처리 공정과 스퍼터 공정은 인-시투 진공 방식으로 진행되며, 스퍼터 공정은 표면처리된 다공성 스테인리스 강 지지체의 상부에 팔라듐과 은 금속들을 연속하여 다중코팅하였다. Next, a plasma surface treatment process was performed to remove impurities on the surface of the porous stainless steel support and to activate the surface. Plasma surface treatment is about 1.0 × 10 -3 torr with a base pressure of about 1.0 × 10 -1 torr gives the process pressure of the flow of hydrogen gas of about 30sccm to about 50sccm, a discharge of about 13.56MHz at room temperature where the AC power supply frequency, The surface of the porous stainless steel support was modified at an AC voltage of about 100 W to about 200 W or a DC voltage of about 350 W to about 500 W for about 5 to 15 minutes. The plasma surface treatment process and the sputtering process were conducted in an in-situ vacuum process, and the sputtering process continuously coated palladium and silver metals on top of the surface-treated porous stainless steel support.

팔라듐 스퍼터 공정은 약 10W 내지 약 100W의 직류전원, 약 10sccm 내지 약 30sccm의 아르곤 가스, 약 5.0×10-3torr 내지 약 5.0×10-1torr의 공정압력, 상온의 기판온도로 설정된 조건하에 팔라듐의 두께를 1~3μm로 코팅하는 공정을 실시하였다.Palladium sputtering process is from about 10W to about 100W of direct-current power supply, of about 10sccm to about 30sccm of argon gas, of about 5.0 × 10 -3 torr to about 5.0 × 10 -1 torr of chamber pressure, palladium, under conditions set to substrate temperature of room temperature To a thickness of 1 to 3 mu m.

다음으로 지지체 성분의 확산방지를 위한 은 스퍼터 공정은 약 120W 내지 약 300W의 직류전원, 약 10sccm 내지 약 30sccm의 아르곤 가스, 약 5.0×10-5torr 내지 약 5.0×10-3torr의 공정압력, 상온의 기판온도로 설정된 조건하에 은의 두께를 0.1~1μm로 코팅하는 공정을 실시하였다.The silver sputter process for preventing the diffusion of the support component is then performed using a DC power source of about 120 W to about 300 W, an argon gas of about 10 sccm to about 30 sccm, a process pressure of about 5.0 × 10 -5 torr to about 5.0 × 10 -3 torr, A step of coating the thickness of silver to 0.1 to 1 m under conditions set at a substrate temperature of room temperature.

연속적으로 팔라듐 스퍼터 공정은 약 120W 내지 약 300W의 직류전원, 약 10sccm 내지 약 30sccm의 아르곤 가스, 약 5.0×10-5torr 내지 약 5.0×10-3torr의 공정압력, 상온의 기판온도로 설정된 조건하에 팔라듐의 두께를 2~3μm로 코팅하는 공정을 실시하였다.Subsequently, the palladium sputtering process may be carried out under conditions of a direct current power of about 120 W to about 300 W, an argon gas of about 10 sccm to about 30 sccm, a process pressure of about 5.0 × 10 -5 torr to about 5.0 × 10 -3 torr, A process of coating the thickness of palladium to 2 to 3 m was carried out.

다음으로 은 스퍼터 공정은 120W 내지 약 300W의 직류전원, 약 10sccm 내지 약 30sccm의 아르곤 가스, 약 5.0×10-5torr 내지 약 5.0×10-3torr의 공정압력, 상온의 기판온도로 설정된 조건하에 은의 두께를 0.1~1μm로 코팅하는 공정을 실시하였다. 후속 공정인 저온 열처리 공정에서 안정된 합금화 및 조밀한 미세구조를 형성할 수 있도록 미세 결정화된 은 금속 코팅막을 증착하였다.The silver sputter process is then performed under conditions set at a DC power source of 120 W to about 300 W, an argon gas of about 10 sccm to about 30 sccm, a process pressure of about 5.0 x 10 -5 torr to about 5.0 x 10 -3 torr, And the thickness of silver was 0.1 to 1 m. A microcrystallized silver metal coating was deposited to form stable alloying and dense microstructure in the subsequent low temperature heat treatment process.

최종적으로 팔라듐 스퍼터 공정은 약 120W 내지 약 300W의 직류전원, 약 10sccm 내지 약 30sccm의 아르곤 가스, 약 5.0×10-5torr 내지 약 5.0×10-3torr의 공정압력, 상온의 기판온도로 설정된 조건하에 팔라듐의 두께를 0.1~1μm로 코팅하는 공정을 실시하였다.Finally, the palladium sputter process may be carried out under conditions of a direct current power of about 120 W to about 300 W, an argon gas of about 10 sccm to about 30 sccm, a process pressure of about 5.0 x 10 -5 torr to about 5.0 x 10 -3 torr, To a thickness of 0.1 to 1 mu m.

상기와 같은 팔라듐 및 은 스퍼터 공정은 각 스퍼터 공정 변수에 의해 다공질 내지 조밀질 미세구조의 수소분리층을 형성함에 따라 팔라듐 합금 코팅층 표면의 상부에서 하부로 갈수록 구조적, 조성적, 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사적 특성을 나타낼 수 있도록 한다.The above-mentioned palladium and silver sputtering processes are characterized in that the hydrogen separation layers of porous or dense fine structure are formed by the respective sputtering process parameters, and the structural, compositional and functional properties gradually increase from the upper part to the lower part of the surface of the palladium alloy coating layer, So that the oblique characteristic can be expressed.

스퍼터 다중코팅 공정이 완료된 후, 수소 환원 분위기의 진공 가열로에서 약 760torr(상압) 내지 1.0×10-2torr의 진공도와 팔라듐 및 은 성분들의 합금화와 수소분리층 표면 조밀화를 위해 약 450℃ 내지 550℃의 온도에서 1시간 내지 2시간 동안 저온 열처리를 공정을 실시하여 분리층의 합금화와 복합구조 형성과 함께 스퍼터 코팅된 팔라듐, 매립된 지지체 자체의 금속성분 및 매립된 금속 파우더 입자들의 반응이 활성화되어 분리막의 계면 근처에서 상호확산이 용이해짐에 따라 계면 접착력이 향상되도록 하였다. 또한, 은 금속성분들은 스퍼터 코팅에 의해 조밀한 중간층을 형성함에 따라 경쟁적 확산에 의해 지지체의 철 성분들이 표면으로 확산하는 것 최소화하도록 하였다. After completion of the sputter multi-coating process, a degree of vacuum of about 760 torr (atmospheric pressure) to 1.0 x 10 < -2 > torr in a vacuum furnace in a hydrogen reduction atmosphere, and an annealing temperature of about 450 & C for 1 hour to 2 hours to alloW the separation layer and to form the composite structure and the reaction of the metal components of the sputter coated palladium, the buried support itself, and the buried metal powder particles are activated The interfacial adhesion was improved by facilitating the diffusion at the interface of the separator. In addition, the silver metal components minimize the diffusion of the iron components of the support to the surface by competitive diffusion as they form a dense intermediate layer by sputter coating.

이후의 500℃, 3000시간 동안의 열적 피로 및 열 충격 내구성 실험을 실시한 결과, 상기와 같이 제조된 팔라듐-금 합금 수소분리막 표면 금속성분들의 중량분율이 포화 조성을 형성함으로써 추가적인 지지체 성분의 확산이 발생하지 않았다. 또한, 분리막의 표면의 미세구조는 조밀하며 안정된 합금화를 이루었고, 수소분리층에서 조밀질 및 다공질의 복합구조를 가짐에 따라 수소투과도가 향상되어 수소투과도 및 수소선택도가 동시에 극대화 되었으며, 최종적으로는 지지체 성분의 표면확산이 최소화 되어 고온내구성이 향상된 수소분리막을 얻을 수 있었다.
As a result of the thermal fatigue test and the thermal shock endurance test at 500 ° C. for 3000 hours, the weight fraction of the surface metal components of the palladium-gold alloy hydrogen separation membrane prepared as described above formed a saturated composition, I did. In addition, the microstructure of the surface of the separator has been densely and steadily alloyed, and hydrogen permeability and hydrogen permeability were both maximized at the same time as the hydrogen separation layer had a composite structure of dense quality and porous structure. It was possible to obtain a hydrogen separation membrane having improved durability at a high temperature by minimizing the surface diffusion of the support component.

