KR20140105132A - 혼성 다공성 구조체, 이를 포함하는 분리막 및 혼성 다공성 구조체의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
3차원 방향으로 서로 연결된(interconnected) 복수개의 제1기공을 포함하는 매트릭스와, 상기 복수개의 제1기공 각각의 일부 또는 전부를 채우는 제2기공을 갖는 다공성 물질을 포함하는 혼성 다공성 구조체, 분리막으로서의 그의 용도, 및 상기 혼성 다공성 구조체의 제조 방법이 제공된다.
Description
혼성 다공성 구조체, 이를 포함하는 분리막 및 혼성 다공성 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.
기공을 포함하는 분리막을 이용하여 특정한 크기의 물질을 분리할 수 있고, 분리막의 이러한 성질을 이용하여 오염 물질을 제거함으로써 수처리 기술에 적용할 수 있다. 이와 같이 수처리 사용될 수 있는 분리막은 표면의 미세공의 크기에 따라서 정밀여과막, 한외여과막, 나노여과막, 역삼투막 등으로 구별될 수 있다.
분리막의 특성은 내부에 형성된 기공의 특성에 따라 결정된다. 예를 들면, 분리막의 기공도가 높으면 구동 압력을 낮출 수 있으나 그에 따라 막의 물리적 강도가 약해지는 단점이 있고, 반대로 막의 물리적 강도를 높이기 위해 기공도를 낮추면 구동 압력이 높아지는 문제점이 있다. 한편, 분리막에 형성된 기공의 크기 분포를 좁히어 특정 크기 대상 물질에 대한 선별적 분리가 더욱 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 일 구현예는 우수한 기계적 강도를 가지면서도 단위면적당 기공밀도가 높고, 또한 균일한 크기의 나노기공이 형성된 혼성 다공성 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 혼성 다공성 구조체를 이용하는 분리막을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 혼성 다공성 구조체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 3차원 방향으로 서로 연결된(interconnected) 복수개의 제1기공을 포함하는 매트릭스와, 상기 복수개의 제1기공 각각의 일부 또는 전체를 채우는 제2기공을 갖는 다공성 물질을 포함하는 혼성 다공성 구조체가 제공된다.
상기 복수개의 제1기공은, 각각 3차원 방향으로 서로 접하여 연결된 구형(spherical)일 수 있다. 상기 복수개의 제1기공은 3차원 방향으로 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)로 적층된 형태의 구형일 수 있다.
상기 매트릭스는 비다공성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 매트릭스는 무기 산화물, 열가소성 수지, 경화성 수지, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 비다공성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은, 상기 매트릭스 내 복수개의 제1기공 전체 부피의 90% 이하, 예를 들어, 80% 이하, 예를 들어 70% 이하, 예를 들어, 60% 이하를 채울 수 있다.
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은, 상기 매트릭스 내 복수개의 제1기공들이 서로 연결되는(interconnected) 부분을 가로막는 형태로 존재할 수 있다.
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은, 상기 매트릭스 내 복수개의 제1기공들의 내벽을 코팅하는 형태로 존재할 수 있다.
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은 유기 다공성 물질, 무기 다공성 물질, 유무기 하이브리드 다공성 물질, 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
상기 유기 다공성 물질은 자기조립성 블록 공중합체, 양친성 액정(liquid crystal), 금속 함유 자기조립성 분자, 및 이들의 2종 이상의 조합으로부터 선택될 수 있다.
상기 무기 다공성 물질은 제올라이트, 금속산화물, 메조포러스 카본, 및 이들의 2종 이상의 조합으로부터 선택될 수 있다.
상기 유무기 하이브리드 다공성 물질은 MOF(metal-organic framework) 및 이들의 2종 이상의 조합으로부터 선택될 수 있다.
상기 유기 다공성 물질은 자기조립성 블록공중합체로부터 유도될 수 있고, 상기 자기조립성 블록공중합체는 자기조립 구조를 형성할 수 있다. 상기 자기조립 구조는 상기 블록공중합체의 적어도 일종의 블록을 형성하는 중합체의 일부 또는 전부가 제거되어 형성되는 나노기공을 포함하는 것일 수 있다.
상기 자기조립 구조는 라멜라(lamellar) 구조, 실린더(cylinder) 구조, 스피어(sphere) 구조, 자이로이드(gyroid) 구조, 또는 이들의 하나 이상의 조합인 구조일 수 있다.
상기 자기조립성 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체(PS-b-PMMA), 폴리스티렌-폴리부타디엔 블록 공중합체(PS-b-PB), 폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드 블록 공중합체(PS-b-PEO), 폴리스티렌-폴리비닐피리딘 블록 공중합체(PS-b-PVP), 폴리스티렌-폴리에틸렌아트프로필렌(polyethylene-alt-propylene) 블록 공중합체(PS-b-PEP), 폴리스티렌-폴리이소프렌 블록 공중합체(PS-b-PI), 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
상기 제1기공은 5nm 내지 100㎛의 평균 직경을 가질 수 있다.
상기 제2기공은 1nm 내지 100nm의 평균 직경을 가질 수 있다.
상기 혼성 다공성 구조체는 대향하는 2개의 표면과 두께를 갖는 막의 형상일 수 있다. 상기 막의 형상을 갖는 혼성 다공성 구조체에서, 상기 2개의 표면은, 각각 상기 복수의 제1기공이 차지하는 상대적인 면적이 전체 표면적의 5 내지 99%를 차지할 수 있고, 상기 두께 방향의 막의 벽면은 상기 제1기공이 노출되지 않은 형태일 수 있다.
