KR102193759B1 - Organic/Inorganic Composite Membrane and the same as the Methods - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유/무기 고분자전해질 복합막 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 나노 실리카 입자가 균일하게 막 내에 분포하는 구조를 통해 낮은 바나듐 투과도 특성을 갖는 유/무기고분자전해질복합막 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane and a method of manufacturing the same, and more specifically, an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane having low vanadium permeability through a structure in which nano silica particles are uniformly distributed in the membrane, and the same. It relates to a manufacturing method.

Description

유/무기고분자전해질 복합막 및 그 제조방법{Organic/Inorganic Composite Membrane and the same as the Methods} Organic/Inorganic Polymer Electrolyte Composite Membrane and its Manufacturing Method {Organic/Inorganic Composite Membrane and the same as the Methods}

본 발명은 유/무기 고분자전해질 복합막 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 나노 실리카 입자가 균일하게 막 내에 분포하는 구조를 통해 낮은 바나듐 투과도 특성을 갖는 유/무기고분자전해질복합막 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane and a method of manufacturing the same, and more specifically, an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane having low vanadium permeability through a structure in which nano silica particles are uniformly distributed in the membrane, and the same. It relates to a manufacturing method.

최근, 전력부하 평준화, 재생에너지 발전 비중의 확대와 더불어, 전력에너지를 저장하고 관리하기 위한 에너지 저장 장치의 개발이 절실히 요구되고 있다. In recent years, there is an urgent need to develop an energy storage device for storing and managing power energy, along with equalizing power load and increasing the proportion of renewable energy generation.

에너지 저장 장치의 일종인 바나듐 레독스 흐름전지는 용량과 출력의 설계가 개별적으로 가능하여 대용량화가 용이하기 때문에 대용량 장주기용 에너지 저장 장치로 주목을 받고 있다. 상기 바나듐 레독스 흐름전지에서 고분자 전해질 막은 전지의 출력 및 장기성능과 스택의 가격을 결정짓는 매우 중요한 핵심부품이나, 현재 상용화된 고분자막은 제조단가와 투과도가 높아 바나듐 레독스 흐름전지의 상용화를 저해하는 요인으로 작용하고 있다. 이에 에너지 저장 장치의 효율을 증가시킬 수 있는 저투과도 및 저비용의 고분자 전해질 막 개발이 요구되고 있다.A vanadium redox flow battery, a type of energy storage device, is attracting attention as a large-capacity long-cycle energy storage device because it is easy to increase its capacity because the capacity and output can be individually designed. In the vanadium redox flow battery, the polymer electrolyte membrane is a very important core component that determines the output and long-term performance of the battery and the price of the stack, but the commercially available polymer membrane has high manufacturing cost and high permeability, which hinders the commercialization of the vanadium redox flow battery. It is acting as a factor. Accordingly, there is a need to develop a polymer electrolyte membrane having low transmittance and low cost that can increase the efficiency of an energy storage device.

바나듐 레독스 흐름전지에 사용되는 분리막은 대표적으로 듀폰(DuPont) 사의 나피온(Nafion)이 상업적으로 판매되고 있으나, 이는 고가이며 높은 투과도 특성을 가지기 때문에 레독스 흐름전지의 장기 구동에 어려움이 있었다.The separator used for the vanadium redox flow battery is typically commercially sold by DuPont's Nafion, but this is expensive and has high transmittance characteristics, so it was difficult to drive the redox flow battery for a long time.

이러한 문제점을 가진 나피온을 대체하기 위해 탄화수소계 고분자막, 강화복합막 등 다양한 형태의 고분자 전해질 막 개발이 진행되어왔다. 구체적으로 탄화수소계 고분자막은 대표적으로 술폰화 폴리에테르케톤, 술폰화 폴리에테르-에테르케톤, 술폰화 폴리에테르술폰, 술폰화 폴리술폰, 술폰화 폴리페닐렌술파이드, 술폰화 폴리페닐렌옥사이드, 술폰화 폴리이미드 등이 제안되어왔으나, 유연성이 낮고 화학적안정성이 취약하다는 문제점이 있다. In order to replace Nafion having such a problem, various types of polymer electrolyte membranes such as hydrocarbon-based polymer membranes and reinforced composite membranes have been developed. Specifically, hydrocarbon-based polymer membranes are typically sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether-ether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene oxide, and sulfonated polyether. Although mid and the like have been proposed, there is a problem in that the flexibility is low and the chemical stability is weak.

강화복합막은 기계적강도와 내구성이 우수한 다공성 지지체에 이온전도성이 우수한 아이오노머를 도입하여 제조하는 방법으로 제안되어왔으나, 다공성 지지체와 아이오노머 간의 탈리가 일어난다는 단점이 있다.The reinforced composite membrane has been proposed as a method of manufacturing a porous support having excellent mechanical strength and durability by introducing an ionomer having excellent ion conductivity, but has a disadvantage in that separation between the porous support and the ionomer occurs.

특허공개번호 제 10-2018-0003098 호Patent Publication No. 10-2018-0003098

본 발명자들은 다수의 연구결과 알콕시 실란 기능성 물질을 기반으로 아이오노머의 관능기간 가교를 유도함으로써 알콕시 실란 기능성 물질로부터 생성된 나노 실리카 입자가 고분자 막 내에 균일하게 분포하는 구조의 복합막 및 그 제조방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.As a result of a number of studies, the present inventors have developed a composite film having a structure in which the nano-silica particles produced from the alkoxy silane functional material are uniformly distributed in the polymer film by inducing crosslinking of the functional period of the ionomer based on the alkoxy silane functional material and a method for manufacturing the same. By developing, the present invention was completed.

따라서, 본 발명의 목적은 일반적인 유무기 나노 컴포지트 고분자 막에서 나타나는 나노입자의 불균질 분포 문제를 해결하기 위해 고분자막 제조 과정에서 나노 실리카 입자가 생성되어 고분자막 내에 포함되도록 함으로써, 무기입자인 나노 실리카 입자가 유기고분자 사이에 매우 균일하게 분산된 막 구조를 통해 저투과도 및 고이온선택도를 갖는 유/무기고분자전해질복합막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the problem of the heterogeneous distribution of nanoparticles in the general organic-inorganic nanocomposite polymer membrane. In the process of manufacturing a polymer membrane, nano silica particles are generated and included in the polymer membrane. It is to provide an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane having low transmittance and high ion selectivity through a very uniformly dispersed membrane structure among organic polymers, and a method for manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 전해질 고분자 막을 비싼 과불소계고분자만으로 구성하지 않고 알콕시 실란 기능성 물질을 과불계고분자를 대체하여 일정함량 도입함으로써 고분자 막의 제조단가를 효과적으로 절감할 수 있는 유/무기고분자전해질복합막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane capable of effectively reducing the manufacturing cost of a polymer membrane by introducing a certain amount of an alkoxysilane functional material instead of a perfluorinated polymer instead of comprising the electrolyte polymer membrane only of expensive perfluorine polymers, and It is to provide a manufacturing method.

본 발명의 또 다른 목적은 저투과도 및 고이온선택도를 갖는 유/무기고분자전해질복합막을 포함함으로써 장기구동에 유리한 레독스흐름전지 또는 수처리장치를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a redox flow battery or a water treatment apparatus advantageous for long-term operation by including an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane having low permeability and high ion selectivity.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and even if not explicitly mentioned, the object of the invention that one of ordinary skill in the art can recognize from the description of the detailed description of the invention to be described later may naturally be included. .

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자의 가교결합구조; 및 상기 가교결합구조 내부에 균일하게 분산된 나노실리카입자;를 포함하는 유/무기고분자전해질 복합막을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention described above, the present invention provides a crosslinked structure of an alkoxysilane functional polymer and a perfluorine-based polymer; It provides an organic/inorganic polymer electrolyte composite film comprising; and nano silica particles uniformly dispersed within the crosslinked structure.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 알콕시실란기능성고분자는 D-ASFP (Diol Alkoxysilane- Functionalized Polymer), BD-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane ASFP) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the alkoxysilane functional polymer is selected from the group consisting of D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane ASFP), and combinations thereof. Is any one or more.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 과불소계고분자는 나피온(듀폰), 3M 아이오노머 (3M), 푸미온(Fumion), 아키플렉스(Aciplex), 아퀴비온(Aquivion), 술폰화된 과불소계 고분자(PFSA, perfluorinated sulfonic acid), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드(poly(vinylidene fluoride)), 폴리비닐플로라이드(poly (vinyl fluoride)), 폴리비닐리덴 플루오르 코 퍼플루오르화 알킬비닐에테르(poly (vinylidene fluo-co-perfluorinated alkyl vinyl ethers))의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the perfluorine-based polymer is Nafion (Dupon), 3M ionomer (3M), Fumion, Aciplex, Aquivion, sulfonated perfluorine-based polymer (PFSA). , perfluorinated sulfonic acid), polytetrafluoroethylene, poly(vinylidene fluoride), poly(vinyl fluoride), polyvinylidene fluoride, perfluorinated alkyl vinyl ether (poly (vinylidene fluo-co-perfluorinated alkyl vinyl ethers)) is any one or more selected from the group consisting of.