따라서 본 발명에 의해 제조된 수소분리막은 단순하고 재현성이 우수한 지지체 표면처리 공정, 상온 기능성 스퍼터 방식 및 저온열처리 공정 등 상호간에 호환성을 가지는 각각의 세부공정들에 의해 조밀질/다공질의 복합 박막구조, 최대투과 포화조성, 확산방지막 및 열린계면들을 복합하여 함께 형성함으로써 수소투과선택도의 기능성뿐만 아니라 분리막의 내구성과 제조방법의 재현성이 동시에 향상되었다. 또한, 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화함에 따라 경사적 특성을 나타내어 수소분리막이 일체화됨으로써 열적, 화학적 및 기계적 안정성들의 내구성이 월등하게 향상되었다.
Therefore, the hydrogen separation membrane manufactured according to the present invention has a complicated thin film structure of dense / porous structure due to the respective processes which are compatible with each other, such as a simple and highly reproducible supporter surface treatment process, a room temperature functional sputtering process and a low temperature heat treatment process, By simultaneously forming the maximum permeation saturation composition, diffusion barrier and open interfaces, the durability of the membrane as well as the reproducibility of the preparation method were improved at the same time as the functionality of the hydrogen permeation selectivity. Also, as the structural, compositional, and functional properties of the porous support and the hydrogen separation layer progressively and continuously change, they exhibit sloping characteristics, and the hydrogen separation membranes are integrated so that the durability of thermal, chemical, and mechanical stability is greatly improved.

도 2는 본 발명에 따른 지지체 일체화 수소분리막의 모식도 및 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 지지체 일체화 팔라듐-은 합금 분리막의 구조적, 조성적 및 기능적 경사 특성 결과를 나타낸 것이다. 종래의 수소분리막은 이들의 구성요소인 다공성 지지체, 계면 및 수소분리층들이 각각의 독립된 구성체를 형성하여 상호간에 호환성이 부족하며 복잡한 세부공정들로 형성되며 이로 인해 분리막의 기능성 및 내구성들이 부족하여 수소 정제 및 분리 분야로 상용화하기에는 미흡한 실정이다. 본 발명은, 도 2의 모식도에서 알 수 있는 바와 같이 다공성 금속 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화함에 따라 경사적 특성을 가짐으로써 종래 기술 대비 월등히 향상된 수소투과선택도의 기능성뿐만 아니라 제조방법의 재현성이 우수하며, 또한 고온ㆍ고압의 상용화 분위기에서도 우수한 내구성을 나타낸다. 본 발명의 우수한 특성을 갖는 이유를 도 2를 통하여 자세히 설명하면 다음과 같다.FIG. 2 is a schematic view of a support-integrated hydrogen separation membrane according to the present invention and a structural, compositional, and functional inclination characteristics of the support-integrated palladium-silver alloy membrane produced according to an embodiment of the present invention. In the conventional hydrogen separation membrane, the porous support, the interface and the hydrogen separation layers constituting the conventional hydrogen separation membranes form respective independent constituents and are incompatible with each other and are formed in complicated detailed processes. As a result, the functionality and durability of the separation membrane are insufficient, It is not enough to commercialize it as a refining and separation field. As can be seen from the schematic diagram of FIG. 2, the present invention is characterized in that the structural, combinational and functional properties of the porous metal support and the hydrogen separation layer gradually change as the composition gradually changes, Not only the functionality of the selectivity but also the reproducibility of the production method is excellent and also exhibits excellent durability in a high temperature and high pressure commercial atmosphere. The reason for having excellent characteristics of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2 as follows.

첫째로 구조적 경사성에 대하여 고찰하여 보면, 기능적 스퍼터 방식을 사용하여 수소분리층의 표면은 조밀성 미세구조(dense structure)로 내부는 다공성 미세구조(porous structure)로 형성된 복합 미세구조(hybrid structure)로 구성되며, 계면은 수소투과저항 없이 원활한 수소 흐름을 위해 열린계면(open interface)구조를 형성하고 있으며, 최종적으로 다공성 금속 지지체는 열린기공들로 이루어진 다공성 미세구조(porous structure)로 구성되어 진다. 따라서 수소분리층의 표면으로 위치할수록 조밀해지며, 지지체층으로 갈수록 다공성으로 미세구조적 경사특성이 형성되었음을 도 2의 모식도와 본 발명으로 제조된 팔라듐-은 합금 수소분리막의 단면 미세구조 사진(FE-SEM)으로부터 확인할 수 있다.First, considering the structural gradient, the surface of the hydrogen separation layer is composed of a dense structure using a functional sputter system, and a hybrid structure formed of a porous structure inside And the interface forms an open interface structure for smooth hydrogen flow without hydrogen permeation resistance. Finally, the porous metal support is composed of a porous structure composed of open pores. Therefore, it can be seen that the microstructural inclination characteristic is formed with increasing porosity toward the surface of the hydrogen separation layer, and the microstructural inclination characteristic becomes more and more porous toward the support layer, and the cross-sectional microstructure photograph of the Pd- SEM).

둘째로 조성적 경사성에 대하여 고찰하여 보면, 수소분리층의 팔라듐과 은 성분들의 평균 중량분율은 77:23으로 일정하며, 팔라듐 성분이 지지체 층으로 확산하여 계면에서 다공성 스테인리스강 지지체(PSS; Porous Stainless steel Support)의 주성분인 철과 혼합하여 경사적 특성을 나타내며, 지지체 성분인 철은 수소분리층으로 확산하여 팔라듐과 고용체(solid solution)를 형성하여 계면에서 접착력을 증진시키며 은(Ag)과는 상분리가 발생하므로 고용체를 형성하지 못하고 더 이상 분리층으로의 확산은 발생하지 않는다. 따라서 상호확산들이 발생함으로써 계면에서 조성적 경사성을 나타내고 있음을 도 2의 단면 EDS 조성 결과로부터 확인할 수 있다.Secondly, considering the compositional gradient, the average weight fraction of palladium and silver components in the hydrogen separation layer is constant at 77:23, and the palladium component diffuses into the support layer, and at the interface, the porous stainless steel support (PSS: Porous Stainless Steel support is mixed with iron, which is the main component of steel, and the iron, which is a support component, diffuses into the hydrogen separation layer to form a solid solution, thereby improving the adhesion at the interface. So that solid solution can not be formed and diffusion to the separation layer no longer occurs. Therefore, it can be confirmed from the cross-sectional EDS composition results of FIG. 2 that the synergistic inclination is exhibited at the interface by mutual diffusion.

셋째로 기능적 경사성에 대하여 고찰하여 보면, 수소분리층의 경우에는 조밀질/다공질 구조의 복합 미세구조를 형성함으로써 수소선택도와 투과도를 동시에 향상시킬 수 있으며, 은과 철의 상분리를 이용한 조밀한 팔라듐/은 다중 코팅층으로부터 지지체 성분의 확산을 방지하여 최대투과 합금조성(팔라듐과 은의 중량비율은 77:23 유지)을 가짐으로써 분리층의 수소투과도를 더욱 증진시킬 수 있으며, 지지체와 분리층 간의 계면에서는 열린계면을 형성함으로써 지지체층으로 수소투과를 원활하게 해주며, 계면의 경사적 고용체를 형성함으로써 지지체와 분리층의 접착력을 증진시켜 고온ㆍ고압의 상용화 여건에서 분리막의 우수한 내구성을 가져오며 이와 더불어 분리막이 구조적, 조성적, 기능적 경사특성을 나타냄으로써 극한의 외부분위기 변화에도 안정된 분리막 기능성을 유지함에 따라 분리막의 내구성이 월등히 향상된다.Thirdly, considering the functional gradient, the hydrogen separation layer can improve the hydrogen selectivity and permeability simultaneously by forming the complex microstructure of the dense / porous structure, and the dense palladium / Can further enhance the hydrogen permeability of the separating layer by preventing the diffusion of the support component from the multiple coating layers and having the maximum permeable alloy composition (weight ratio of palladium to silver being 77:23) By forming the interface, the permeation of hydrogen through the support layer is facilitated. By forming the inclined solid solution at the interface, the adhesion between the support and the separating layer is improved, thereby providing excellent durability of the separator under high temperature and high pressure commercialization conditions. Structural, tectonic, and functional gradients are used to describe extreme external atmosphere changes The durability of the separator is significantly improved as the stable separation membrane functionality is maintained.