상기 막 형상을 갖는 혼성 다공성 구조체에서, 상기 막의 두께는 10 nm 내지 1000 ㎛일 수 있다.
다른 구현예에서는, 상기 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막이 제공된다.
상기 분리막은 지지체 막을 더 포함하는 복합막 형태일 수 있다.
또 다른 구현예에서는,
제1기공 형성용 복수의 구형체 입자를 3차원 방향으로 서로 접하도록 적층하는 단계;
상기 적층된 복수의 구형체 입자 간의 간극을 메우고, 상기 구형체 입자들의 외부 표면을 코팅하도록 액상의 비다공성 물질을 주입한 뒤 경화하는 단계;
상기 경화된 비다공성 물질 내 상기 복수개의 제1기공 형성용 구형체 입자를 용해시켜 제거하여, 3차원 방향으로 접하여 서로 연결된(interconnected) 복수개의 제1기공들을 포함하는 매트릭스를 형성하는 단계;
적어도 둘 이상의 중합체가 공유결합으로 연결된 자기조립성 블록공중합체를 상기 매트릭스 내 복수개의 제1기공 내에 주입하여 혼성 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 혼성 구조체 중 상기 자기조립성 블록공중합체 내 적어도 일종의 블록을 형성하는 중합체를 일부 또는 전부 용출시켜 제2기공을 갖는 다공성 물질을 형성하는 단계
를 포함하는,
제2기공을 갖는 다공성 물질이 상기 복수개의 제1기공 각각의 일부 또는 전부를 채우는 혼성 다공성 구조체의 제조 방법에 제공된다.
상기 제1기공 형성용 복수의 구형체 입자를 3차원 방향으로 서로 접하도록 쌓은 적층체를 형성하는 단계는, 상기 구형체 입자들이 최조밀 쌓임 구조로 적층된 적층체를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1기공 형성용 복수의 구형체 입자는 콜로이드 입자일 수 있다.
상기 자기조립성 블록공중합체를 상기 매트릭스 내 복수의 제1기공 내에 주입하여 혼성 구조체를 형성하는 단계는, 상기 자기조립성 블록공중합체의 농도를 조절하여 주입하는 단계를 포함한다.
상기 자기조립성 블록공중합체의 농도를 조절하여 주입함으로써, 결과 형성되는 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질의 상기 제1기공 내의 위치를 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 자기조립성 블록공중합체의 농도를 조절함으로써, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은 상기 복수의 제1기공 각각에서, 제1기공들의 내벽 전체 또는 제1 기공들이 서로 인접하여 연결되는 부분에만 존재하도록 조절할 수 있다.
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질의 상기 제2기공의 크기는, 상기 자기조립성 블록공중합체의 상기 적어도 둘 이상의 중합체의 상대적인 비율을 조절함으로써 조절될 수 있다.
상기 혼성 다공성 구조체는 우수한 기계적 강도를 가지면서도 단위면적당 기공밀도가 증가되고, 또한 균일한 크기의 나노기공을 갖는 제2기공을 갖는 다공성 물질을 포함함으로써, 나노여과막 또는 한외여과막용 분리막 소재로서 이용 가능하다. 뿐만 아니라, 상기 구조체는 특정 크기의 입자만을 선별적으로 분리할 수 있는 특히 수처리용 바이오필터(biofiltration)에 효과적으로 적용될 수 있고, 이러한 수처리용 바이오필터는 수투과량이 현저히 개선될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체(10)의 모식도이다.
도 2는, 혼성 다공성 구조체의 제1기공(1) 내부 전체가 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)로 채워진 경우((a)), 및 혼성 다공성 구조체의 제1기공(1) 일부는 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)로 전부 채워지고, 다른 일부의 제1기공(1)들은 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 부분적으로만 채워진 형태((b))의 단면을 각각 모식도로서 나타낸 것이다.
도 3은, 혼성 다공성 구조체의 제1기공(1)들의 특정 위치에만 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 존재하는 형태를 개략적으로 나타낸 단면 모식도이다.
도 4는 도 3의 다공성 구조체를 입체적으로 나타낸 모식도로서, 도 4(b)는 도 4(a)의 일부를 확대하여 나타낸 그림이다.
도 5는, 일 실시예에 따른 혼성 다공성 구조체의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도로서, 상기 구조체 내 복수의 제1기공(1)의 내벽에 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 코팅된 것을 나타낸다.
도 6은 도 5를 입체적으로 나타낸 모식도로서, 제1기공 내벽에 제2기공을 갖는 다공성 물질이 코팅되어 있는 것을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체를 제조하는 방법의 각 단계를 모식도로 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에 따라 제조된, 제1기공들이 서로 인접한 연결부에 제2기공을 갖는 다공성 물질들이 가로막는 형태로 존재하는 혼성 다공성 구조체의 단면에 대한 주사전자현미경사진 (SEM) 사진이다.
도 9는 실시예 2에 따라 제조된, 제1기공의 내벽 전체에 제2기공을 갖는 다공성 물질이 코팅된 혼성 다공성 구조체의 단면에 대한 주사전자현미경사진 (SEM) 사진이다.