바람직한 실시예에 있어서, 이온 투과도가 2ㅧ10-7 cm2/min 이하이다. In a preferred embodiment, the ion permeability is 2x10 -7 cm 2 /min or less.

또한, 본 발명은 알콕시실란 기능성고분자용액 및 과불소계고분자용액을 준비하는 단계; 상기 알콕시실란 기능성고분자용액과 과불소계 고분자 용액을 혼합하여 막전구체용액을 준비하는 단계; 상기 막전구체용액을 캐스팅하여 캐스팅층을 형성하는 캐스팅단계; 상기 캐스팅층에 포함된 알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자를 가교시켜 전구체막을 형성하는 제막단계; 및 상기 전구체막을 프로토네이션시키는 전처리단계;를 포함하는 유/무기고분자전해질 복합막 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention comprises the steps of preparing an alkoxysilane functional polymer solution and a perfluorine-based polymer solution; Preparing a membrane precursor solution by mixing the alkoxysilane functional polymer solution and the perfluorine-based polymer solution; A casting step of forming a casting layer by casting the membrane precursor solution; A film forming step of forming a precursor film by crosslinking an alkoxysilane functional polymer and a perfluorine-based polymer included in the casting layer; And a pretreatment step of protonating the precursor film.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 알콕시실란 기능성고분자용액 및 상기 과불소계고분자용액은 각각 용매 100중량부 당 알콕시 실란 기능성 고분자 및 과불소계고분자를 5 내지 70중량부 포함한다. In a preferred embodiment, the alkoxysilane functional polymer solution and the perfluorine-based polymer solution each contain 5 to 70 parts by weight of an alkoxysilane functional polymer and a perfluorine-based polymer per 100 parts by weight of a solvent.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 용매는 증류수, 에탄올, 이소프로판올, 메탄올, 디메틸술폭사이드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피릴리디논, N,N-디메틸포름아미드로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the solvent is in the group consisting of distilled water, ethanol, isopropanol, methanol, dimethyl sulfoxide, N,N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrillydinone, and N,N-dimethylformamide. Is more than one to be selected.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 막전구체용액은 상기 알콕시 실란 기능성 고분자 용액 5 ~ 95 중량% 및 상기 과불소계고분자 용액 95 ~ 5 중량%를 포함한다. In a preferred embodiment, the membrane precursor solution includes 5 to 95% by weight of the alkoxysilane functional polymer solution and 95 to 5% by weight of the perfluorine-based polymer solution.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 막전구체용액은 상기 알콕시 실란 기능성 고분자 용액 및 상기 과불소계고분자 용액을 20~50도의 온도에서 교반하여 얻어진다. In a preferred embodiment, the membrane precursor solution is obtained by stirring the alkoxy silane functional polymer solution and the perfluorine-based polymer solution at a temperature of 20 to 50 degrees.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제막단계는 상기 캐스팅층을 70℃ 이하의 진공상태에서 건조시키는 단계; 건조된 캐스팅층을 70 내지 90℃에서 처리하는 1차 열처리 단계; 및 100℃이상의 온도에서 처리하는 2차 열처리 단계;를 포함한다. In a preferred embodiment, the film forming step includes drying the casting layer in a vacuum of 70° C. or less; A first heat treatment step of treating the dried casting layer at 70 to 90°C; And a second heat treatment step of treating at a temperature of 100° C. or higher.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제막단계에서 열가교반응을 통해 상기 알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자의 가교결합구조 및 상기 가교결합구조 내부에 균일하게 분산된 나노실리카입자가 생성된다. In a preferred embodiment, the crosslinking structure of the alkoxysilane functional polymer and the perfluorine-based polymer and nanosilica particles uniformly dispersed within the crosslinking structure are generated through a thermal crosslinking reaction in the film forming step.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 프로토네이션은 상기 전구체막을 염기성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시키고, 다시 산성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시켜 수행된다. In a preferred embodiment, the protonation is performed by immersing the precursor film in a basic aqueous solution, immersing it in distilled water, immersing it in an acidic aqueous solution, and then immersing it in distilled water.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 유/무기고분자전해질 복합막 또는 복합막 제조방법으로 제조된 유/무기고분자전해질 복합막을 포함하는 연료전지를 제공한다. In addition, the present invention provides a fuel cell including an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane manufactured by any one of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membranes or the composite membrane manufacturing method described above.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 유/무기고분자전해질 복합막 또는 복합막 제조방법으로 제조된 유/무기고분자전해질 복합막을 포함하는 에너지저장장치를 제공한다. In addition, the present invention provides an energy storage device including an organic/inorganic polymer electrolyte composite film manufactured by any one of the above-described organic/inorganic polymer electrolyte composite film or a composite film manufacturing method.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 에너지저장장치는 레독스흐름전지 또는 연료전지이다.In a preferred embodiment, the energy storage device is a redox flow cell or a fuel cell.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 유/무기고분자전해질 복합막 또는 복합막 제조방법으로 제조된 유/무기고분자전해질 복합막을 포함하는 수처리장치를 제공한다. In addition, the present invention provides a water treatment apparatus including an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane manufactured by any one of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membranes or the composite membrane manufacturing method described above.

상술된 본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.The present invention described above has the following effects.

먼저, 본 발명에 의하면 고분자막 제조 과정에서 나노 실리카 입자가 생성되어 고분자막 내에 포함되도록 함으로써, 무기입자인 나노 실리카 입자가 유기고분자 사이에 매우 균일하게 분산된 막 구조를 통해 저투과도 및 고이온선택도를 갖게 되므로 일반적인 유무기 나노 컴포지트 고분자 막에서 나타나는 나노입자의 불균질 분포 문제를 해결할 수 있다. First, according to the present invention, nano silica particles are generated during the manufacturing process of the polymer film and are included in the polymer film, so that low transmittance and high ion selectivity are achieved through a membrane structure in which nano silica particles, which are inorganic particles, are very uniformly dispersed between organic polymers. As a result, it is possible to solve the problem of heterogeneous distribution of nanoparticles in general organic-inorganic nanocomposite polymer membranes.

또한, 본 발명에 의하면 전해질 고분자 막을 비싼 과불소계고분자만으로 구성하지 않고 알콕시 실란 기능성 물질을 과불계고분자를 대체하여 일정함량 도입함으로써 부분 불소계 고분자 막의 특징을 갖는 복합막 형태로 제조하는 방법을 통해 고분자 막의 제조단가를 효과적으로 절감할 수 있다. In addition, according to the present invention, the polymer membrane is prepared in the form of a composite membrane having the characteristics of a partially fluorine-based polymer membrane by introducing a certain amount of an alkoxysilane functional material replacing the perfluorinated polymer instead of comprising only expensive perfluorine-based polymers. It can effectively reduce the manufacturing cost.

또한, 본 발명에 의하면 저투과도 및 고이온선택도를 갖는 유/무기고분자전해질복합막을 포함함으로써 장기구동에 유리한 레독스흐름전지 또는 수처리장치를 제공할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to provide a redox flow battery or a water treatment apparatus advantageous for long-term operation by including an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane having low permeability and high ion selectivity.