넷째로 구조적, 조성적, 기능적 경사 특성으로 인하여 일체화 분리막 특성을 나타내기 때문에 세부공정들이 호환성이 있으며, 각 공정들이 단순하며 다공성 금속 지지체와 수소분리층 합금 종류에 구애받지 않는 표준화 공정으로 재현성이 향상되며 이에 따른 본 발명의 지지체 일체화 수소분리막 제조의 생산성 효율이 매우 우수하여 상용화에 적합하다.
Fourth, because of its structural, compositional, and functional tilting characteristics, it is compatible with the detailed processes because it exhibits integrated membrane characteristics, and each process is simple, and the reproducibility is improved by the standardization process which is independent of the types of porous metal support and hydrogen separation layer alloys. Accordingly, the production efficiency of the support-integrated hydrogen separation membrane of the present invention is very excellent, and thus it is suitable for commercialization.

본 발명의 지지체 일체화 수소분리막의 제조 공정 및 이에 따른 특성을 고찰하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The manufacturing process and characteristics of the support-integrated hydrogen separation membrane of the present invention will be described in detail as follows.

지지체 일체화 수소분리막을 제조하기 위한 요건으로는 지지체와 수소분리층의 물리ㆍ화학적 친화력이 우수하여 일체화된 재료 특성을 가져야 한다. 따라서 수소분리층인 팔라듐 합금과의 친화력이 우수한 동종의 금속 또는 합금 성분의 지지체를 사용하여야 한다. 상기 요건을 만족하는 스테인리스강과 니켈이 대표적인 다공성 지지체로 알려져 있다. 상기의 다공성 금속 지지체는 표면에 수십 마이크로 급의 거대기공들과 함께 불균일한 거친 표면조도들을 나타낸다(도 3). 이로 인해 그 상부에 코팅된 팔라듐 합금의 수소분리층이 조밀하지 않게 생성되거나, 막층 내 기공 및 결함들이 존재하여 낮은 수소선택도를 나타낸다. 반면에 코팅된 분리막의 표면기공들을 매립하기 위하여 코팅층을 수 마이크로 두께보다 두껍게 코팅하면 분리막 두께에 반비례하는 특성을 갖는 수소투과도의 기능성이 현저히 저하된다. 따라서 거대기공들을 수 마이크로 이하로 제어함과 동시에 표면조도를 평탄화하기 위한 표면처리 공정이 반드시 필요하다. 종래의 지지체 표면처리 공정은 복잡하여 표면처리된 다공성 금속 지지체의 표면 기공도, 기공크기 및 표면거칠기가 불균일하여 재현성이 부족하며, 지지체의 표면기공 매립과 평탄화가 완벽할수록 닫힌계면 상태를 유지함에 따라 수소투과에 대한 저항역할을 하여 수소투과도를 저하시킨다. 상기의 문제점을 해결하고 일체화된 분리막 특성을 가지도록 본 발명의 표면처리 공정을 도 3에 단계적으로 나타내었다. As a requirement for the production of the support-integrated hydrogen separation membrane, the support and the hydrogen separation layer must have excellent physical and chemical affinity and have integrated material characteristics. Therefore, it is necessary to use a support of the same kind of metal or alloy which is excellent in affinity with the palladium alloy as the hydrogen separation layer. Stainless steel and nickel satisfying the above requirements are known as typical porous supports. The porous metal support exhibits uneven rough surface roughness with macropores of tens of microns in surface area (FIG. 3). This results in a dense hydrogen separation layer of palladium alloy coated on top of it, or a low hydrogen selectivity due to the presence of pores and defects in the film layer. On the other hand, if the coating layer is thicker than a few micrometers in thickness in order to embed the surface pores of the coated membrane, the functionality of the hydrogen permeability having a characteristic inversely proportional to the membrane thickness is significantly deteriorated. Therefore, a surface treatment process for controlling macropores to a few micrometers or less and planarizing the surface roughness is indispensable. The surface treatment of the conventional support surface is complicated and the surface porosity, pore size and surface roughness of the surface-treated porous metal support are not uniform and the reproducibility is insufficient. As the surface pore filling and flattening of the support are perfect, And acts as a resistance against permeation of hydrogen to lower hydrogen permeability. The surface treatment process of the present invention is shown stepwise in FIG. 3 so as to solve the above problems and to have integrated membrane characteristics.

도 3은 본 발명의 다공성 금속 지지체의 표면처리 공정에 따른 지지체의 표면상태를 나타낸 것이다. 다공성 금속 지지체의 표면에 존재하는 표면거칠음(roughness)과 이물질들을 제거하기 위하여 실리콘 카바이드 연마지를 이용한 초기 연마(rough grinding) 공정을 실시하였으며, 수십 마이크로 이상의 표면기공들을 매립하기 위하여 지지체 금속과 동종의 마이크로 파우더(스테인리스강 또는 니켈)들을 이물질 오염을 최소화하기 위해 탈이온수(deionzied water, DI water)에만 희석하여 진공매립 방식을 사용하여 상기의 거대기공들을 순차적으로 매립하였다. 동종의 금속 파우더를 사용함으로써 세라믹 파우더에 의한 팔라듐 합금 분리층과의 나쁜 친화력에 유래한 궁극적인 분리막 파괴를 방지할 수 있으며, 금속 재료의 일체화된 요건을 만족시킬 수 있다. 또한 진공매립 방식에 의한 거대기공 순으로 선택적 매립이 가능하므로 종전 매립 방식보다 재현성이 우수하다. 표면에 잔존하고 있는 수 마이크로 이하의 기공들을 구리(Cu) 또는 은(Ag) 나노 파우더들을 사용하여 상기 진공매립 방식을 사용하여 미세기공들의 선택적 매립을 진행한다. 매립된 구리와 은 나노파우더 입자들은 향후 후속 열처리에 의해 스퍼터 나노 팔라듐 입자들과의 반응 또는 지지체 입자들과의 소결반응들이 활성화되어 계면에서 열린구조를 형성함으로써 열린계면에 의한 수소투과를 원활하게 만든다. 종래의 열린계면 기술(KR 10-1459673)은 고온의 열처리 공정이 수반되며 또한 열린계면 공정이 복잡하여 재현성이 부족한데 반하여, 본 발명의 공정은 나노 구리 또는 은 입자들의 확산에 의한 단순한 공정에 의해 열린 계면을 형성하므로 재현성이 우수하다.3 shows the surface state of the support according to the surface treatment process of the porous metal support of the present invention. A rough grinding process using a silicon carbide abrasive paper was performed to remove surface roughness and foreign substances existing on the surface of the porous metal support. In order to embed surface pores having a size of several tens of micrometers or more, Powder (stainless steel or nickel) was diluted only in deionized water (DI water) to minimize foreign matter contamination, and the above large pores were sequentially filled using a vacuum embedding method. By using the same kind of metal powder, it is possible to prevent destruction of the separation membrane ultimately resulting from bad affinity with the palladium alloy separation layer by the ceramic powder, and it is possible to satisfy the integrated requirement of the metal material. In addition, since it is possible to selectively fill in the order of macropores by the vacuum embedding method, the reproducibility is superior to that of the conventional embedding method. Pores of several micrometers or less remaining on the surface are subjected to selective embedding of micropores by using the above-mentioned vacuum embedding method using copper (Cu) or silver (Ag) nano powders. The buried copper and silver nanopowder particles are then activated by subsequent heat treatment to react with the sputtered nanoparticulate particles or sinter reaction with the support particles to form an open structure at the interface thereby facilitating hydrogen permeation through the open interface . While the conventional open interfacial technology (KR 10-1459673) involves a high temperature heat treatment process and the open interfacial process is complicated and lacks reproducibility, the process of the present invention is open by a simple process by diffusion of nanoporous or silver particles Since the interface is formed, the reproducibility is excellent.