도 10은 실시예 1 내지 3에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막의, 압력 변화에 따른 투수량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는, 혼성 다공성 구조체의 제1기공(1) 내부 전체가 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)로 채워진 경우((a)), 및 혼성 다공성 구조체의 제1기공(1) 일부는 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)로 전부 채워지고, 다른 일부의 제1기공(1)들은 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 부분적으로만 채워진 형태((b))의 단면을 각각 모식도로서 나타낸 것이다.
도 3은, 혼성 다공성 구조체의 제1기공(1)들의 특정 위치에만 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 존재하는 형태를 개략적으로 나타낸 단면 모식도이다.
도 4는 도 3의 다공성 구조체를 입체적으로 나타낸 모식도로서, 도 4(b)는 도 4(a)의 일부를 확대하여 나타낸 그림이다.
도 5는, 일 실시예에 따른 혼성 다공성 구조체의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도로서, 상기 구조체 내 복수의 제1기공(1)의 내벽에 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 코팅된 것을 나타낸다.
도 6은 도 5를 입체적으로 나타낸 모식도로서, 제1기공 내벽에 제2기공을 갖는 다공성 물질이 코팅되어 있는 것을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체를 제조하는 방법의 각 단계를 모식도로 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 1에 따라 제조된, 제1기공들이 서로 인접한 연결부에 제2기공을 갖는 다공성 물질들이 가로막는 형태로 존재하는 혼성 다공성 구조체의 단면에 대한 주사전자현미경사진 (SEM) 사진이다.
도 9는 실시예 2에 따라 제조된, 제1기공의 내벽 전체에 제2기공을 갖는 다공성 물질이 코팅된 혼성 다공성 구조체의 단면에 대한 주사전자현미경사진 (SEM) 사진이다.
도 10은 실시예 1 내지 3에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막의, 압력 변화에 따른 투수량의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 일 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 필요에 따라서 도면을 참고로 설명되며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다. 본 명세서의 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 과장되게 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 또한, 각 도면에서 동일한 부호로 나타낸 것은 동일한 요소를 나타낸다.
본 발명의 일 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체는, 3차원 방향으로 서로 연결된(interconnected) 복수개의 제1기공을 포함하는 매트릭스와, 상기 복수개의 제1기공 각각의 일부 또는 전체를 채우는 제2기공을 갖는 다공성 물질을 포함하는 혼성 다공성 구조체를 제공한다.
일 예로서, 상기 복수개의 제1기공은 각각 3차원 방향으로 서로 접하여 연결된 구형, 예를 들어 3 차원 방향으로 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)로 적층된 형태의 구형일 수 있다.
따라서, 상기 제1기공들이 적층된 형태는, 예를 들어, 오팔상 구조(opal structure)를 형성할 수 있다. 오팔상 구조는 일정한 크기를 갖는 구형체가 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)로 적층된 구조를 의미한다. 최조밀 쌓임 구조에는, 예를 들어, 육방밀집구조(hexagonal close-packing, hcp)와 면심입방구조(face-centered cubic, fcc)가 있다.
상기 혼성 다공성 구조체에서, 상기 복수개의 제1 기공을 포함하는 매트릭스는 비다공성 물질, 예를 들어, 무기 산화물, 열가소성 수지, 경화성 수지, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 비다공성 물질로 이루질 수 있다.
상기 혼성 다공성 구조체는 비다공성 물질로 된 매트릭스를 포함함으로써 기계적 강도를 우수하게 유지하면서도, 복수개의 제1기공들을 포함하고, 이 복수개의 제1기공들 내에 각각 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질을 포함함으로써, 다공성 영역을 높은 부피비로 포함하여 구조체 전체 측면에서 높은 기공 비율을 확보할 수 있다.
또한, 상기 다공성 구조체는, 상기 제1 기공 및 제2 기공의 크기 및 기공도를 자유롭게 조절함으로써, 전체 혼성 다공성 구조체의 물리적 특성을 용이하고도 자유롭게 제어할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 상기 혼성 다공성 구조체(10)의 모식도이다.
도 1에서, 매트릭스(2) 내에 복수개의 제1기공(1)들이 3차원 방향으로 서로 연결되어 있으며, 각각의 제1기공(1) 안에, 작은 점으로 표현된 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 포함되어 있다. 도 1에서는, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은 상기 복수개의 제1 기공 전체를 채우고 있는 형태를 나타낸다.
각 도면에서, 상기 복수의 제1기공들은, 실제로는 매트릭스(2)의 구형 벽면들에 의해 구획되는 동공부를 의미하지만, 설명의 편의를 위해, 일부 도면에서는, 상기 제1기공들을 구획하는 매트릭스(2)의 둥근 벽면 부분을 제1기공(1)으로 표시하였다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은 복수개의 상기 제1 기공 각각을 전부 채울 수 있을 뿐만 아니라, 제1기공의 일부는 제2기공을 갖는 다공성 물질로 전부 채워질 수 있고, 또한 일부는 제2기공을 갖는 다공성 물질이 일부만 채워지거나, 또는 제2기공을 갖는 다공성 물질이 전혀 채워지지 않을 수도 있다.
상기 매트릭스(2) 내에 구형의 상기 제1기공(1)들이 존재하고, 그 안에 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 전부 채워져 있는 경우, 및 제1기공의 일부는 제2기공을 갖는 다공성 물질로 전부 채워지고, 나머지 일부는 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 일부만 채워진 형태의 단면 모식도를, 각각 도 2의 (a) 및 (b)에 나타내었다.