본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.These technical effects of the present invention are not limited only to the ranges mentioned above, and even if not explicitly mentioned, the effects of the invention that can be recognized by those of ordinary skill in the art from the description of specific details for the implementation of the invention described later are also Of course it is included.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유/무기 고분자전해질 복합막에 포함되는 알콕시 실란 기능성 고분자인 D-ASFP의 화학적 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유/무기 고분자전해질 복합막에 포함되는 알콕시 실란 기능성 고분자인 BD-ASFP의 화학적 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유/무기 고분자전해질 복합막에 포함되는 알콕시 실란 기능성 고분자인 BDP-ASFP의 화학적 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 유/무기 고분자전해질 복합막 제조방법에 따라 도 1 내지 도 3에 도시된 알콕시 실란 기능성 고분자가 합성되었는지 확인하기 위한 적외선 분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR) 결과그래프이다.
도 5는 본 발명의 유/무기 고분자전해질 복합막과 대조군인 나피온막, 알콕시 실란 기능성 고분자(D-ASFP)의 화학구조 분석(FT-IR) 결과그래프이다.
도 6는 본 발명의 유/무기 고분자전해질 복합막과 대조군인 나피온막의 열중량 분석(TGA) 결과그래프이다.
도 7은 본 발명의 유/무기 고분자전해질 복합막과 대조군인 나피온막의 (a) 함수율 및 (b) 치수변화율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 유/무기 고분자전해질 복합막과 대조군인 나피온막의 이온교환용량(IEC)을 나타낸 그래프이다.
도 9은 본 발명의 유/무기 고분자전해질 복합막과 대조군인 나피온막의 이온전도도를 나타낸 그래프이다.
도 10는 본 발명의 유/무기 고분자전해질 복합막과 대조군인 나피온막의 (a) UV-vis spectrometer를 이용하여 측정된 VO2+ 이온의 농도 및 (b) 이를 통해 계산한 VO2+ 이온투과도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 유/무기 고분자전해질 복합막과 대조군인 나피온막의 이온전도도 및 이온선택도를 나타낸 그래프이다.
1 is a view showing the chemical structure of D-ASFP, which is an alkoxysilane functional polymer included in an organic/inorganic polymer electrolyte composite film according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing the chemical structure of BD-ASFP, which is an alkoxysilane functional polymer included in an organic/inorganic polymer electrolyte composite film according to another embodiment of the present invention.
3 is a view showing the chemical structure of BDP-ASFP, an alkoxy silane functional polymer included in an organic/inorganic polymer electrolyte composite film according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a result graph of Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) for confirming whether the alkoxysilane functional polymer shown in FIGS. 1 to 3 is synthesized according to the method of manufacturing an organic/inorganic polymer electrolyte composite film of the present invention. to be.
5 is a graph of the results of chemical structure analysis (FT-IR) of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of the present invention, the Nafion membrane as a control, and the alkoxy silane functional polymer (D-ASFP).
6 is a thermogravimetric analysis (TGA) result graph of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of the present invention and the Nafion membrane as a control.
7 is a graph showing (a) moisture content and (b) dimensional change rate of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of the present invention and the Nafion membrane as a control.
8 is a graph showing the ion exchange capacity (IEC) of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of the present invention and the Nafion membrane as a control.
9 is a graph showing the ionic conductivity of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of the present invention and the Nafion membrane as a control.
Figure 10 is the organic / inorganic polymer electrolyte composite membrane of the present invention and the control Nafion membrane (a) concentration of VO 2+ ions measured using a UV-vis spectrometer and (b) VO 2+ ion permeability calculated through this It is a graph showing.
11 is a graph showing the ion conductivity and ion selectivity of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of the present invention and the Nafion membrane as a control.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 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 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the existence of features, numbers, steps, actions, elements, parts, or a combination thereof described in the description of the invention, but one or more other It is to be understood that it does not preclude the presence or addition of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first and second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may be referred to as a first component.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present invention. Does not.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.In interpreting the constituent elements, it is interpreted as including an error range even if there is no explicit description. In particular, when the terms "about", "substantially" and the like of degree are used, it can be interpreted as being used in or close to that value when manufacturing and material tolerances specific to the stated meaning are presented. .

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.In the case of a description of a temporal relationship, for example,'after','following','after','before', etc. It includes cases that are not continuous unless' is used.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein, and the same reference numerals denote the same elements in different forms.

본 발명의 기술적 특징은 고분자막 제조 과정에서 나노 실리카 입자가 생성되어 고분자막 내에 포함되도록 함으로써, 무기입자인 나노 실리카 입자가 유기고분자 사이에 매우 균일하게 분산된 막 구조가 구현된 유/무기고분자전해질복합막 및 그 제조방법에 있다. 즉 본 발명은 알콕시 실란 기능성 고분자와 과불소계고분자를 혼합하는 과정에서 알콕시 실란 기능성 고분자와 과불소계고분자의 가교결합구조가 형성되면서 동시에 알콕시 실란 기능성 고분자로부터 나노실리카입자가 생성되어 가교결합구조에 균일하게 분포하게 되므로 일반적인 유무기 나노 컴포지트 고분자 막에서 나타나는 나노입자의 불균질 분포 문제를 해결할 수 있기 때문이다. 이와 같이 본 발명의 유/무기고분자전해질복합막은 순수과불소계고분자만으로 구성되는 것이 아니라 부분불소계고분자 상태이므로 고분자 막의 제조단가를 절감할 수 있으며, 동시에 복합막 내에 균일하게 분포하는 나노실리카입자에 의해 저투과도 및 고이온선택도를 나타내는데, 기존의 고분자 전해질 막보다 40% 이상 향상된 저투과도와 이온선택도를 구현할 수 있다. Technical features of the present invention are organic/inorganic polymer electrolyte composite membranes in which nano-silica particles, which are inorganic particles, are very uniformly dispersed between organic polymers by generating nano-silica particles during the manufacturing process of the polymer film and being included in the polymer film. And its manufacturing method. That is, in the present invention, in the process of mixing the alkoxysilane functional polymer and the perfluorine-based polymer, a crosslinked structure of the alkoxysilane functional polymer and the perfluorine-based polymer is formed, and at the same time, nanosilica particles are generated from the alkoxysilane functional polymer to uniformly form the crosslinking structure. Because it is distributed, it is possible to solve the problem of heterogeneous distribution of nanoparticles that appear in general organic-inorganic nanocomposite polymer membranes. As described above, the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of the present invention is not composed of only pure perfluorine polymer but is in a partially fluorine polymer state, so the manufacturing cost of the polymer membrane can be reduced, and at the same time, low permeability due to the nanosilica particles uniformly distributed in the composite membrane. And high ion selectivity, which can achieve a low transmittance and ion selectivity improved by 40% or more compared to a conventional polymer electrolyte membrane.

따라서, 본 발명의 유/무기고분자전해질복합막은 알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자의 가교결합구조; 및 상기 가교결합구조 내부에 균일하게 분산된 나노실리카입자;를 포함한다. Accordingly, the organic/inorganic polymer electrolyte composite film of the present invention comprises a crosslinked structure of an alkoxysilane functional polymer and a perfluorine-based polymer; And nano-silica particles uniformly dispersed within the crosslinked structure.

여기서, 알콕시 실란 기능성 고분자는 COOH, OH, NH 및 SH 작용기를 도입하여 양이온 전도가 가능하며, 과불소계 고분자 물질과의 혼합 과정에서 나노 실리카 입자를 생성할 수 있다.알콕시 실란 기능성 고분자는 공지된 모든 실란계열의 고분자가 사용될 수 있지만, 일 구현예로서 각각 도 1 내지 도 3에 도시된 구조식을 갖는 D-ASFP (Diol Alkoxysilane- Functionalized Polymer), BD-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane ASFP) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. Here, the alkoxy silane functional polymer is capable of cation conduction by introducing COOH, OH, NH and SH functional groups, and can generate nano silica particles in the process of mixing with a perfluorine-based polymer material. Alkoxy silane functional polymers are all known well-known. Although a silane-based polymer may be used, as an embodiment, D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Bisphenol) having the structural formulas shown in FIGS. 1 to 3, respectively. Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane ASFP) and combinations thereof may be any one or more selected from the group consisting of.

과불소계고분자는 전해질고분자막에 사용될 수 있는 공지의 모든 과불소계고분자가 사용될 수 있지만, 일 구현예로서 나피온(듀폰), 3M 아이오노머 (3M), 푸미온(Fumion), 아키플렉스(Aciplex), 아퀴비온(Aquivion), 술폰화된 과불소계 고분자(PFSA, perfluorinated sulfonic acid), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드(poly(vinylidene fluoride)), 폴리비닐플로라이드(poly (vinyl fluoride)), 폴리비닐리덴 플루오르 코 퍼플루오르화 알킬비닐에테르(poly (vinylidene fluo-co-perfluorinated alkyl vinyl ethers))의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. As the perfluorine-based polymer, all known perfluorine-based polymers that can be used in the electrolyte polymer membrane may be used, but as an embodiment, Nafion (Dupon), 3M ionomer (3M), Fumion, Aciplex, Aquivion, sulfonated perfluorinated sulfonic acid (PFSA), polytetrafluoroethylene, poly(vinylidene fluoride), poly(vinyl fluoride) , Polyvinylidene fluo-co-perfluorinated alkyl vinyl ethers (poly (vinylidene fluo-co-perfluorinated alkyl vinyl ethers)) may be any one or more selected from the group consisting of a combination.

상술된 특성을 갖는 유/무기고분자전해질복합막은 알콕시 실란 기능성 고분자와 과불소계고분자간에 형성된 다수의 이온가교결합 및 알콕시 실란 기능성 고분자로부터 생성된 나노 실리카 입자가 복합막 내에 전체적으로 균일하게 분포되어 VO2+ 이온 투과도가 2× 10-6 cm2/min 이하, 바람직하게는 2× 10-7 cm2/min 이하로 현저히 낮아지는 특성을 나타낸다. 특히 최소 이온투과도는 실험적으로 1.26× 10-7 cm2/min 일 것으로 예측된다.Complex organic / inorganic polymer electrolyte having the above-described film characteristic alkoxysilane functional polymer with a plurality of perfluorinated subtotal binding ion crosslinked product formed between the polymer and the alkoxysilane functionality is a nano-silica particles produced from the polymer are uniformly distributed within the whole composite film VO 2+ The ion permeability is significantly lowered to 2×10 -6 cm 2 /min or less, preferably 2×10 -7 cm 2 /min or less. In particular, the minimum ion permeability is experimentally predicted to be 1.26×10 -7 cm 2 /min.