최종적으로 단순한 프레스 표면 처리 방식을 사용하여 지지체의 표면 평탄화를 실시함으로써 도 3의 공초점 레이저 현미경(CLSM; Confocal Laser Scanning Microscope) 결과로부터 알 수 있듯이 0.183μm의 우수한 평균 표면조도를 유지하였다. 상기의 프레스 평탄화 표면처리 공정은 종래의 복잡한 미세연마 습식 공정(KR 10-1459673, KR 10-1271394, KR 10-1176585)에 비해 비교적 간단한 방식으로서, 지지체 표면상태에 구애받지 않으며, 단순하며 재현성이 우수하다. 상기와 같은 평탄한 표면상태는 후속의 스퍼터 공정에 의한 균일 나노 팔라듐 핵생성을 제공할 수 있다. 본 발명의 지지체 표면처리 공정은 종래의 표면처리 공정에 비하여 금속 지지체의 표면 기공도, 기공크기 및 표면조도에 종속받지 않는 단순한 공정으로, 재현성이 우수하여 양산화에 대한 표준화 공정으로 사용이 가능하다. 또한 수소분리막의 기능성 면에서는 저온에서 열린계면 형성과 기능성 스퍼터의 나노 팔라듐 핵생성이 용이하므로 수소분리층의 수소투과선택도를 한층 향상시킬 수 있다. Finally, by performing surface flattening of the support using a simple press surface treatment method, excellent average surface roughness of 0.183 탆 was maintained as seen from the Confocal Laser Scanning Microscope (CLSM) result of Fig. The above-mentioned press planarizing surface treatment process is relatively simple in comparison with the conventional complicated fine polishing wet process (KR 10-1459673, KR 10-1271394, KR 10-1176585), it is independent of the surface state of the support and is simple and reproducible great. Such a planar surface condition can provide uniform nanopalladium nucleation by subsequent sputtering processes. The support surface treatment process of the present invention is a simple process that is not dependent on surface porosity, pore size and surface roughness of a metal support, as compared with the conventional surface treatment process, and is excellent in reproducibility and can be used as a standardization process for mass production. From the viewpoint of the functionality of the hydrogen separation membrane, the hydrogen permeation selectivity of the hydrogen separation layer can be further improved because the open interface at low temperature and nanopalladium nucleation of the functional sputter can be easily produced.

도 4는 본 발명에 의해 기능성 스퍼터 방법으로 제조된 팔라듐 합금 수소분리층의 구조적, 조성적 및 기능적 특성을 나타낸 것이다. 수소선택도 및 투과도는 서로 상반된 분리층의 요건을 필요하므로, 종래의 수소분리층에서는 상기 기능성들을 동시에 만족하기가 어렵다. 종래의 수소분리층은 코팅방법에 상관없이 일률적인 독립된 구성체(조밀질 구조 혹은 다공질 구조)를 형성하므로 수소선택도 혹은 수소투과도 중의 단지 하나만의 기능성을 선택적으로 높일 수 있기 때문에 상기 분리막은 수소 정제 및 분리 분야에 폭넓게 상용화되지 못하고 있는 실정이다. 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 기능성 마그네트론 스퍼터링 공법을 사용하여, 도 2에서 관찰한 바와 같이 각각의 기능성들(조밀질 구조, 다공질 구조, 확산방지층)을 갖는 다중코팅의 수소분리층을 제조하였다. 상온/고진공/고파워의 스퍼터를 사용하여 수소선택도의 극대화를 위한 표면의 조밀질 구조 및 상온/저진공/저파워의 스퍼터를 사용하여 수소투과도의 향상을 위한 내부의 다공질 구조로 구성된 복합(hybrid)구조를 팔라듐 합금 종류에 관계없이 선택적으로 형성하여 종래의 분리막에서는 얻을 수 없는 수소선택도 및 투과도를 동시에 향상시킬 수 있다(도 4). 또한, 새로운 재료의 확산방지막을 첨가하지 않고 자체 수소분리층의 조밀질 은(Ag) 코팅층과 스테인리스강 지지체의 주성분인 철(Fe)과의 상분리 현상을 이용한 확산방지막을 형성함으로써 지지체 성분의 확산을 억제하여 분리층의 포화조성을 유지하며, 이와 더불어 스퍼터의 단순한 코팅층 두께조절에 의한 분리층의 조성을 제어함으로써 저온 열처리에서 안정된 최대투과 합금조성을 얻을 수 있다. 도 4에서는 본 발명에 의해 제조된 팔라듐 합금 별로 최대투과 합금조성과 안정된 미세입자의 분리층을 나타내었으며, 상기 특성으로 인하여 분리막의 수소투과도 및 내구성 향상을 가져올 수 있다. 본 발명의 수소분리층 형성 공정은 종래의 공정에 비교하여 팔라듐 합금 종류에 구애받지 않으며, 스퍼터 다중 코팅에 의한 분리층의 다기능성을 제공할 수 있는 표준화 공정으로 조밀질/다공질 미세구조의 선택적 복합구조 형성이 용이하고, 확산방지막 형성과 다중 코팅 두께에 의한 최대투과 합금조성의 조절이 가능하고, 저온의 열처리 공정에서 안정된 미세구조와 합금조성을 갖는 수소분리층을 제조함으로써 수소선택도와 투과도를 동시에 향상시킬 수 있으며 상용화 여건에서도 내구성이 매우 우수하다. Figure 4 shows the structural, compositional, and functional properties of a palladium alloy hydrogen separation layer produced by a functional sputter process according to the present invention. The hydrogen selectivity and the permeability are required to satisfy the requirements of the separating layer which is contrary to each other. Since the conventional hydrogen separation layer forms a uniform independent structure (dense structure or porous structure) regardless of the coating method, the functionality of only one of hydrogen selectivity or hydrogen permeability can be selectively increased, It has not been widely commercialized in the separation field. In order to solve the above problems, a multi-coated hydrogen separation layer having respective functionalities (dense structure, porous structure, diffusion preventing layer) as shown in FIG. 2 was prepared using a functional magnetron sputtering method . A complex structure of the surface for maximizing the hydrogen selectivity using a room temperature / high vacuum / high power sputterer and a porous structure for improving the hydrogen permeability using a room temperature / low vacuum / low power sputter hybrid structure can be selectively formed irrespective of the kind of palladium alloy, and hydrogen selectivity and permeability, which can not be obtained by conventional separators, can be improved at the same time (FIG. 4). Further, the diffusion density of the self-hydrogen separation layer can be improved by forming a diffusion barrier film using a phase separation phenomenon between the (Ag) coating layer and iron (Fe), which is a main component of the stainless steel support, And the composition of the separation layer is controlled by controlling the thickness of the coating layer of the sputter. Thus, a stable maximum transmission alloy composition can be obtained in the low-temperature heat treatment. FIG. 4 shows the maximum permeable alloy composition and stable fine particle separation layer for each palladium alloy produced according to the present invention, and the hydrogen permeability and durability of the separator can be improved due to the above characteristics. The hydrogen separation layer forming process according to the present invention is a standardization process that can provide multifunctionality of the separation layer by sputter multi coating regardless of the kind of the palladium alloy as compared with the conventional process and can be used as a selective combination of dense / It is possible to improve the hydrogen selectivity and permeability simultaneously by forming a hydrogen separation layer which is easy to structure, can form a diffusion barrier, control the maximum permeable alloy composition by multiple coating thickness, and has stable microstructure and alloy composition in a low temperature heat treatment process. And it has excellent durability even under commercialization conditions.

도 5는 본 발명에 의해 제조된 수소분리막 계면의 구조적, 조성적 및 기능적 특성을 나타낸 것이다. 수소분리막은 다공성 지지체 상에 수소분리층인 팔라듐 합금막이 코팅된 복합체로 구성되어 있기 때문에 상기 층들의 경계로 나타나는 계면은 분리막의 기능성뿐만 아니라 내구성 특성에 매우 중요한 영향을 미친다. 상기 계면에 대한 기술개발은 아직까지 미진한 상태이며 본 발명자들에 의해서만 일부 문헌에 발표된 상태이다(특허: KR 10-1459673, KR 10-1271394, 논문: Development of Pd alloy hydrogen separation membranes with dense/porous hybrid structure for high hydrogen permselectivity., J. Y. Han, C. H. Kim, S. H. Kim, D. W. Kim: Advanced in Materials Science and Engineering, 438216 (2014), Improvement in Long-term Stability of Pd alloy hydrogen separation membranes, C. H. Kim, J. H. Lee, S. T. Jo, D. W. Kim, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 48 (2015) 11-22)FIG. 5 shows the structural, compositional, and functional properties of the hydrogen separation membrane interface fabricated by the present invention. Since the hydrogen separation membrane is composed of a porous support coated with a palladium alloy membrane, which is a hydrogen separation layer, the interface represented by the boundaries of the layers has a very important influence on not only the functionality but also the durability characteristics of the membrane. The development of the interface has not been developed until now and it has been published in some literatures only by the present inventors (patent: KR 10-1459673, KR 10-1271394, papers: Development of Pd alloy hydrogen separation membranes with dense / porous J Kim, SH Kim, DW Kim: Advanced in Materials Science and Engineering, 438216 (2014), Improvement in Long-term Stability of Pd Alloy Hydrogen Separation Membranes, CH Kim, JH Lee , ST Jo, DW Kim, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 48 (2015) 11-22)