한편, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)은, 상기 복수개의 제1기공(1)들의 특정 위치에만 존재하도록 채워질 수도 있다. 이를 모식적으로 나타낸 것이 도 3이다.
도 3을 참조하면, 매트릭스(2) 내에 구형의 상기 제1기공(1)들이 존재하고, 이들 제1기공(1)들이 서로 접하여 연결되는 부분에만 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 존재함을 나타내고 있다. 이를 입체적인 모식도로 나타낸 것이 도 4의 (a)와 (b)이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 구형의 제1기공들이 적층되어 있고, 이들 제1기공들이 서로 연결되는 부분에만 제2기공을 갖는 다공성 물질들이 존재함을 알 수 있다. 도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 일부를 확대하여 나타낸 그림이다. 도 4의 (b)에서, 제1기공 내 특정 부분, 즉, 제1기공이 다른 제1기공과 연결되는 부분에만 제2기공을 갖는 다공성 물질이 존재하고 있는 것을 나타낸다.
도 5는, 상기 혼성 다공성 구조체에서, 매트릭스(2) 내 복수의 제1기공(1)들의 내벽에 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)이 코팅되어 있는 것을 모식적으로 나타낸다. 또한, 도 6은 도 5를 입체적으로 나타낸 모식도이다. 도 6을 참조하면, 상기 도 4와는 달리, 제1기공의 내벽 전체에 제2기공을 갖는 다공성 물질이 코팅되어 있는 것을 나타내고 있다.
한편, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은, 후술하는 상기 혼성 다공성 구조체의 제조 방법에 대한 구현예에서 보다 자세히 설명하는 바와 같이, 상기 다공성 물질을 형성하는 원료 물질의 농도 또는 함량을 조절함으로써, 상기 복수의 제1기공 내벽에 코팅되는 두께가 달라질 수 있고, 따라서, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질이 높은 농도로 충분히 존재하는 경우, 상기 복수의 제1기공 내부를 전체적으로 가득 채울 수도 있다. 또는, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질이 상기 복수의 제1기공 내부를 전부 채우지는 않더라도, 복수의 제1기공 내부를 일정 부피 비율 이상 채울 수 있다. 예를 들어, 상기 제2기공을 포함하는 다공성 물질은 상기 매트릭스 내 복수의 상기 제1기공 전체 부피의 90% 이하, 예를 들어, 80% 이하, 예를 들어 70% 이하, 예를 들어 60% 이하로 채울 수 있다. 이 때, 상기 복수의 제1기공은 전체적으로 동일하게 90% 이하, 예를 들어, 80% 이하, 예를 들어 70% 이하, 또는 예를 들어 60% 이하로 채워질 수도 있고, 또는, 복수의 제1기공 중 일부는 상기 다공성 물질로 100% 채워지는 반면, 다른 일부는 90% 정도 채워질 수 있고, 또 다른 일부는 30% 정도만 채워지거나, 또는 상기 다공성 물질이 전혀 포함되지 않고 비어있는 형태의 제1기공도 함께 존재할 수 있다.
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은 다공성으로 공지된 물질로서 제한 없이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 유기 다공성 물질, 무기 다공성 물질, 유무기 하이브리드 다공성 물질, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 무기 다공성 물질의 예로는 제올라이트, 실리카 등의 금속산화물, 메조포러스 카본 등을 들 수 있고, 상기 유무기 하이브리드 다공성 물질의 예로는 금속-유기 구조체(MOF, metal-organic framework)를 들 수 있으며, 이와 같이 입자 내에 나노기공을 형성한 물질을 다공성 영역의 물질로서 사용할 수 있다. 상기 나노 기공의 크기는 평균 약 1nm 내지 약 1,000nm일 수 있고, 예를 들어, 약 5nm 내지 500nm일 수 있고, 다른 예를 들면 약 10nm 내지 100nm일 수 있다.
한편, 상기 유기 다공성 물질로는, 예를 들어 자기조립성 블록공중합체를 사용할 수 있다. 자기조립성 블록공중합체는 서로 다른 물성 및 화학적 성질을 갖는 2종 이상의 고분자 블록들이 공유결합을 통해 연결되어, 상기 각 블록 간의 비상용성으로 인해 미세 상분리(microphase separation)를 일으키면서 열역학적으로 안정한 나노 구조, 예컨대, 구(sphere), 실린더(cylinder), 라멜라(lamella) 등이 주기적으로 배열된 형태의 자기조립 구조를 유도하는 물질로서 널리 알려져 있다. 본 발명의 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체 내 제2기공을 갖는 다공성 물질을 제조하기 위하여, 상기 자기조립성 블록공중합체의 적어도 일종의 블록을 형성하는 중합체의 일부 또는 전부를 제거하여 형성되는 나노기공을 포함하는 자기조립 구조상을 형성할 수 있다. 상기 생성되는 기공은 구 형상이 아닌 관형 등의 복잡한 구조일 수 있고, 관형의 나노기공의 직경은, 예를 들면 평균 약 1nm 내지 약 100nm 일 수 있다. 이러한 기공은 자기조립성 블록공중합체에 포함된 특정 중합체만을 선택적으로 용해하는 용매를 사용하여 제조할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체의 제2기공을 갖는 다공성 물질을 제조하기 위한 자기조립성 블록공중합체는, 상기한 미세한 나노 구조를 형성할 수 있는 것으로 공지된 블록공중합체가 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 폴리스티렌 블록과 폴리스티렌 이외의 고분자 블록을 공유결합한 블록공중합체를 사용할 수 있다. 구체적으로, 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 블록 공중합체(PS-b-PMMA), 폴리스티렌-폴리부타디엔 블록 공중합체(PS-b-PB), 폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드 블록 공중합체(PS-b-PEO), 폴리스티렌-폴리비닐피리딘 블록 공중합체(PS-b-PVP), 폴리스티렌-폴리에틸렌아트프로필렌(polyethylene-alt-propylene) 블록 공중합체(PS-b-PEP), 폴리스티렌-폴리이소프렌 블록 공중합체(PS-b-PI), 또는 이들의 2 이상의 조합으로 이루어진 블록공중합체 등을 사용할 수 있으며, 이들에 제한되지 않는다.