또한, 본 발명의 유/무기고분자전해질 복합막 제조방법은 알콕시실란 기능성고분자용액 및 과불소계고분자용액을 준비하는 단계; 상기 알콕시실란 기능성고분자용액과 과불소계 고분자 용액을 혼합하여 막전구체용액을 준비하는 단계; 상기 막전구체용액을 캐스팅하여 캐스팅막을 형성하는 캐스팅단계; 상기 캐스팅막에 포함된 알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자를 가교시켜 전구체막을 형성하는 제막단계; 및 상기 전구체막을 프로토네이션시키는 전처리단계;를 포함하는 유/무기고분자전해질 복합막 제조방법을 포함한다.In addition, the method for producing an organic/inorganic polymer electrolyte composite film of the present invention includes the steps of preparing an alkoxysilane functional polymer solution and a perfluorine-based polymer solution; Preparing a membrane precursor solution by mixing the alkoxysilane functional polymer solution and the perfluorine-based polymer solution; A casting step of forming a casting film by casting the membrane precursor solution; A film forming step of forming a precursor film by crosslinking an alkoxysilane functional polymer and a perfluorine-based polymer included in the casting film; And a method of manufacturing an organic/inorganic polymer electrolyte composite film including a pre-treatment step of protonating the precursor film.

여기서, 막전구체용액에 포함된 용매는 두 고분자를 용해시켜 혼합이 쉽게되도록 유도함으로써 가교 고분자 막 제조과정에서 축합 반응과정에서 형성되는 나노 실리카의 균일한 분산을 유도할 수 있는 역할을 수행할 수 있다. 따라서 용매는 알콕시 실란 기능성 고분자 및 과불소계고분자를 용해시킬 수 있기만 하면 공지된 모든 용매가 사용될 수 있으나, 일 구현예로서 증류수; 에탄올, 이소프로판올, 메탄올을 포함하는 알콜계 용매; 디메틸술폭사이드; N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피릴리디논, N,N-디메틸포름아미드를 포함하는 용매로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상이 사용될 수 있다. Here, the solvent contained in the membrane precursor solution can play a role of inducing uniform dispersion of the nano-silica formed in the condensation reaction process in the process of preparing the crosslinked polymer membrane by dissolving the two polymers and inducing them to be easily mixed. . Accordingly, all known solvents may be used as long as the solvent can dissolve the alkoxy silane functional polymer and the perfluorine-based polymer, but as an embodiment, distilled water; Alcohol solvents including ethanol, isopropanol, and methanol; Dimethyl sulfoxide; Any one or more selected from the group consisting of a solvent including N,N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrillydinone, and N,N-dimethylformamide may be used.

알콕시 실란 기능성 고분자용액 및 과불소계고분자용액을 준비하는 단계는 순서에 무관하게 수행될 수 있는데, 알콕시 실란 기능성 고분자 및 과불소계고분자를 동일한 용매에 각각 완전히 용해시켜 알콕시 실란 기능성 고분자 용액 및 과불소계 고분자 용액을 개별적으로 준비한다. 여기서, 용매와 알콕시 실란 기능성 고분자 또는 과불소계고분자의 배합비는 용매 100중량부를 기준으로 각각의 고분자는 5 내지 70중량부일 수 있다. 배합비는 실험적으로 결정된 것으로 고분자의 중량이 5중량부 미만이거나 70중량부를 초과하게 되면 점도가 너무 낮거나 높아 작업성이 떨어지고 고분자 막의 두께 제어가 어려운 문제가 발생하여 요구 두께의 고분자 막 생산을 위한 최적 용액 농도를 실험적으로 설정하였다.The steps of preparing the alkoxy silane functional polymer solution and the perfluorine-based polymer solution can be performed in any order.The alkoxy silane functional polymer solution and the perfluorine-based polymer solution are completely dissolved in the same solvent, respectively. Prepare individually. Here, the mixing ratio of the solvent and the alkoxy silane functional polymer or perfluorine-based polymer may be 5 to 70 parts by weight of each polymer based on 100 parts by weight of the solvent. The blending ratio is determined experimentally, and if the weight of the polymer is less than 5 parts by weight or exceeds 70 parts by weight, the viscosity is too low or high, resulting in poor workability and difficulty in controlling the thickness of the polymer film. The solution concentration was set experimentally.

막전구체용액을 준비하는 단계는 준비된 알콕시 실란 기능성 고분자 용액 및 과불소계고분자 용액을 일정 비율로 혼합하여 균질상 용액을 제조하여 수행될 수 있다. 일 구현예로서 막전구체용액은 알콕시 실란 기능성 고분자 용액 및 과불소계고분자 용액을 각각 5 내지 95 중량부% 및 95 내지 5 중량% 포함할 수 있는데, 완성막의 조성에 따라 요구되는 다양한 배합비로 혼합하여 구성할 수 있다. 한편 막전구체용액은 균질상 제조를 위해 20~50도의 온도로 유지되는 반응기에서 수 분 내지 수 일간 교반하여 수행할 수 있다. The step of preparing the membrane precursor solution may be performed by preparing a homogeneous solution by mixing the prepared alkoxysilane functional polymer solution and the perfluorine-based polymer solution in a predetermined ratio. As an embodiment, the membrane precursor solution may contain 5 to 95% by weight and 95 to 5% by weight of an alkoxysilane functional polymer solution and a perfluorine-based polymer solution, respectively, and is composed by mixing at various mixing ratios required according to the composition of the finished film. can do. Meanwhile, the membrane precursor solution may be carried out by stirring for several minutes to several days in a reactor maintained at a temperature of 20 to 50 degrees to prepare a homogeneous phase.

캐스팅단계는 막전구체용액을 유리판 등 평판 상에 캐스팅하여 캐스팅층을 형성함으로써 수행될 수 있다.The casting step may be performed by casting the membrane precursor solution onto a flat plate such as a glass plate to form a casting layer.

제막단계는 캐스팅층에 포함된 용매를 제거하면서 알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자를 가교시켜 전구체막을 형성하는 단계로서, 일정온도로 가열함으로써 알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자의 가교결합구조를 형성하면서 동시에 축합반응과정에서 가교결합구조 내에 균일하게 분포되도록 나노 실리카 입자의 생성을 유도하는 공정이다. 따라서, 제막단계는 캐스팅층에 포함된 용매를 제거할 수 있으면서도 알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자의 열가교반응을 일으킬 수 있는 온도로 캐스팅층을 처리하여 수행될 수 있는데, 캐스팅층을 70℃ 이하의 진공상태에서 건조시키는 단계; 건조된 캐스팅층을 70 내지 90℃에서 처리하는 1차 열처리 단계; 및 100℃이상의 온도에서 처리하는 2차 열처리 단계;를 포함할 수 있다. 일 구현예로서 캐스팅층을 진공상태하의 60℃의 오븐에서 8시간동안 유지한 후, 80℃에서 8시간동안, 100℃에서 8시간동안 추가로 처리하여 전구체막을 얻을 수 있다. The film-forming step is a step of forming a precursor film by crosslinking the alkoxysilane functional polymer and the perfluorine-based polymer while removing the solvent contained in the casting layer.By heating to a certain temperature, the crosslinking structure of the alkoxysilane functional polymer and the perfluorine-based polymer is formed. At the same time, it is a process of inducing the generation of nano silica particles so that they are uniformly distributed in the crosslinked structure during the condensation reaction. Therefore, the film-forming step can be performed by treating the casting layer at a temperature capable of removing the solvent contained in the casting layer and causing a thermal crosslinking reaction between the alkoxysilane functional polymer and the perfluorine-based polymer. Drying in a vacuum state of; A first heat treatment step of treating the dried casting layer at 70 to 90°C; And a second heat treatment step of treating at a temperature of 100° C. or higher. As an embodiment, the casting layer is maintained in an oven at 60° C. under vacuum for 8 hours, and then further processed at 80° C. for 8 hours and at 100° C. for 8 hours to obtain a precursor film.

전처리단계는 얻어진 전구체막 표면의 유기물을 제거하면서 프로톤 활성도를 증가시키는 프로토네이션이 수행되는 단계이다. 일 구현예로서 전구체막을 염기성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시키고, 다시 산성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시켜 수행될 수 있는데, 후술하는 실시예에서 염기성수용액은 과산화수소수가 산성수용액은 황산수용액이 사용되었다. 여기서, 침지처리는 20~90℃ 온도범위에서 0.1 ~ 2시간 동안 수행될 수 있다.The pretreatment step is a step in which protonation is performed to increase proton activity while removing organic matter on the surface of the obtained precursor film. As an embodiment, the precursor film may be immersed in a basic aqueous solution, treated, and then immersed in distilled water, further treated by immersing in an acidic aqueous solution, and then immersed in distilled water.In the examples to be described later, the basic aqueous solution is hydrogen peroxide and the acidic aqueous solution is Aqueous sulfuric acid solution was used. Here, the immersion treatment may be performed for 0.1 to 2 hours at a temperature range of 20 to 90°C.

이상의 구성을 통해 본 발명의 유/무기 고분자전해질복합막은 기존의 고분자전해질막과 비교해 40%이상 향상된 투과도와 이온선택도를 나타낼 수 있으며, 실리카 입자의 도입으로 인해 우수한 열적안정성을 구현할 수 있다. Through the above configuration, the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of the present invention can exhibit 40% or more improved permeability and ion selectivity compared to the conventional polymer electrolyte membrane, and excellent thermal stability due to the introduction of silica particles.