다공성 지지체에 수소선택도의 기능성 향상을 가져오는 조밀한 팔라듐 박막을 형성하기 위해서는 앞에서 전술한 바와 같이 지지체의 표면처리 공정을 통하여 지지체 표면의 기공매립과 평탄도를 유지하여야만 한다. 상기와 같은 표면처리 공정과 조밀한 팔라듐 박막층 때문에 분리막의 계면은 닫혀 있는 상태로 형성되어 수소분리층에서 지지체로 수소가 이동할 때 계면에서 수소투과의 저항역할을 하여 수소투과를 억제한다. 따라서 수소투과도를 높이기 위해서는 계면구조가 다수의 기공상태를 가진 열린구조로 형성되어야만 한다. 본 발명자들에 의해 지지체 미세입자들과 팔라듐 미세입자들의 고온 반응 활성화를 통하여 열린계면을 형성하여 수소투과도를 향상시키는 공정기술을 개발하였다 (특허: KR 10-1459673, 논문: Development of Pd alloy hydrogen separation membranes with dense/porous hybrid structure for high hydrogen permselectivity., J. Y. Han, C. H. Kim, S. H. Kim, D. W. Kim: Advanced in Materials Science and Engineering, 438216 (2014)). 닫힌 계면의 분리막에 비해 열린계면에 의해 형성된 분리막은 같은 분리층 두께에서 2배이상의 수소투과도를 나타내었으나, 고온의 열처리 공정을 필요로 하며 또한 공정의 재현성이 부족하므로 수소분리막 제조의 상용화 공정으로 사용되기 위해서는 상기와 같은 문제점들을 개선하여야 한다. In order to form a dense palladium thin film which improves the functionality of hydrogen selectivity on the porous support, the pore filling and flatness of the support surface must be maintained through the surface treatment process of the support as described above. Due to the surface treatment process and the dense palladium thin layer, the interface of the separation membrane is formed in a closed state, and when the hydrogen moves from the hydrogen separation layer to the support, it acts as a resistance of hydrogen permeation at the interface, thereby suppressing hydrogen permeation. Therefore, in order to increase hydrogen permeability, the interface structure must be formed into an open structure having a plurality of pore states. The present inventors have developed a process technology for improving the hydrogen permeability by forming an open interface through the activation of the high temperature reaction of the support fine particles and the palladium fine particles (Patent: KR 10-1459673, Development of Pd alloy hydrogen separation membranes with dense / porous hybrid structure for high hydrogen permselectivity., JY Han, CH Kim, SH Kim, DW Kim: Advanced in Materials Science and Engineering, 438216 (2014)). The separation membrane formed by the open interface compared to the closed interface exhibited a hydrogen permeability of more than 2 times at the same separation layer thickness, but it requires a high-temperature heat treatment process and also lacks the reproducibility of the process. The above problems must be solved.

상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 본 발명은 상술한 바와 같이 지지체의 표면처리 공정 중에 나노 구리 또는 은 파우더들을 표면의 미세기공들에 매립하여 후속의 저온 열처리에 의한 상기 나노 파우더들의 확산, 반응 및 재소결에 의해 미세기공들의 열린계면을 형성함으로써 표면개질 공정에 의해서도 매립되지 않은 지지체 표면에 잔존하는 미세기공들과 함께 수소투과를 원활하게 하여 수소투과도의 향상을 가져올 수 있다. 본 발명의 일 실시예 따라 제조된 대표적인 팔라듐-은, 팔라듐-금 및 팔라듐-구리 합금 분리막의 열린계면을 도 5에 나타내었으며, 계면의 도처에서 많은 미세기공들이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 본 발명의 일 실시예 따라 제조된 열린계면 공정은 550℃ 이하의 저온에서 형성이 가능하며 다공성 금속 지지체나 팔라듐 합금 종류에 종속받지 않으며 단순공정으로 재현성이 높으므로 향후의 상용화 공정에 응용이 가능하다. In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is characterized in that the nanoporous or silver powders are buried in the micro pores of the surface during the surface treatment process of the support as described above, and the diffusion, By forming the open interface of the fine pores by sintering, permeation of hydrogen can be smoothly carried out along with the fine pores remaining on the surface of the support which is not buried even by the surface modification step, and the hydrogen permeability can be improved. The open interface of the representative palladium-silver, palladium-gold and palladium-copper alloy separator prepared according to one embodiment of the present invention is shown in FIG. 5, and it can be confirmed that many fine pores are formed all over the interface. The open interface process manufactured according to one embodiment of the present invention can be formed at a low temperature of 550 ° C or less and is not dependent on the porous metal support or the palladium alloy and is highly reproducible by a simple process so that it can be applied to future commercialization processes .

또한 계면 상태는 지지체와 수소분리층의 접착력에 중요한 역할을 하므로 수소분리막이 상용화될 때 내구성에 상당한 영향을 미친다. 본 발명의 가장 중요한 특징은 일체화된 금속 혹은 합금을 사용하여 균일 고용체를 형성하며, 구조적, 조성적 및 기능적 경사특성을 이룸으로써 수소분리막의 내구성을 한층 향상시키는데 목적이 있다. 상기 분리막의 계면은 도 5에서 관찰되듯이 저온 열처리에 의해 다공성 금속 지지체와 수소분리층 간에 균일 고용체의 경사적 접합계면(PNS(Porous Nickel Support)의 경우에는 팔라듐-니켈 접합 고용체 계면을 형성하며, PSS(Porous Stainless steel Support)의 경우에는 팔라듐-철 접합 고용체 계면이 형성됨)을 형성하여 계면 접착력이 증진되며 이로 인해 분리막의 내구성이 고온ㆍ고압의 극한 상용화 분위기에서도 크게 향상된다.Also, the interfacial state plays an important role in the adhesion between the support and the hydrogen separation layer, so that the hydrogen separation membrane has a considerable influence on the durability when it is commercialized. The most important characteristic of the present invention is to form a homogeneous solid solution by using an integrated metal or alloy, and to improve the durability of the hydrogen separation membrane by making structural, compositional and functional inclination characteristics. As shown in FIG. 5, the interface of the separation membrane is formed by a low-temperature heat treatment to form a palladium-nickel bonded solid solution interface in the case of PNS (Porous Nickel Support) between the porous metal support and the hydrogen separation layer, PSS (Porous Stainless Steel Support) forms a palladium-iron bonded solid solution interface, thereby enhancing the interfacial adhesion, and thus the durability of the separator is greatly improved even in an extremely commercialized atmosphere of high temperature and high pressure.

본 발명의 지지체 일체화된 수소분리막은 다공성 지지체, 계면 및 수소분리층의 구조적, 조성적, 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화함에 따라 경사적 특성을 가짐으로써 향상된 수소투과선택도의 기능성뿐만 아니라 고온ㆍ고압의 상용화 여건에서도 우수한 내구성을 갖는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 의해 제조된 상기 지지체 일체화된 수소분리막은 기능성뿐만 아니라 안정성과 내구성을 확인하기 위하여 도 6에 나타낸 바와 같이 500℃의 고온 상용화 온도에서 3000시간 동안 열적 내구성 실험을 실시하였다. 도 6(a)에 나타낸 바와 같이 200시간 마다 반복적 500℃/RT(상온) 열적 피로 및 심한 열 충격을 가해주었으며, 각 1000, 2000 및 3000 시간 마다 팔라듐-금 합금 수소분리막의 표면 미세구조(FE-SEM), 합금구조(XRD) 및 표면조성(EDS)들의 결과를 도 6(b), (c), (d)에 나타내었다. 도 6의 결과로부터 확인되었듯이, 고온 분위기 상태에서도 3000 시간 동안 지지체와 수소분리층의 일체화된 특성에 의해 상기 분리막의 미세구조가 미소한 변화 없이 안정하였으며, 또한 고온에서도 지지체 성분들의 확산 없이 평균 조성도 안정적으로 고투과의 포화조성 합금 농도를 유지하여 상기 분리막이 매우 안정된 팔라듐-금 합금 분리막임을 알 수 있었다.The support membrane of the present invention has an inclined characteristic as the porous support, the interface, and the hydrogen separation layer progressively and continuously change their structural, functional and functional properties, thereby improving not only the functionality of the hydrogen permeation selectivity, And has excellent durability even under high-pressure commercialization conditions. In order to confirm not only functionality but also stability and durability, the support-integrated hydrogenated membrane produced by the present invention was subjected to a thermal durability test at a high temperature commercialization temperature of 500 ° C for 3,000 hours as shown in FIG. As shown in FIG. 6 (a), thermal fatigue at 500 ° C / RT (room temperature) was repeatedly repeated every 200 hours, and severe thermal shock was applied thereto. The surface microstructure of the hydrogen- -SEM), the alloy structure (XRD) and the surface composition (EDS) are shown in Figs. 6 (b), (c) and (d). As can be seen from the results of FIG. 6, the microstructure of the separator was stable without minute changes owing to the integrated characteristics of the support and the hydrogen separation layer during 3000 hours at high temperature, It was confirmed that the separation membrane was a very stable palladium-gold alloy separation membrane by maintaining the saturation compositional alloy concentration of high permeability stably.