상기 다공성 물질을 형성할 수 있는 유기 다공성 물질의 다른 예를 들면, 자기조립이 가능한 혼성화된 단분자 또는 저분자의 유기물을 들 수 있다. 구체적으로, 양친성을 가지고 있는 저분자로서의 액정(liquid crystal), 메탈로센과 같은 금속 함유 단분자 또는 저분자 물질을 들 수 있다. 이 밖에도, 수소 결합, 금속 배위(metal coordination), 소수성 결합(hydrophobic force), 반데르발스 결합(van der Waals force), 파이-파이 상호작용(pi-pi interaction) 및 정전기 효과(electrostatic effect)를 통해 자기조립 가능한 단분자 또는 저분자 물질을 사용할 수 있다. 상기 자기조립 가능한 혼성화된 물질을 통하여 나노 구조를 형성한 뒤, 혼성화 물질의 일부를 제거하여 상기 제2기공 구조를 형성하는 다공성 물질을 형성할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체는 상기와 같은 나노구조의 다공성 물질을 포함하기 때문에, 나노여과막 또는 한외여과막용 분리막 소재로서의 활용뿐만 아니라, 특정 크기의 입자만을 선별적으로 분리할 수 있는, 특히 수처리용 바이오필터(biofiltration)에 효과적으로 적용될 수 있다.
상기 혼성 다공성 구조체를 분리막 등에 적용하기 위하여는 그 물리적 특성을 조절할 필요가 있는데, 상기 다공성 물질의 기공 크기 및 구조가 일정하여야 그 물리적 특성 제어가 용이해진다. 상기 기술한 자기조립 구조는 자기조립성 블록공중합체의 분자량, 각 블록을 형성하는 중합체 간의 함량비 등에 의해 쉽게 제어되어, 원하는 크기의 균일한 나노구조를 갖도록 설계될 수 있다. 따라서, 이와 같이 설계된 자기조립 구조에, 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 블록의 적어도 일부를 제거하여 기공을 형성함으로써, 균일한 나노구조의 기공을 가지는 다공성 물질을 용이하게 형성할 수 있다. 이와 같이, 자기조립성 블록공중합체는 균일한 나노구조의 다공성 물질로 쉽게 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 그 제작 과정 또한 매우 용이하여, 상기 혼성 다공성 구조체의 제2기공을 갖는 다공성 물질을 형성하기 위한 물질로서 매우 유용하다.
상기 혼성 다공성 구조체가 분리막으로서 유용하게 적용되기 위해서는 균일한 나노 기공 구조뿐만 아니라, 동시에 전체 혼성 다공성 구조체의 단위면적당 기공 밀도가 높아야 한다. 전체 혼성 다공성 구조체의 단위면적당 기공 밀도가 높아야 낮은 인가 압력에도 분리막의 효과적인 기능을 기대할 수 있기 때문이다. 전술한 바와 같이, 자기조립성 블록공중합체를 사용하여 균일한 나노구조의 다공성 구조를 형성할 수 있고, 또한 이러한 다공성 구조를 포함하는 다공성 물질이 복수의 구형체가 3차원 방향으로 서로 접하도록 쌓인 복수의 제1기공 내에 존재함으로써, 전체 혼성 다공성 구조체의 단위면적당 기공 밀도를 높일 수 있다.
상기 혼성 다공성 구조체 내 복수의 제1기공들은 그 크기 분포가 좁거나 거의 균일한 구형인 형상일수록 상기 혼성 다공성 구조체의 기계적 강도를 유지하면서도, 전체 혼성 다공성 구조체의 단위면적당 기공 밀도를 보다 높일 수 있다. 그러나, 상기 혼성 다공성 구조체는 적용하고자 하는 용도에 따라, 상기 제1기공의 크기를 다양하게 변형할 수 있다. 예를 들면, 제1기공의 크기가 한쪽 면에서 다른쪽 면으로 갈수록 작아지거나, 또는 커지도록 형성할 수 있다.