따라서, 본 발명의 레독스흐름전지나 연료전지와 같은 에너지저장장치 및 수처리 장치는 저투과도 및 고이온선택성을 갖는 유/무기 고분자전해질복합막을 포함함으로써 안정적인 성능을 확보할 수 있다.Therefore, the energy storage device and water treatment device such as a redox flow cell or a fuel cell of the present invention can secure stable performance by including an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane having low permeability and high ion selectivity.

실시예 1Example 1

1-1. 알콕시실란 기능성고분자용액을 준비하는 단계1-1. Preparing an alkoxysilane functional polymer solution

DMBA 14.8g, TDI 34.8g를 60℃의 반응플라스크에서 DMAC 100mL에 완전히 녹여 12시간 동안 반응시킨 후 APTES 22.1g을 추가하여 넣고 50℃에서 8시간동안 반응시켜 나노하이브리드 알콕시 실란 기능성 전구체를 얻었다. 상기 나노하이브리드 알콕시 실란 기능성 전구체를 0.1M 농도의 HCl 수용액에서 Hydrolysis 반응을 통해 sol-gel 혼합물질을 얻었다. 상기 sol-gel 혼합물질 3g을 7g DMAC에 분산시켜 균질한 상의 나노하이브리드 알콕시 실란 기능성 고분자(D-ASFP)용액을 얻었다.14.8 g of DMBA and 34.8 g of TDI were completely dissolved in 100 mL of DMAC in a reaction flask at 60° C. and reacted for 12 hours, and then 22.1 g of APTES was added and reacted at 50° C. for 8 hours to obtain a nanohybrid alkoxy silane functional precursor. The nanohybrid alkoxy silane functional precursor was obtained as a sol-gel mixture through a hydrolysis reaction in a 0.1M HCl aqueous solution. 3 g of the sol-gel mixture was dispersed in 7 g DMAC to obtain a homogeneous nanohybrid alkoxy silane functional polymer (D-ASFP) solution.

1-2. 과불소계 고분자 용액을 준비하는 단계1-2. Preparing a perfluorinated polymer solution

Nafion Dispersion (20wt%)을 petri dish에 붓고, 진공상태하의 60℃의 오븐에서 하루 동안 건조하여 고체상의 Nafion 고분자를 얻었다. 얻어진 Nafion을 유기상 과불소계 고분자 용액으로 준비하기 위해 2g Nafion, 8g DMAC를 60℃ hot-plate에서 12시간 동안 교반하여 20wt%의 과불소계 고분자 용액을 얻었다Nafion Dispersion (20wt%) was poured into a petri dish and dried in an oven at 60°C under vacuum for one day to obtain a solid Nafion polymer. To prepare the obtained Nafion as an organic perfluorine-based polymer solution, 2g Nafion and 8g DMAC were stirred in a hot-plate at 60℃ for 12 hours to obtain a 20wt% perfluorine-based polymer solution.

2. 막전구체용액 준비단계2. Membrane precursor solution preparation step

준비된 알콕시 실란 기능성 고분자(D-ASFP) 용액과 과불소계 고분자 용액을 고형분 기준으로 50:50, 25:75, 20:80, 10:90의 중량비로 혼합하여 상온에서 24시간 교반하여 균질상 막전구체용액 1-1 내지 1-4를 제조하였다. Homogeneous membrane precursor by mixing the prepared alkoxy silane functional polymer (D-ASFP) solution and the perfluorine-based polymer solution in a weight ratio of 50:50, 25:75, 20:80, 10:90 based on solid content and stirring at room temperature for 24 hours Solutions 1-1 to 1-4 were prepared.

3. 캐스팅 단계3. Casting Step

막전구체용액 1-2(알콕시 실란 기능성 고분자용액 5g (고형분 1.5g) 및 과불소계고분자용액 22.5g (고형분 4.5g) 배합비)을 상온에서 유리판에 캐스팅하여 캐스팅층을 형성하였다.Membrane precursor solution 1-2 (mixing ratio of alkoxysilane functional polymer solution 5g (solid content 1.5g) and perfluorine-based polymer solution 22.5g (solid content 4.5g)) was cast on a glass plate at room temperature to form a casting layer.

4. 제막단계4. Production stage

형성된 캐스팅층을 진공상태하의 60℃의 오븐에서 8시간동안 유지하여 표면 건조 후, 80℃에서 8시간동안, 100℃에서 8시간동안 추가 건조하여 용매를 제거하면서 캐스팅층에 포함된 알콕시 실란 기능성 고분자와 과불소계 고분자의열가교반응을 수행하여 알콕시 실란 기능성 고분자와 과불소계 고분자의 가교결합구조 및 가교결합구조내에 균일하게 분산된 나노 실리카입자를 포함하는 전구체막1-2를 얻었다.Alkoxy silane functional polymer contained in the casting layer by maintaining the formed casting layer in an oven at 60°C under vacuum for 8 hours, drying the surface, and further drying at 80°C for 8 hours and at 100°C for 8 hours to remove the solvent By performing a thermal crosslinking reaction between the alkoxysilane functional polymer and the perfluorine-based polymer, a precursor film 1-2 including nano-silica particles uniformly dispersed in the crosslinked structure and the crosslinked structure was obtained.

5. 전처리단계5. Pre-treatment step

최종적으로 얻어진 전구체막을 3% H2O2 수용액에 침지시키고 증류수에 침지시킨 후, 0.5M H2SO4 수용액에 침지시키고 다시 증류수에 침지시켜 프로토네이션 전처리를 진행하여 유/무기 고분자전해질 복합막1을 얻었다. 상기 전처리단계의 각 과정은 50℃에서 30분씩 진행하였다. The finally obtained precursor film was immersed in 3% H 2 O 2 aqueous solution and then immersed in distilled water, then immersed in 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution, and then immersed in distilled water to proceed with protonation pretreatment to prepare an organic/inorganic polymer electrolyte composite film 1 Got it. Each process of the pretreatment step was performed at 50°C for 30 minutes.

실시예 2Example 2

알콕시실란 기능성고분자용액을 준비하는 단계를 다음과 같이 수행한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 유/무기 고분자전해질 복합막2를 얻었다.An organic/inorganic polymer electrolyte composite film 2 was obtained by performing the same procedure as in Example 1, except that the step of preparing the alkoxysilane functional polymer solution was performed as follows.

Bisphenol A 22.8g, DMBA 14.6g, TDI 34.8g를 60℃의 반응플라스크에서 DMAC 100mL에 완전히 녹여 12시간 동안 반응시킨 후 APTES 22.1g을 추가하여 넣고 50℃에서 8시간동안 반응시켜 나노하이브리드 알콕시 실란 기능성 전구체를 얻었다. 상기 나노하이브리드 알콕시 실란 기능성 전구체를 0.1M 농도의 HCl 수용액에서 acid hydrolysis 반응을 통해 sol-gel 혼합물질을 얻었다. 상기 sol-gel 혼합물질 1.5g을 8.5g DMAC에 분산시켜 균질한 상의 나노하이브리드 알콕시 실란 기능성 고분자(BD-ASFP) 용액을 얻었다.Bisphenol A 22.8g, DMBA 14.6g, and TDI 34.8g were completely dissolved in 100mL of DMAC in a reaction flask at 60℃ and reacted for 12 hours, then 22.1g of APTES was added and reacted at 50℃ for 8 hours to perform nanohybrid alkoxysilane functionality. The precursor was obtained. The nanohybrid alkoxy silane functional precursor was subjected to an acid hydrolysis reaction in a 0.1M HCl aqueous solution to obtain a sol-gel mixture. 1.5 g of the sol-gel mixture was dispersed in 8.5 g DMAC to obtain a homogeneous nanohybrid alkoxy silane functional polymer (BD-ASFP) solution.

실시예 3Example 3

알콕시실란 기능성고분자용액을 준비하는 단계를 다음과 같이 수행한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 유/무기 고분자전해질 복합막3을 얻었다.An organic/inorganic polymer electrolyte composite film 3 was obtained by performing the same procedure as in Example 1, except that the step of preparing the alkoxysilane functional polymer solution was performed as follows.

Bisphenol A 22.8g, DMBA 14.6g, TDI 34.8g, PDMS 55g를 60℃의 반응플라스크에서 DMAC 100mL에 완전히 녹여 12시간 동안 반응시킨 후 APTES 22.1g을 추가하여 넣고 50℃에서 8시간동안 반응시켜 나노하이브리드 알콕시 실란 기능성 전구체를 얻었다. 상기 나노하이브리드 알콕시 실란 기능성 전구체를 0.1M 농도의 HCl 수용액에서 acid hydrolysis 반응을 통해 sol-gel 혼합물질을 얻었다. 상기 sol-gel 혼합물질 1g을 9g DMAC에 분산시켜 균질한 상의 나노하이브리드 알콕시 실란 기능성 고분자(BDP-ASFP) 용액을 얻었다.Bisphenol A 22.8g, DMBA 14.6g, TDI 34.8g, PDMS 55g were completely dissolved in 100mL of DMAC in a reaction flask at 60℃ and reacted for 12 hours, then 22.1g of APTES was added and reacted at 50℃ for 8 hours to make nanohybrid An alkoxy silane functional precursor was obtained. The nanohybrid alkoxy silane functional precursor was subjected to an acid hydrolysis reaction in a 0.1M HCl aqueous solution to obtain a sol-gel mixture. 1 g of the sol-gel mixture was dispersed in 9 g DMAC to obtain a homogeneous nanohybrid alkoxy silane functional polymer (BDP-ASFP) solution.