상기 팔라듐-금 합금 수소분리막의 장기간에 따른 수소투과선택도 특성을 확인하기 위해 각각 수소와 질소 가스를 주입시키면서 6.8 atm, 500℃의 상용화 공정 조건에서 수소투과도 및 질소투과도를 3000시간 동안 측정한 결과를 도 6(e)에 나타내었다. 상기의 결과로부터 알 수 있듯이, 상기 분리막은 초기에는 2.07 ×10-6 mol s-1 m-2 Pa-1로 우수한 수소투과도를 나타내었으며, 질소는 측정 장비의 오차범위 내에서 감지되지 않아 수소선택도는 매우 우수한 것으로 판명되었다. 3000시간 동안 연속적으로 측정된 수소 및 질소투과도들은 초기 측정값과 비교하여 거의 변화가 미미하여 본 발명의 상기 분리막은 안정된 수소투과선택도의 기능성을 나타내었다.In order to confirm the hydrogen permeation selectivity of the palladium-gold alloy hydrogen separation membrane over a long period of time, hydrogen permeability and nitrogen permeability were measured for 3000 hours at a temperature of 6.8 atm and 500 ° C. under hydrogenation and nitrogen gas injection, respectively Is shown in Fig. 6 (e). As can be seen from the above results, the separator initially showed excellent hydrogen permeability at 2.07 × 10 -6 mol s -1 m -2 Pa -1 and nitrogen was not detected within the error range of the measuring equipment, It proved to be very good. The hydrogen and nitrogen permeabilities measured continuously for 3000 hours were almost insignificant compared with the initial measured values, so that the separator of the present invention exhibited stable hydrogen permeability selectivity.

위의 결과로부터 상기의 지지체 일체화된 팔라듐-금 합금 수소분리막은 구조적, 조성적 및 기능적 경사특성에 의해 상기의 도 2에서 전술한 바와 같이 초박막 두께를 갖는 수소분리층의 조밀질/다공질 복합구조, 최대수소투과 합금조성, 접착력이 우수한 열린계면 구조 및 안정된 미세구조와 조성적 특성들에 의해 수소선택도와 수소투과도의 동시 향상을 가져올 수 있었으며, 분리막의 내구성 또한 증진되었다.From the above results, the support-integrated palladium-gold alloy hydrogen separation membrane has a dense / porous composite structure of a hydrogen separation layer having an ultra-thin thickness as described above with reference to FIG. 2 due to structural, Simultaneous enhancement of hydrogen selectivity and hydrogen permeability could be achieved by the maximum hydrogen permeable alloy composition, open interface structure with excellent adhesion, stable microstructure and coordination properties, and membrane durability was also improved.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열적 피로 및 열 충격의 내구성 실험을 상기 도 6과 동일하게 실시하여 팔라듐-은 합금 수소분리막의 미세구조, 표면조성 및 수소투과선택도의 변화를 3000시간 동안 나타낸 것이다. 도 6에서와 같은 방법으로 각 1000, 2000 및 3000 시간마다 팔라듐-은 합금 수소분리막의 표면 미세구조, 합금구조, 표면조성 및 수소투과선택도를 도 7에 상세히 도시하였다. 도 7의 FE-SEM, XRD, EDS들의 결과로부터 알 수 있듯이, 극한의 열 충격 분위기에서도 3000시간 동안 지지체와 분리층의 일체화된 특성에 의해 상기 분리막의 미세구조가 일체의 변형이나 파괴 없이 안정하였으며, 또한 고온에서도 지지체 성분들의 확산 없이 평균조성도 안정적으로 고투과의 포화조성합금농도(팔라듐:은=77:23 중량분율)를 유지하여 상기 분리막이 매우 안정된 팔라듐-은 합금막으로 이루어졌음을 확인할 수 있었다.FIG. 7 is a graph showing changes in microstructure, surface composition, and hydrogen permeation selectivity of a palladium-silver alloy hydrogen separation membrane in 3000 hours . The surface microstructure, alloy structure, surface composition, and hydrogen permeation selectivity of the palladium-silver alloy hydrogen separation membrane at 1000, 2000, and 3000 hours are shown in FIG. As can be seen from the results of the FE-SEM, XRD and EDS of FIG. 7, the microstructure of the separator was stable without any deformation or destruction due to the integrated characteristics of the support and the separating layer during 3000 hours in an extreme heat shock environment , And it was confirmed that the separator was made of a palladium-silver alloy film having a very stable saturation compositional alloy concentration (palladium: silver = 77: 23 weight fraction) without any diffusion of support components even at high temperatures there was.

상기의 팔라듐-은 합금 수소분리막의 3000시간에 따른 수소투과선택도 특성을 확인하기 위해 도 6에서와 같은 방법으로 실시한 결과를 도 7(e)에 나타내었다. 상기의 결과로부터 확인되듯이, 상기 분리막은 초기에는 2.307×10-6 mol s-1 m-2 Pa- 1 로 우수한 수소투과도를 나타내었으며, 질소는 거의 감지되지 않아 무한대의 매우 우수한 수소선택도를 얻을 수 있었다. 또한, 3000시간 동안 연속적으로 측정된 수소 및 질소투과도들은 초기의 측정값과 비교하여 거의 변화가 없이 일정하였으며, 이로 인해 본 발명으로 제조된 수소분리막에서 획득된 수소투과선택도의 기능성이 매우 안정적임을 알 수 있었다.In order to confirm the hydrogen permeation selectivity characteristic of the palladium-silver alloy hydrogen separation membrane over 3000 hours, the results are shown in FIG. 7 (e). As will be found from the result of the above, the separation membrane is initially 2.307 × 10 -6 mol s -1 m -2 Pa - 1 exhibited a high hydrogen permeability, the nitrogen will hardly sense the excellent hydrogen selectivity of infinity . In addition, the hydrogen and nitrogen permeabilities measured continuously for 3000 hours were almost constant as compared with the initial measured values, and thus the functionality of the hydrogen permeation selectivity obtained in the hydrogen separator prepared by the present invention was very stable Could know.

상기의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 지지체 일체화 팔라듐-은 합금 수소분리막은 지지체 및 수소분리층의 금속 일체화 성질, 고성능 스퍼터의 다기능성 다층 구조 박막 형성, 저온 열처리에 의한 안정화 분리막 형성들과 더불어 다공성 금속 지지체의 종류나 표면상태 및 팔라듐 합금의 종류에 종속 받지 않는 단순한 전공정 및 호환성 있는 세부공정들에 의하여 종래의 수소분리막에 비해 상기의 지지체 일체화된 수소분리막에서 수소선택도와 투과도들의 월등한 동시 향상을 나타내었으며, 또한 상기 분리막의 내구성과 제조의 재현성도 현저하게 향상되었다.
As can be seen from the above results, the support-integrated palladium-silver alloy hydrogen separation membrane according to one embodiment of the present invention is characterized in that the metal-integrated nature of the support and the hydrogen separation layer, the formation of the multi- In addition to the membrane formations, simple selective and compliant processes that are not dependent on the type of porous metal support, the surface condition, and the type of palladium alloy, the hydrogen selectivity of the hydrogen- And the durability of the separator and the reproducibility of the production were remarkably improved.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위내에 포함된다고 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention as defined in the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

본 발명은 다공성 금속 지지체 상에 복잡한 전처리 공정 없이 상온 기능성 스퍼터 공정과 저온 열처리 공정으로 지지체 일체화 수소분리막을 제조할 수 있으며, 수소투과선택도의 기능성뿐만 아니라 분리막의 내구성과 제조방법의 재현성이 동시에 향상된 지지체 일체화 수소분리막을 제조할 수 있다.The present invention can produce a support-integrated hydrogen separation membrane by a room temperature functional sputter process and a low temperature heat treatment process on a porous metal support without complicated pretreatment process, and it is also possible to improve the durability of the membrane and the reproducibility of the production method The support-integrated hydrogen separation membrane can be produced.