상기 혼성 다공성 구조체는 복수의 제1기공이 서로 접하도록 쌓인 적층체 형상에서 상기 적층체를 구성하는 하나의 제1기공의 크기를 조절함으로써, 전체 혼성 다공성 구조체의 단위면적당 최대 기공 밀도를 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 적층체를 구성하는 하나의 제1기공은 약 1nm 내지 약 100㎛의 평균 직경을 가질 수 있고, 또 다른 예를 들면, 약 10nm 내지 약 10㎛ 평균 직경을 가질 수 있다. 또 다른 예를 들면, 약 100nm 내지 약 1㎛ 평균 직경을 가질 수 있다. 상기 혼성 다공성 구조체는 상기 범위의 크기를 갖는 복수개의 제1기공들을 포함함으로써, 단위면적당 높은 기공 밀도를 갖는 분리막으로 사용될 수 있다.
상기 혼성 다공성 구조체의 상기 제1기공들은 3차원 방향으로 접하여 서로 연결된(interconnected) 복수의 구형체의 적층체 모양을 형성함으로써, 하나하나의 기공이 모두 3차원적으로 연결될 수 있다. 이러한 3차원 연결 구조의 특성상, 결함의 보상이 자동적으로 이루어지게 되어, 상기 혼성 다공성 구조체는 분리막에의 적용시 특정 크기의 타겟 물질을 분리하는데 매우 우수한 효과를 보일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼성 다공성 구조체의 경우, 단위면적당 기공밀도가 최대가 아닌 경우에도, 우수한 제거율을 나타냄을 확인하였다. 구체적으로, 후술하는 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 혼성 다공성 구조체의 경우, 제2기공을 갖는 다공성 물질이 제1기공 내부를 전체적으로 가득 채우지 않고, 제1기공이 인접한 제1기공들과 연결되는 부위에만 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질이 형성되도록 혼성 다공성 구조체를 제조하였는바, 이와 같은 실시예 1에 따른 혼성 다공성 구조체의 경우, 실시예 2 및 실시예 3의 혼성 다공성 구조체에 비해 단위면적당 기공밀도가 높지 않음에도 불구하고 충분한 불순물 제거율을 가지며, 실시예 2 및 실시예 3에 비해 현저히 높은 투수량을 나타냄을 확인하였다. 즉, 실시예 1에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막으로 5, 10, 20, 및 30 nm 크기를 갖는 금(Au) 입자 제거율을 평가한 결과, 상기 제2기공의 크기를 16nm로 조절한 실시예 1의 혼성 다공성 구조체를 포함한 분리막과, 제2기공의 크기를 22nm로 조절한 실시예 4의 혼성 다공성 구조체를 포함한 분리막의 상기 금 입자 제거율이, 실시예 1의 경우, 20 nm 크기의 금 입자를 100% 수준 제거함을 확인하였고, 실시예 4의 경우 89% 제거함을 확인하였다. 즉, 제1기공을 전부 채우지 않고, 제1기공들이 서로 연결되는 부위에만 제2기공을 갖는 다공성 물질을 형성하여 제조한 혼성 다공성 구조체의 경우, 제2기공의 크기 보다 큰 불순물은 100% 제거할 수 있음을 알 수 있다. 이는, 실시예 1 및 실시예 4에서 제조된 혼성 다공성 구조체 내에서, 제1기공들의 인접한 제1기공과의 연결부에만 존재하는 제2기공을 갖는 다공성 물질이, 상기 혼성 다공성 구조체 내에서, 제2기공보다 큰 불순물 입자들을 거르는 미세한 체(microseive)의 역할을 하여, 상기 불순물이 하나의 제1기공으로부터 다른 제1기공으로 이동하는 것을 효과적으로 방지할 수 있음을 나타내는 것이다. 즉, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질들이, 혼성 다공성 구조체 내 제1기공들의 연결부를 효과적으로 막음으로써, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질의 제2기공보다 작은 물질만이 상기 다공성 물질을 통과하여 하나의 제1기공으로부터 다른 제2기공으로 이동해갈 수 있는 것이다. 이에, 따라, 상기 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체의 경우, 단위면적당 기공밀도가 최대로 되지 않더라도, 우수한 불순물 제거 능력을 가짐을 알 수 있다.
한편, 상기한 실시예 1과 실시예 4에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막의 투수량이 실시예 2 또는 실시예 3의 혼성 다공성 구조체의 투수량 보다 다소 높을 것이라는 점은 어느 정도 예상할 수 있다. 그러나, 후술하는 실험예 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막의 경우 1.0 bar 압력에서 투수량이 약 2,000 LMH 이상인데, 이는 실시예 3에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막의 투수량에 비해 약 20 배 이상 높은 투수량을 나타내고, 실시예 2에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막에 비해서도 약 3 배 정도 높은 투수량이다. 이러한 투수량의 증가는 전혀 예상할 수 없었던 놀라운 투수량의 개선을 나타내는 것으로, 시판 중인 한외여과막의 투수량이 약 1,000 LMH라는 점을 고려하더라도, 현저히 높은 수치이다. 한편, 상기 기술한 바와 같이, 실시예 1에 따른 분리막은, 이와 같이 높은 투수량을 가짐에도 불구하고, 불순물 제거율 또한 제2기공 보다 큰 입자 직경을 갖는 불순물을 100% 수준으로 제거할 수 있다는 놀라운 효과를 가진다.