실험예 1Experimental Example 1

실시예1 내지 3에서 제조된 D-ASFP, BD-ASFP, BDP-ASFP의 합성여부를 확인하기 위해서 적외선 분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR)으로 비교 분석하였으며, 그 결과는 도 4에 나타내었다.In order to confirm whether the D-ASFP, BD-ASFP, and BDP-ASFP prepared in Examples 1 to 3 were synthesized, comparative analysis was performed by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), and the results are shown in FIG. Indicated.

도 4에 도시된 바와 같이, PDMS 및 APTES의 Si-O-Si, Si-O-C 그룹의 피크 (1000 - 1100cm-1)가 D-ASFP, BD-ASFP, BDP-ASFP 에서 모두 나타났고, TDI와 DMBA 사이의 가교구조의 Urea 그룹에서 유래한 NHC=O 관능기 (1600 - 1650cm-1) 피크가 D-ASFP, BD-ASFP, BDP-ASFP에서 모두 나타난 것으로 보아 합성이 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 또한 DMBA의 카르복실 그룹에서 유래한 C=O 관능기 (1700 -1750 cm-1) 피크가 D-ASFP, BD-ASFP, BDP-ASFP에서 모두 나타난 것으로 보아 상기 알콕시 실란 기능성 고분자가 성공적으로 제조되었음을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 4, the peaks (1000-1100cm -1 ) of the Si-O-Si and Si-OC groups of PDMS and APTES appeared in all of D-ASFP, BD-ASFP, and BDP-ASFP, and TDI and It was confirmed that the synthesis was made by seeing that the peak of the NHC=O functional group (1600-1650cm -1 ) derived from the Urea group of the crosslinked structure between DMBAs appeared in all of D-ASFP, BD-ASFP, and BDP-ASFP. In addition, as the C=O functional group (1700 -1750 cm -1 ) peak derived from the carboxyl group of DMBA appeared in all of D-ASFP, BD-ASFP, and BDP-ASFP, it was confirmed that the alkoxy silane functional polymer was successfully prepared. I can.

실험예 2Experimental Example 2

실시예 1에서 제조된 유/무기고분자전해질복합막1(Nafion-ASFP)의 알콕시 실란 기능성 고분자 및 과불소계고분자 사이의 이온결합가교구조를 확인하기 위해서 알콕시 실란 기능성 고분자(ASFP)를 대조군으로 하여 적외선 분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR)으로 비교 분석하였으며, 그 결과는 도 5에 나타내었다.In order to confirm the ionic bond crosslinking structure between the alkoxy silane functional polymer and the perfluorine-based polymer of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 (Nafion-ASFP) prepared in Example 1, the alkoxy silane functional polymer (ASFP) was used as a control. Comparative analysis was performed by spectroscopy (Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR), and the results are shown in FIG. 5.

도 5에 도시된 바와 같이, 대조군인 나피온(Nafion), 알콕시 실란 기능성 고분자(ASFP)와 유/무기 고분자전해질복합막1(Nafion-ASFP)의 피크를 비교하면, 나피온 막에서 관찰할 수 없는 ASFP의 카르복실 그룹에서 유래한 C=O 관능기 (1700 - 1750cm-1) 피크가 복합막에서 나타나고, ASFP의 Urea 그룹에서 유래한 NHC=O 관능기 (1600 - 1650cm-1) 피크가 복합막에서 나타난 것으로 보아 복합막내에 ASFP가 도입되었음을 확인할 수 있었다. 또한 알콕시 실란 기능성 고분자의 Si-O-C, Si-O-Si 그룹의 피크가 1000 - 1100cm-1 에서 관찰되었으며, 특히, 1000 cm-1 에서 관찰된 특성피크는 실란계 고분자가 과불소계 고분자와 함께 복합막을 형성하는 특성피크임을 확인할 수 있다. 한편, 상기 알콕시 실란 기능성 고분자의 Si-O-C, Si-O-Si 그룹의 피크 (1000 - 1100cm-1)는 과불소계고분자의 SO3H 그룹의 피크와 겹쳐져 나타났으나, 앞서 설명한 바와 같이 1000 cm-1 에서 관찰된 특성피크를 통해 복합막이 성공적으로 제조되었음을 확인할 수 있다.As shown in Figure 5, when comparing the peaks of the control Nafion (Nafion), alkoxy silane functional polymer (ASFP) and the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 (Nafion-ASFP), it can be observed in the Nafion membrane. The C=O functional group (1700-1750cm -1 ) peak derived from the carboxyl group of ASFP without ASFP appears in the composite membrane, and the NHC=O functional group (1600-1650cm -1 ) peak derived from the Urea group of ASFP appears in the composite membrane. As shown, it was confirmed that ASFP was introduced into the composite membrane. In addition, the peaks of Si-OC and Si-O-Si groups of the alkoxysilane functional polymer were observed at 1000-1100cm -1 , and in particular, the characteristic peak observed at 1000 cm -1 was that the silane-based polymer was complex with the perfluorine-based polymer. It can be seen that this is a characteristic peak that forms a film. On the other hand, the peak of the Si-OC, Si-O-Si group (1000-1100cm -1 ) of the alkoxy silane functional polymer overlapped with the peak of the SO 3 H group of the perfluorine-based polymer, but as described above, 1000 cm It can be confirmed that the composite membrane was successfully manufactured through the characteristic peak observed in -1 .

실험예 3Experimental Example 3

실시예 1에서 제조된 유/무기 고분자전해질복합막1(Nafion-ASFP)의 열적안정성을 확인하기 위해서, Nafion 212 및 유/무기 고분자전해질복합막1을 대상으로 열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA)을 실시하고 그 결과를 도 6에 도시하였다.In order to confirm the thermal stability of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 (Nafion-ASFP) prepared in Example 1, the thermogravimetric analysis (Thermogravimetric analysis, TGA) of Nafion 212 and the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 And the results are shown in FIG. 6.

도 6의 TGA 분석 그래프에서 Nafion 212의 SO3H 그룹이 350℃에서 dissociation이 일어나며, 450℃에는 main chain의 degradation이 일어나 500℃에서는 완전 소멸됨을 확인하였다. 유/무기 고분자전해질복합막1은 SO3H 그룹이 350℃에서 dissociation이 일어나며, 450℃에는 main chain의 degradation이 일어나기 시작했지만 500℃ 이후에 잔류물질이 존재함을 확인하였다. 이는 무기 고분자의 도입으로 인해 형성된 실리카 입자가 500℃ 이후에 잔류물질로 존재하는 것으로 판단된다. 이를 통해 유/무기 고분자전해질복합막1에 무기 입자가 도입되었음을 확인하였을 뿐만 아니라 유/무기 고분자 전해질 복합막1이 Nafion 212보다 열적안정성이 우수함을 확인할 수 있다.In the TGA analysis graph of FIG. 6, it was confirmed that dissociation of the SO 3 H group of Nafion 212 occurs at 350° C., and degradation of the main chain occurs at 450° C. and completely disappears at 500° C. In the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1, dissociation of the SO 3 H group occurred at 350°C, and degradation of the main chain began to occur at 450°C, but it was confirmed that residual substances existed after 500°C. It is believed that the silica particles formed due to the introduction of the inorganic polymer exist as residual materials after 500°C. Through this, it was confirmed that inorganic particles were introduced into the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1, as well as that the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 had better thermal stability than Nafion 212.

실험예 4Experimental Example 4

실시예 1에서 제조된 유/무기 고분자전해질복합막1(Nafion-ASFP)의 함수율(Water uptake) 및 치수변화율(Dimensional change)을 측정하기 위해, 유/무기 고분자전해질복합막 및 Nafion212를 대상으로 다음과 같이 함수율 및 치수변화율을 다음과 같이 측정하고 그 결과를 도 7에 나타내었다. In order to measure the water uptake and dimensional change of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 (Nafion-ASFP) prepared in Example 1, the following targeting the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane and Nafion 212 The moisture content and the dimensional change rate were measured as follows, and the results are shown in FIG. 7.

구체적으로는 유/무기 고분자전해질복합막1 및 Nafion 212를 진공상태하의 80℃ 오븐에서 24시간 이상 건조한 후 질량을 측정하고, 증류수에 24시간 함습시킨 후 표면의 수분을 제거하여 무게 증가 및 치수 변화를 측정하고 다음 식을 통해 함수율 및 치수변화율을 측정하였다.Specifically, the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 and Nafion 212 were dried in an oven at 80°C under vacuum for 24 hours or more, and then the mass was measured, and the moisture on the surface was removed after immersing in distilled water for 24 hours to increase the weight and change dimensions. Was measured and the moisture content and dimensional change rate were measured through the following equation.