또한, 다공성 금속 지지체를 단순하고 재현성이 우수한 표면 처리 공정, 상온 기능성 스퍼터 공정 및 저온열처리 공정을 실시하여 지지체 일체화 수소분리막을 제조할 수 있으며, 조밀질/다공질의 복합 박막구조, 최대투과 포화조성, 확산방지막 및 열린계면들을 복합하여 함께 형성함으로써 수소선택도와 투과도가 동시에 월등히 향상된 지지체 일체화 수소분리막을 제조할 수 있다.In addition, the support-integrated hydrogen separation membrane can be manufactured by performing a surface treatment process, a room temperature functional sputter process, and a low-temperature heat treatment process that are simple and highly reproducible on the porous metal support, and the composite membrane structure of dense / porous, It is possible to manufacture a support-integrated hydrogen separation membrane having improved hydrogen selectivity and permeability at the same time by forming diffusion prevention films and open interfaces together.

또한, 다공성 금속 지지체를 단순하고 재현성이 우수한 표면 처리 공정, 상온 기능성 스퍼터 공정 및 저온열처리 공정을 실시하여 지지체 일체화 수소분리막을 제조할 수 있으며, 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화함에 따라 경사기능적 특성을 나타내어 수소분리막이 일체화됨으로써 열적, 화학적 및 기계적 안정성들의 내구성이 월등히 향상된 지지체 일체화 수소분리막을 제조할 수 있다.In addition, it is possible to produce a support-integrated hydrogen separation membrane by performing a surface treatment process, a room temperature functional sputter process and a low-temperature heat treatment process which are simple and highly reproducible, and the structural, compositional and functional properties The support membrane integrated hydrogenated membrane having improved durability in terms of thermal, chemical and mechanical stability can be manufactured by integrating the hydrogen separation membrane by exhibiting the inclined functional characteristic by progressively and continuously changing.

또한, 복잡한 전처리 공정 없이 상온 기능성 스퍼터 공정과 저온열처리 공정으로 지지체 일체화 수소분리막을 제조할 수 있으며, 금속 지지체나 분리층 합금 원소 종류에 구애받지 않고 지지체 일체화 수소분리막을 구성하는 각각의 세부공정들이 단순하고 상호간에 호환성을 가짐에 따라 제조의 재현성이 우수하여 대면적의 제조 양산성 및 제조공정의 효율을 월등히 향상시킬 수 있다.In addition, it is possible to produce a support-integrated hydrogen separation membrane by a room temperature functional sputtering process and a low-temperature heat treatment process without a complicated pretreatment process, and the individual processes constituting the support-integrated hydrogen separation membrane, And compatibility with each other is excellent, the reproducibility of manufacturing is excellent, so that the mass production of large area and the efficiency of the manufacturing process can be remarkably improved.

나아가, 상기의 지지체 일체화된 수소분리막 제조는 금속 지지체나 팔라듐 합금 분리층 종류에 구애받지 않으며 표준화된 제조공정으로 범용적으로 사용되며 대면적으로 재현성이 우수하여 양산성 효과가 높으며, 수소선택투과도 및 내구성의 기능적 특성들이 우수하여 고순도 제조뿐만 아니라 수소 분리 및 정제공정을 위한 반응분리 동시공정, 석탄가스화 복합발전, 이산화탄소 포획 및 저장 등의 다양한 분야에서도 폭 넓게 적용될 수 있으므로 산업상 이용가능성이 높다.Furthermore, the above-mentioned support-integrated hydrogen separation membrane production is not limited to the type of the metal support or the palladium alloy separation layer, is widely used as a standardized manufacturing process, has excellent reproducibility in a large area and has high mass productivity, Durability, and functional characteristics, it can be widely applied to various fields such as high purity production, simultaneous reaction separation process for hydrogen separation and purification process, coal gasification combined power generation, carbon dioxide capture and storage, and the like.

Claims (17)