한편, 상기 제1기공을 포함하는 매트릭스는 비다공성 물질로 구성됨으로써, 혼성 다공성 구조체의 기계적 특성을 향상시킨다. 예를 들면, 수처리용 분리막에서 상기 매트릭스는 대략 평균 기공 크기를 1 내지 30Å 범위 내에서 가지는 것일 수 있다. 그러나, CO2와 같은 기체의 선별적인 분리막으로 사용할 경우, 보다 작은 기공 크기 범위를 갖도록 상기 매트릭스의 비다공 특성을 강화할 수 있다. 즉, 분리막으로서의 용도에 따라 상기 혼성 다공성 구조체의 비다공성 특성을 구현하는 매트릭스 물질의 기공 크기가 달라질 수 있다. 이와 같이, 상기 혼성 다공성 구조체는 3차원 방향으로 서로 접하도록 연결되어 있는 복수개의 제1기공들을 포함하는 비다공성 물질로 이루어지는 매트릭스를 동시에 포함함으로써, 상기 제1기공들로 이루어지는 기공 구조를 계층형으로 포함하는 혼성 구조체로서 형성된다.
상기 비다공성 영역을 이루는 물질은 상기 혼성 다공성 구조체의 기계적 강도를 원하는 정도로 유지할 수 있으면서, 후술하는 제조 방법에 적용가능한 비다공성 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 후술하는 혼성 다공성 구조체의 제조 방법에 의할 때, 콜로이드 입자로써 3차원의 적층체 구조체를 제조한 후, 그 간극을 메우도록 비다공성 영역을 형성한 다음, 내부의 콜로이드 입자의 적층체를 제거함으로써, 3차원 방향으로 서로 연결된 복수개의 제1기공들을 포함하는 비다공성 물질로 이루어진 매트릭스를 형성하게 된다. 상기 비다공성 영역은 내부의 콜로이드 입자의 적층체를 제거하는 공정 수행시 제거되지 않을 수 있어야 하고, 또한 상기 제1기공 내에 존재하는 제2의 기공들을 갖는 다공성 물질의 상기 제2기공 형성을 위한 공정 수행 시에도 제거되지 않을 수 있어야 한다. 제조 공정상 이러한 조건을 만족하고, 용도에 적절한 비다공성 특성을 가지면서 소정의 기계적 강도를 가지는 물질이라면, 그 종류에 제한 없이 상기 매트릭스 물질로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 매트릭스를 형성하는 비다공성 물질은 무기 산화물, 열가소성 수지 또는 경화성 수지 등일 수 있다.
상기 비다공성 물질로 사용될 수 있는 무기 산화물의 구체적인 예로서 티타늄 산화물, 주석 산화물, 납 산화물, 지르코늄 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 이트륨(Y) 산화물, 마그네슘 산화물, 칼슘 산화물, 알루미늄 산화물, 붕소 산화물, 실리콘 산화물, 제올라이트 등을 들 수 있고, 이들의 전구체를 포함하는 용액을 상기 적층체를 형성하는 복수의 구형체 간의 간극을 채우도록 주입한 후, 졸겔 반응에 의해 경화시켜 상기 혼성 다공성 구조체의 매트릭스를 형성할 수 있다.
상기 비다공성 물질로 사용될 수 있는 열가소성 수지의 구체적인 예로는 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리이소부틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리비닐렌플루오라이드, 폴리비닐클로라이드, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 디아세테이트, 셀룰로오스 트리아세테이트 등을 들 수 있다.
상기 비다공성 물질로 사용될 수 있는 경화성 수지로는 열경화성 수지, 광경화성 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 들 수 있다. 상기 열경화성 수지 및 상기 광경화성 수지는 각각 열경화성 수지 또는 광경화성 수지로서 공지된 수지를 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로, 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 열경화성 수지 또는 UV 경화성 수지와 같은 전자기파에 의해 경화될 수 있는 광경화성 수지를 사용할 수 있다. UV 경화성 수지의 구체적인 예로서, 폴리우레탄계, 폴리아크릴레이트계, 폴리에폭시계, 폴리우레탄아크릴레이트계, 폴리에스테르아크릴레이트계, 폴리에폭시아크릴레이트계, 실리콘계 UV 경화성 수지 등이 예시될 수 있다.
용매와 혼합된 열가소성 수지 또는 용매와 혼합된 경화성 수지; 또는 용융 상태의 액상 열가소성 수지 또는 액상 경화성 수지를 상기 적층체를 형성하는 복수의 제1기공 형성용 구형체 간의 간극을 채우도록 주입한 후, 건조, 냉각 또는 경화시켜 비다공성 매트릭스를 제조할 수 있다.
상기 혼성 다공성 구조체는, 전술한 바와 같은 혼성 다공성의 계층 구조를 이루는 물질들로 형성됨으로써, 낮은 구동 인가 압력에도 효과적으로 작용하고 우수한 기계적 안정성을 가짐으로써, 차세대 수처리용 분리막의 소재로 유용하게 활용될 수 있다. 이 밖에도, 극미세 생체, 환경물질의 선택적인 분리가 가능할 수 있어 하/폐수 처리, 음식물 처리(food processing), 원유 분리(oil separation) 등의 용도에 적용할 수 있다.
분리막으로 사용되기 위하여, 상기 혼성 다공성 구조체는 대향하는 2개의 표면과 두께를 갖는 막 형상으로서, 상기 2개의 표면은, 각각 상기 제1기공들이 차지하는 상대적인 면적이 전체 표면적의 약 5 내지 약 99%가 되도록 상기 제1기공들이 노출된 형태로 존재할 수 있고, 상기 두께 방향의 막의 벽면은 상기 제1기공들이 노출되지 않도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 2개의 표면은 각각 상기 제1기공이 차지하는 상대적인 면적이 전체 표면적의 약 25 내지 약 90%, 예를 들어 약 50 내지 약 80%일 수 있다.