Figure 112018096281289-pat00001
Figure 112018096281289-pat00001

유/무기 고분자전해질복합막1 및 Nafion 212의 함수율 및 치수변화율을 측정한 결과인 도 7에 도시된 바와 같이 Nafion 212의 경우 함수율이 24%, 치수변화율이 14%로 크게 변화하였다. 유/무기 고분자전해질복합막1의 경우 함수율이 13%, 치수변화율은 4%로 Nafion 212 대비 매우 낮은 함수율 및 치수변화율을 확인하였다. 이는 알콕시 실란 기능성 고분자의 도입 및 나노 실리카 입자의 생성으로 인해 유/무기 고분자전해질복합막1의 친수성 채널이 감소되었기 때문으로 판단된다.As shown in Fig. 7, which is a result of measuring the moisture content and dimensional change rate of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 and Nafion 212, the moisture content of Nafion 212 was significantly changed to 24% and the dimensional change rate to 14%. In the case of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1, the moisture content was 13% and the dimensional change rate was 4%, indicating very low moisture content and dimensional change rate compared to Nafion 212. This is believed to be due to the decrease in the hydrophilic channel of the organic/inorganic polymer electrolyte composite film 1 due to the introduction of the alkoxysilane functional polymer and the generation of nano silica particles.

실험예 5Experimental Example 5

실시예 1에서 제조된 유/무기 고분자전해질복합막1(Nafion-ASFP)의 이온교환용량(Ion Exchange Capacity, IEC)을 분석하기 위해, 유/무기 고분자전해질복합막1 및 Nafion212를 대상으로 다음과 같이 이온교환용량을 측정하고 그 결과를 도 8에 나타내었다.To analyze the ion exchange capacity (IEC) of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 (Nafion-ASFP) prepared in Example 1, the following targeting the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 and Nafion 212 Likewise, the ion exchange capacity was measured and the results are shown in FIG. 8.

구체적으로는 유/무기고분자전해질복합막1 또는 Nafion212를 1M NaCl 용액에 24시간 함침 후 페놀프탈레인 지시약으로 하여 0.1M NaOH 용액으로 적정하였다.Specifically, the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 or Nafion212 was impregnated in 1M NaCl solution for 24 hours, and then titrated with 0.1M NaOH solution as a phenolphthalein indicator.

유/무기 고분자전해질복합막1 및 Nafion212의 이온교환용량을 측정한 결과인 도 8에 도시된 바와 같이 Nafion212의 이온교환용량이 유/무기 고분자전해질복합막1에 비해 높게 측정되었다. 이는 알콕시 실란 기능성 고분자의 도입 및 나노 실리카 입자의 생성으로 인해 유/무기 고분자전해질복합막1의 친수성 채널이 감소되었기 때문으로 판단된다.As shown in Fig. 8, which is a result of measuring the ion exchange capacity of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 and Nafion 212, the ion exchange capacity of Nafion 212 was measured higher than that of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1. This is believed to be due to the decrease in the hydrophilic channel of the organic/inorganic polymer electrolyte composite film 1 due to the introduction of the alkoxysilane functional polymer and the generation of nano silica particles.

실험예 6Experimental Example 6

실시예 1에서 제조된 유/무기 고분자전해질복합막1(Nafion-ASFP)을 상온의 증류수에 24시간 침지한 다음, 이온전도도 셀의 전극 사이에 막을 넣은 후, 증류수 속에서 교류 임피던스 측정을 실시하여 막의 이온전도도를 측정하고 그 결과를 도 9에 나타내었다.The organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 (Nafion-ASFP) prepared in Example 1 was immersed in distilled water at room temperature for 24 hours, and then the membrane was placed between the electrodes of the ion conductivity cell, and AC impedance was measured in distilled water. The ionic conductivity of the membrane was measured and the results are shown in FIG. 9.

유/무기 고분자전해질복합막1 및 Nafion212의 이온전도도를 측정한 결과인 도 9로부터 Nafion 212가 유/무기 고분자전해질복합막1보다 높은 이온전도도를 가졌는데, 이는 알콕시 실란 기능성 고분자의 도입 및 나노 실리카 입자의 생성으로 인해 유/무기 고분자전해질복합막의 이온전달을 위한 채널이 감소되었기 때문으로 판단된다.From FIG. 9, which is a result of measuring the ionic conductivity of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 and Nafion 212, Nafion 212 had higher ionic conductivity than the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1, which is the introduction of alkoxysilane functional polymer and nano silica It is believed that this is because the channel for ion transport of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane has been reduced due to the generation of particles.

실험예 7Experimental Example 7

실시예 1에서 얻어진 유/무기 고분자전해질복합막1(Nafion-ASFP)의 투과도를 측정하기 위해, 유/무기 고분자전해질복합막 및 Nafion 212를 대상으로 다음과 같이 투과도를 측정하고 그 결과를 도 10에 도시하였다.In order to measure the transmittance of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 (Nafion-ASFP) obtained in Example 1, the transmittance of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane and Nafion 212 was measured as follows, and the results are shown in FIG. Shown in.

구체적으로, 유/무기 고분자전해질복합막1 또는 Nafion 212를 바나듐레독스흐름전지 단위 셀에 조립하고, 양쪽 전해액 용기에 각각 1.5M VOSO4 / 3M H2SO4용액과 1.5M MgSO4 / 3M H2SO4 용액을 50mL씩 넣고, 전해액을 단위 셀 방향으로 흘려보내면서 일정 시간간격으로 MgSO4 용액이 들어간 전해액 용기에서 시료를 채취하였다. 채취된 시료들은 3M H2SO4 용액에 용해된 1.5M MgSO4 용액을 blank로 하여 UV-vis spectrometer를 이용하여 농도를 측정해 투과된 바나듐 이온의 양을 측정하였다.Specifically, an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 or Nafion 212 was assembled in a unit cell of a vanadium redox flow battery, and 1.5M VOSO 4 / 3M H 2 SO 4 solution and 1.5M MgSO 4 / 3M H solution were respectively placed in both electrolyte containers. 2 50 mL of SO 4 solution was added each, and samples were taken from the electrolyte container containing the MgSO 4 solution at regular time intervals while flowing the electrolyte toward the unit cell. The collected samples were made of 1.5M MgSO 4 solution dissolved in 3M H 2 SO 4 solution as a blank, and the concentration was measured using a UV-vis spectrometer to measure the amount of permeated vanadium ions.

유/무기 고분자전해질복합막1 및 Nafion 212의 VO2+ 이온의 투과도와 시간별 VO2+ 이온의 농도변화를 보여주는 도 10으로부터, Nafion 212의 경우 투과도가 2.217× 10-7cm2/min로 나타났고, 유/무기 고분자전해질복합막1의 투과도는 1.259× 10-7cm2/min로 Nafion 212에 비하여 40%이상 낮게 나타났다. 이를 통해 유/무기 고분자전해질복합막은 VO2+ 이온의 투과 특성이 크게 개선되었음을 확인하였다.From Fig. 10 showing the permeability of VO 2+ ions of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 and Nafion 212 and the change in the concentration of VO 2+ ions over time, in the case of Nafion 212, the transmittance is 2.217×10 -7 cm 2 /min. The transmittance of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 was 1.259×10 -7 cm 2 /min, which was 40% lower than that of Nafion 212. Through this, it was confirmed that the permeation characteristics of VO 2+ ions were greatly improved in the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane.

실험예 8Experimental Example 8

실시예 1에서 얻어진 유/무기 고분자전해질복합막1(Nafion-ASFP)의 이온선택도를 분석하기 위해, 실험예 5의 이온전도도와 실험예 6의 투과도를 이용하여 다음 식을 통해 유/무기 고분자전해질복합막1 및 Nafion212의 이온선택도를 계산하고 그 결과를 도 11에 도시하였다.In order to analyze the ion selectivity of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 (Nafion-ASFP) obtained in Example 1, using the ion conductivity of Experimental Example 5 and the transmittance of Experimental Example 6, the organic/inorganic polymer The ion selectivity of the electrolyte composite membrane 1 and Nafion 212 was calculated and the results are shown in FIG. 11.

Figure 112018096281289-pat00002
Figure 112018096281289-pat00002

Nafion212의 이온전도도는 높게 측정되었지만 투과도가 높게 측정되어 이온선택도가 유/무기 고분자전해질복합막보다 낮게 나타났다. 반면 유/무기 고분자전해질복합막1의 경우 이온전도도는 낮았지만 투과도가 낮게 측정되어 이온선택도가 39%이상 높게 나타났다. 이를 통해 유/무기 고분자전해질복합막1은 우수한 이온선택 특성을 갖는 것을 확인하였다.The ion conductivity of Nafion212 was measured to be high, but the transmittance was measured to be high, indicating that the ion selectivity was lower than that of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane. On the other hand, in the case of the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1, the ion conductivity was low, but the transmittance was measured to be low, indicating that the ion selectivity was higher than 39%. Through this, it was confirmed that the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane 1 has excellent ion selection characteristics.