다공성 지지체 상의 금속파우더에 의한 표면 기공 매립과 프레스에 의한 표면 평탄화를 포함하는 표면처리 단계;
상온의 스퍼터 코팅에 의해 다기능성 조밀질/다공질 복합 구조 및 다층구조를 갖는 수소분리층을 형성하는 단계; 및
상기 다공성 지지체 및 상기 수소분리층을 550℃ 이하의 저온에서 열처리하는 단계;를 포함하며,
상기 다공성 지지체의 표면처리 단계는,
상기 다공성 지지체 표면에 존재하는 수 내지 수십 마이크로급 이상의 거대 표면기공들을 선택적으로 매립하기 위한 수 마이크로급 이하의 상기 지지체 동종 금속 파우더들의 진공매립과 상기 다공성 지지체 표면에 존재하는 수 마이크로급 이하의 미세 표면기공들을 선택적으로 매립하기 위한 나노급 구리 또는 은 파우더들의 진공매립 단계; 및
프레스를 이용한 상기 다공성 지지체 표면 평탄화 단계를 포함하는,
금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체와 수소분리층의 구조적, 조성적, 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된 일체화 수소분리막을 형성함으로써, 수소분리막의 수소투과선택도 및 내구성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
A surface treatment step including surface pore filling by a metal powder on a porous support and surface planarization by pressing;
Forming a hydrogen separation layer having a multi-functional dense / porous composite structure and a multi-layer structure by sputter coating at room temperature; And
Treating the porous support and the hydrogen separation layer at a low temperature of 550 DEG C or less,
Wherein the surface treatment of the porous support comprises:
A plurality of vacuum pads of the same kind of metal powders having a number of micromoles or less for selectively embedding large surface pores of several to several tens of micrometers or more existing on the surface of the porous support, Vacuum embedding nanocomposite copper or silver powders for selectively embedding pores; And
Wherein said porous support surface is planarized using a press.
The hydrogen permeation selectivity and durability of the hydrogen separation membrane are improved by forming the inclined integrated hydrogen separation membrane in which the structural, compositional, and functional properties of the porous support composed of a metal or an alloy and the hydrogen separation layer gradually and continuously change By weight of the support.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체의 표면처리 단계 중에 매립된 나노급 구리 또는 은 파우더들은, 후속하는 1.0×10-2torr 내지 760torr의 진공, 및 400℃ 내지 550℃의 저온 열처리에 의한 상기 나노급 파우더들의 확산, 반응, 및 재소결에 의해 미세 기공들로 구성된 열린 계면을 형성함으로써, 상기 수소분리막의 수소투과도를 증진시키는 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
The method according to claim 1,
The nanocomposite copper or silver powders buried in the surface treatment step of the porous support are subjected to a subsequent vacuum of 1.0 x 10 -2 torr to 760 torr and a heat treatment at a temperature of 400 ° C to 550 ° C, And forming an open interface composed of micropores by re-sintering to increase the hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane.
제1항에 있어서,
상기 수소분리층을 형성하는 단계는,
상온, 5.0×10-5torr 내지 5.0×10-3torr의 고진공, 120W 내지 300W의 고파워 공정 조건의 다기능성 스퍼터를 이용하여 형성되는 상기 수소분리막의 수소선택도를 극대화하기 위한 조밀질 형태의 표면구조; 및 상온, 5.0×10-3torr 내지 5.0×10-1torr의 저진공, 10W 내지 100W의 저파워 공정 조건의 다기능성 스퍼터를 이용하여 형성되는 상기 수소분리막의 수소투과도를 극대화하기 위한 내부의 다공질 구조들;로 구성된 복합구조를 선택적으로 형성하여,
수소선택도와 수소투과도를 동시에 향상시키는 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of forming the hydrogen separation layer may include:
The hydrogen separation membrane is formed by using a multifunctional sputter at room temperature, a high vacuum of 5.0 × 10 -5 torr to 5.0 × 10 -3 torr, and a high power process condition of 120 W to 300 W, Surface structure; And an inner porous film for maximizing the hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane formed using a multifunctional sputtering process at room temperature, a low vacuum of 5.0 × 10 -3 torr to 5.0 × 10 -1 torr, and a low power process condition of 10 W to 100 W Structures are selectively formed,
Wherein the hydrogen selectivity and the hydrogen permeability are improved at the same time.
제1항에 있어서,
상기 수소분리층을 형성하는 단계는,
상온, 5.0×10-5torr 내지 5.0×10-3torr의 고진공, 120W 내지 300W의 고파워 공정 조건에서 은(Ag)을 스퍼터하여, 자체 수소분리층을 구성하고 있는 조밀질 구조의 은 코팅층을 형성하는 단계를 포함하여,
다공성 스테인리스강 또는 니켈 지지체의 주성분인 철(Fe) 또는 니켈(Ni)과, 은 성분들의 상분리 현상 및 상용화 온도에서 수소분리층의 포화조성들을 유지함으로써 지지체 성분들의 표면확산을 억제하는 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of forming the hydrogen separation layer may include:
Silver (Ag) was sputtered at a high temperature of room temperature, a high vacuum of 5.0 × 10 -5 torr to 5.0 × 10 -3 torr, and a high power of 120 W to 300 W to form a silver coating layer of a tight- Comprising the steps of:
(Fe) or nickel (Ni), which is the main component of the porous stainless steel or nickel support, and the surface diffusion of the support components by maintaining the saturated compositions of the hydrogen separation layer at the phase separation and the compatibilizing temperature of the silver components (1).
제1항에 있어서,
상기 수소분리층을 형성하는 단계는,
상온, 5.0×10-5torr 내지 5.0×10-3torr의 고진공, 120W 내지 300W의 고파워 공정 조건, 및 상온, 5.0×10-3torr 내지 5.0×10-1torr의 저진공, 10W 내지 100W의 저파워 공정 조건에서 팔라듐 층, 및 은, 금, 구리, 니켈, 루세늄, 이트륨으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 합금용 금속 층들을 각각 조밀질 구조 및 다공질 구조의 다중 코팅층들로 그 두께를 조절하여 형성하고,
상기 저온으로 열처리하는 단계는,
1.0×10-2torr 내지 760torr의 진공, 및 400℃ 내지 550℃의 저온 열처리함으로써, 최대투과 포화합금 조성을 유지하여 상기 수소분리막의 수소투과도를 극대화시키는 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of forming the hydrogen separation layer may include:
Room temperature, 5.0 × 10 -5 torr to 5.0 × 10 -3 torr of vacuum, 120W to about 300W of power and the process conditions, and at room temperature, 5.0 × 10 -3 torr to 5.0 × 10 -1 torr for low vacuum, 10W to 100W The palladium layer and the metal layers for the alloy selected from the group consisting of silver, gold, copper, nickel, ruthenium, and yttrium are formed into multiple coating layers of a dense structure and a porous structure, respectively, Respectively,
The heat treatment at the low temperature may include:
Wherein the hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane is maximized by maintaining a maximum permeation saturated alloy composition by performing a vacuum of 1.0 x 10 -2 torr to 760 torr and a low temperature heat treatment of 400 캜 to 550 캜.
제1항에 있어서,
상기 상온 스퍼터링 단계 및 저온 열처리 단계에 의해 조밀질/다공질의 복합 분리층 구조, 최대투과 포화합금 조성, 확산 방지 기능을 갖는 수소분리층 및 열린 계면을 함께 형성함으로써 수소선택도 및 수소투과도를 동시에 향상시키는 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
The method according to claim 1,
The hydrogen separation and the hydrogen permeability are simultaneously improved by forming the dense / porous composite separating layer structure, the maximum permeable saturated alloy composition, the hydrogen separation layer having the diffusion preventing function and the open interface by the room temperature sputtering step and the low temperature heat treatment step Wherein the support-integrated hydrogen separation membrane comprises a porous support.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체와 수소분리층의 일체화된 재료 특성, 호환성 있는 세부공정들로 구성된 표준화된 전공정, 및 다공성 지지체의 종류나 표면상태뿐만 아니라 수소분리층의 합금 종류에 종속받지 않는 제조방법으로 구성되어, 수소분리막 제조의 재현성과 양산성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
The method according to claim 1,
A standardized preliminary process composed of compatible detailed processes, and a manufacturing method that is not dependent on the type and surface state of the porous support, as well as the alloy type of the hydrogen separation layer, such as the integrated material properties of the porous support and the hydrogen separation layer , And the reproducibility and the mass productivity of the hydrogen separation membrane production are improved.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체와 수소분리층의 일체화된 특성과, 접착력이 우수한 균일 고용체, 경사적인 조성, 및 상기 다공성 지지체와 수소분리층의 상호 연계 조직들로 구성된 계면 특성들에 의하여, 열적, 화학적, 및 기계적 안정성들의 내구성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Chemical, and mechanical properties, due to the unified characteristics of the porous support and the hydrogen separation layer, and the interfacial properties of the uniform solid solution with excellent adhesion, the inclined composition, and interconnected structures of the porous support and the hydrogen separation layer Thereby improving the durability of the support.
제1항에 있어서,
상기 수소분리층의 합금은, 팔라듐/은, 팔라듐/금, 팔라듐/구리, 팔라듐/니켈, 팔라듐/루세늄, 및 팔라듐/이트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the alloy of the hydrogen separation layer is at least one selected from the group consisting of palladium / silver, palladium / gold, palladium / copper, palladium / nickel, palladium / ruthenium and palladium / yttrium.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체의 금속은, 스테인리스강, 니켈, 바나듐, 탄탈륨, 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal of the porous support is at least one selected from the group consisting of stainless steel, nickel, vanadium, tantalum, and titanium.
제1항에 있어서,
상기 수소분리막의 제조방법은 3인치 이상의 판상형 분리막 또는 10인치 이상의 튜브형 분리막에 적용이 가능한 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the method for manufacturing the hydrogen separation membrane is applicable to a plate-like separation membrane of 3 inches or more or a tubular separation membrane of 10 inches or more.
금속 또는 합금으로 구성된 다공성 지지체;
다수의 개기공(開氣孔)이 형성되며, 상기 다공성 지지체 상부에 형성된 계면; 및
상기 계면 상부에 형성된 팔라듐 또는 팔라듐 합금의 수소분리층을 포함하고,
상기 다공성 지지체는, 상기 다공성 지지체 표면에 존재하는 수 내지 수십 마이크로급 이상의 거대 표면기공들이 수 마이크로급 이하의 상기 지지체 동종 금속 파우더들로 선택적으로 진공매립되어 있고, 상기 다공성 지지체 표면에 존재하는 수 마이크로급 이하의 미세 표면기공들이 나노급 구리 또는 은 파우더들로 선택적으로 진공매립되어 있고, 프레스를 이용하여 표면 평탄화된,
상기 다공성 지지체, 계면 및 수소분리층의 구조적, 조성적 및 기능적 성질들이 점진적이며 연속적으로 변화하여 경사된(gradient) 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막.
A porous support composed of a metal or an alloy;
A plurality of open pores are formed, and an interface formed on the porous support; And
And a hydrogen separation layer of a palladium or palladium alloy formed on the interface,
Wherein the porous support has a large surface pores of several to several tens of micrometres or more existing on the surface of the porous support and is selectively vacuum-embedded with the supports of the same kind of metal powders of several micrometers or less, Surface fine pores are selectively vacuum-filled with nano-grade copper or silver powders, surface-planarized using a press,
Wherein the structural, structural and functional properties of the porous support, the interface and the hydrogen separation layer are gradually and continuously varied and graded.
제14항에 있어서,
상기 다공성 지지체와 수소분리층 사이에 은(Ag) 코팅층을 더 포함하여, 상기 다공성 지지체 금속의 표면확산을 억제하며, 최대투과 포화합금 조성을 유지하는 지지체 일체화 수소분리막.
15. The method of claim 14,
And a silver (Ag) coating layer between the porous support and the hydrogen separation layer to suppress surface diffusion of the porous support metal and to maintain a maximum permeable saturated alloy composition.
제15항에 있어서,
상기 수소분리층의 최대투과 포화합금 조성은, 중량분율로 팔라듐:은=77:23, 팔라듐:금=95:5, 또는 팔라듐:구리=60:40인 것을 특징으로 하는 지지체 일체화 수소분리막.
16. The method of claim 15,
Wherein the maximum permeable saturated alloy composition of the hydrogen separation layer has a weight fraction of palladium: silver = 77: 23, palladium: gold = 95: 5, or palladium: copper = 60:40.
제14항에 있어서,
상기 다공성 지지체와 수소분리층 사이에 상기 다공성 지지체의 금속이 상기 팔라듐 또는 팔라듐 합금에 고용되어 상기 계면에 균일 고용체를 형성하는 지지체 일체화 수소분리막.
15. The method of claim 14,
Wherein the metal of the porous support is dissolved in the palladium or palladium alloy between the porous support and the hydrogen separation layer to form a uniform solid solution at the interface.
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