상술된 실험결과들은 본 발명의 유/무기 고분자전해질복합막이 레독스흐름전지에 사용된 경우만을 예시하였으나, 다른 종류의 이차전지 또는 연료전지와 같은 에너지저장장치에 사용될 경우에도 셀 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 장기 운전 성능 역시 향상시킬 수 있음이 예측될 수 있다.The above-described experimental results exemplified only the case where the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of the present invention is used for a redox flow cell, but not only improves cell performance even when used for energy storage devices such as other types of secondary cells or fuel cells. In addition, it can be predicted that long-term driving performance can also be improved.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been illustrated and described with a preferred embodiment as described above, it is not limited to the above-described embodiment, and within the scope of the spirit of the present invention, those of ordinary skill in the art Various changes and modifications will be possible.

Claims (16)

알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자의 가교결합구조; 및
상기 가교결합구조 내부에 균일하게 분산된 나노실리카입자;를 포함하며,
상기 알콕시실란기능성고분자는 D-ASFP (Diol Alkoxysilane- Functionalized Polymer), BD-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane ASFP) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 유/무기고분자전해질 복합막.
A crosslinked structure of an alkoxysilane functional polymer and a perfluorine-based polymer; And
Including; nano-silica particles uniformly dispersed within the cross-linked structure,
The alkoxysilane functional polymer is one or more selected from the group consisting of D-ASFP (Diol Alkoxysilane-functionalized Polymer), BD-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane ASFP), and combinations thereof. Organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 과불소계고분자는 나피온(듀폰), 3M 아이오노머 (3M), 푸미온(Fumion), 아키플렉스(Aciplex), 아퀴비온(Aquivion), 술폰화된 과불소계 고분자(PFSA, perfluorinated sulfonic acid), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드(poly(vinylidene fluoride)), 폴리비닐플로라이드(poly (vinyl fluoride)), 폴리비닐리덴 플루오르 코 퍼플루오르화 알킬비닐에테르(poly (vinylidene fluo-co-perfluorinated alkyl vinyl ethers))의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 유/무기고분자전해질 복합막.
The method of claim 1,
The perfluorinated polymer is Nafion (DuPont), 3M ionomer (3M), Fumion, Aciplex, Aquivion, sulfonated perfluorinated polymer (PFSA, perfluorinated sulfonic acid), Polytetrafluoroethylene, poly(vinylidene fluoride), poly(vinyl fluoride), polyvinylidene fluorocoperfluorinated alkyl vinyl ether (poly (vinylidene fluo-co- An organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane, characterized in that at least one selected from the group consisting of a combination of perfluorinated alkyl vinyl ethers)).
제 1 항에 있어서,
이온 투과도가 2×10-7 cm2/min 이하인 것을 특징으로 하는 유/무기고분자전해질 복합막.
The method of claim 1,
Organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane, characterized in that ion permeability is 2×10 -7 cm 2 /min or less.
알콕시실란 기능성고분자용액 및 과불소계고분자용액을 준비하는 단계;
상기 알콕시실란 기능성고분자용액과 과불소계 고분자 용액을 혼합하여 막전구체용액을 준비하는 단계;
상기 막전구체용액을 캐스팅하여 캐스팅층을 형성하는 캐스팅단계;
상기 캐스팅층에 포함된 알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자를 가교시켜 전구체막을 형성하는 제막단계; 및
상기 전구체막을 프로토네이션시키는 전처리단계;를 포함하며,
상기 알콕시실란 기능성고분자용액에 포함된 알콕시실란기능성고분자는 D-ASFP (Diol Alkoxysilane- Functionalized Polymer), BD-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane ASFP) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이고,
상기 제막단계에서 열가교반응을 통해 상기 알콕시실란 기능성고분자와 과불소계고분자의 가교결합구조 및 상기 가교결합구조 내부에 균일하게 분산된 나노실리카입자가 생성되는 것을 특징으로 하는 유/무기고분자전해질 복합막 제조방법.
Preparing an alkoxysilane functional polymer solution and a perfluorine-based polymer solution;
Preparing a membrane precursor solution by mixing the alkoxysilane functional polymer solution and the perfluorine-based polymer solution;
A casting step of casting the film precursor solution to form a casting layer;
A film forming step of forming a precursor film by crosslinking an alkoxysilane functional polymer and a perfluorine-based polymer included in the casting layer; And
Includes; a pretreatment step of protonating the precursor film,
The alkoxysilane functional polymer contained in the alkoxysilane functional polymer solution is a group consisting of D-ASFP (Diol Alkoxysilane- Functionalized Polymer), BD-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene ASFP), BDP-ASFP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane ASFP), and combinations thereof. Is any one or more selected from,
The organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane, characterized in that the crosslinking structure of the alkoxysilane functional polymer and the perfluorine-based polymer and nanosilica particles uniformly dispersed within the crosslinking structure are generated through a thermal crosslinking reaction in the film forming step Manufacturing method.
제 5 항에 있어서,
상기 알콕시실란 기능성고분자용액 및 상기 과불소계고분자용액은 각각 용매 100중량부 당 알콕시 실란 기능성 고분자 및 과불소계고분자를 5 내지 70중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 유/무기고분자전해질 복합막 제조방법.
The method of claim 5,
The alkoxysilane functional polymer solution and the perfluorine-based polymer solution each contain 5 to 70 parts by weight of an alkoxysilane functional polymer and a perfluorine-based polymer per 100 parts by weight of a solvent.A method for producing an organic/inorganic polymer electrolyte composite film.
제 6 항에 있어서,
상기 용매는 증류수, 에탄올, 이소프로판올, 메탄올, 디메틸술폭사이드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피릴리디논, N,N-디메틸포름아미드로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 유/무기고분자전해질 복합막 제조방법.
The method of claim 6,
The solvent is at least one selected from the group consisting of distilled water, ethanol, isopropanol, methanol, dimethyl sulfoxide, N,N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrillydinone, and N,N-dimethylformamide. Organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane manufacturing method.
제 5 항에 있어서,
상기 막전구체용액은 상기 알콕시 실란 기능성 고분자 용액 5 ~ 95 중량% 및 상기 과불소계고분자 용액 95 ~ 5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 유/무기고분자전해질 복합막 제조방법.
The method of claim 5,
The membrane precursor solution comprises 5 to 95% by weight of the alkoxy silane functional polymer solution and 95 to 5% by weight of the perfluorine-based polymer solution.
제 8 항에 있어서,
상기 막전구체용액은 상기 알콕시 실란 기능성 고분자 용액 및 상기 과불소계고분자 용액을 20~50도의 온도에서 교반하여 얻어지는 특징으로 하는 유/무기고분자전해질 복합막 제조방법.
The method of claim 8,
The membrane precursor solution is an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane manufacturing method, characterized in that it is obtained by stirring the alkoxysilane functional polymer solution and the perfluorine-based polymer solution at a temperature of 20 to 50 degrees.
제 5 항에 있어서,
상기 제막단계는 상기 캐스팅층을 70℃ 이하의 진공상태에서 건조시키는 단계; 건조된 캐스팅층을 70 내지 90℃에서 처리하는 1차 열처리 단계; 및 100℃이상의 온도에서 처리하는 2차 열처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유/무기고분자전해질 복합막 제조방법.
The method of claim 5,
The film forming step may include drying the casting layer in a vacuum of 70° C. or less; A first heat treatment step of treating the dried casting layer at 70 to 90°C; And a second heat treatment step of treating at a temperature of 100° C. or higher. 2. A method of manufacturing an organic/inorganic polymer electrolyte composite film comprising: a.
삭제delete 제 5 항에 있어서,
상기 프로토네이션은 상기 전구체막을 염기성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시키고, 다시 산성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 유/무기고분자전해질 복합막 제조방법.
The method of claim 5,
The protonation is performed by immersing the precursor film in a basic aqueous solution, immersing it in distilled water, immersing it in an acidic aqueous solution, and then immersing in distilled water to prepare an organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane.
제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 중 어느 한 항의 유/무기고분자전해질 복합막 또는 제 5 항 내지 제 10 항, 제 12 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 유/무기고분자전해질 복합막을 포함하는 연료전지.
The organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of any one of claims 1, 3, and 4 or the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane manufactured by the manufacturing method of any of claims 5 to 10, 12 Fuel cell including.
제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 중 어느 한 항의 유/무기고분자전해질 복합막 또는 제 5 항 내지 제 10 항, 제 12 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 유/무기고분자전해질 복합막을 포함하는 에너지저장장치.
The organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of any one of claims 1, 3, and 4 or the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane manufactured by the manufacturing method of any of claims 5 to 10, 12 Energy storage device comprising.
제 14 항에 있어서,
상기 에너지저장장치는 레독스흐름전지 또는 연료전지인 것을 특징으로 하는 에너지저장장치.
The method of claim 14,
The energy storage device is an energy storage device, characterized in that the redox flow cell or fuel cell.
제 1 항, 제 3 항, 제 4 항 중 어느 한 항의 유/무기고분자전해질 복합막 또는 제 5 항 내지 제 10 항, 제 12 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 유/무기고분자전해질 복합막을 포함하는 수처리장치. The organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane of any one of claims 1, 3, and 4 or the organic/inorganic polymer electrolyte composite membrane manufactured by the manufacturing method of any of claims 5 to 10, 12 Water treatment device comprising.
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