상기 혼성 다공성 구조체는 약 10nm 내지 약 1000㎛ 두께를 갖는 막으로 형성될 수 있다. 막의 두께가 두꺼워지면 기계적 강도가 높아질 수 있으나, 상대적으로 그에 따른 높은 인가 압력을 요할 수 있게 된다. 이와 같이, 막의 두께를 조절하여 분리막의 용도에 따라 원하는 특성을 갖도록 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 막의 두께는 약 100nm 내지 약 500㎛일 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 막의 두께는 약 1000nm 내지 약 250㎛ 일 수 있다.
따라서, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체로 형성된 막을 포함하는 분리막을 제공한다.
상기 분리막은 용도에 따라 다공성 영역의 나노기공 구조를 조절하여 정밀여과막(MF: microfiltration membrane), 한외여과막(UF: ultra filtration memebrane), 나노여과막(NF: nano filtration membrane), 역삼투막(RO: reverse osmosis), 정삼투막(FO: forward osmosis) 등으로 제조될 수 있다.
상기 분리막은 단일막 또는 이종 재질의 막을 더 포함하는 복합막으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 분리막은 상기 혼성 다공성 구조체로 형성된 막(이하, '혼성 다공성 구조체 막'이라 함)의 단일막일 수 있다. 상기 분리막이 복합막인 경우, 예를 들면, 상기 혼성 다공성 구조체 막에 지지체 막을 결합한 복합막일 수 있다. 상기 지지체 막은 그 형태 및 종류가 한정되지 않고 공지된 재료로 공지된 방법에 의해 형성된 막을 사용할 수 있다.
상기 분리막이 복합막인 경우, 상기 혼성 다공성 막의 두께는 전술한 바와 같고, 상기 지지체 막의 두께는 약 200㎛ 내지 약 500㎛, 예를 들면, 약 100㎛ 내지 약 250㎛, 또 다른 예를 들어 약 50㎛ 내지 약 125㎛ 일 수 있다.
상기 지지체 막 또한 제조하고자 하는 분리막이 정밀여과막(MF: microfiltration membrane), 한외여과막(UF: ultrafiltration memebrane), 나노여과막(NF: nanofiltration membrane), 역삼투막(RO: reverse osmosis) 또는 정삼투막(FO: forward osmosis) 중 어느 것인지에 따라서 그에 맞게 제조될 수 있다.
상기 지지체 막은, 예를 들면, 폴리아크릴레이트계 화합물, 폴리메타크릴레이트계 화합물, 폴리 스티렌계 화합물, 폴리카보네이트계 화합물, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 화합물, 폴리이미드계 화합물, 폴리벤즈이미다졸계 화합물, 폴리벤즈티아졸계 화합물, 폴리벤조사졸계 화합물, 폴리 에폭시계 수지 화합물, 폴리올레핀계 화합물, 폴리페닐렌비닐렌 화합물, 폴리아미드계 화합물, 폴리아크릴로니트릴계 화합물, 폴리술폰계 화합물, 셀룰로오스계 화합물, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드(PVC) 화합물 및 이들의 조합에서 선택된 하나를 포함하여 제조될 수 있다.
이하, 상기 혼성 다공성 구조체를 제조하는 방법에 관하여 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체의 제조 방법은,
제1기공 형성용 복수의 구형체 입자를 3차원 방향으로 서로 접하도록 적층하는 단계;
상기 적층된 복수의 구형체 입자 간의 간극을 메우고, 상기 구형체 입자들의 외부 표면을 코팅하도록 액상의 비다공성 물질을 주입한 뒤 경화하는 단계;
상기 경화된 비다공성 물질 내 상기 제1기공 형성용 복수의 구형체 입자들을 용해시켜 제거하여, 3차원 방향으로 접하여 서로 연결된(interconnected) 구형의 복수개의 제1기공을 포함하는 매트릭스를 형성하는 단계;
적어도 둘 이상의 중합체가 공유결합으로 연결된 자기조립성 블록공중합체를 상기 매트릭스 내 복수개의 제1기공 내에 주입하여 혼성 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 혼성 구조체 중 상기 자기조립성 블록공중합체 내 적어도 일종의 블록을 형성하는 중합체를 일부 또는 전부 용출시켜 제거하는 단계
를 포함하는, 제2기공을 갖는 다공성 물질이 상기 복수의 제1기공 각각의 일부 또는 전부를 채우는 혼성 다공성 구조체의 제조 방법이 제공된다.
상기 제1기공 형성용 복수의 구형체 입자를 3차원 방향으로 서로 접하도록 쌓은 적층체를 형성하는 단계는, 상기 구형체 입자들이 최조밀 쌓임 구조로 적층된 적층체를 형성하는 단계를 포함한다.
도 7은 상기 혼성 다공성 구조체를 제조하는 방법의 각 단계를 모식도로 나타낸 것이다.
먼저 복수의 제1기공 형성용 구형체 입자(4)를 3차원 방향으로 서로 접하도록 쌓아 적층체를 형성한다. 도 7(a)는 복수의 제1기공 형성용 구형체 입자(4)들을 오팔상 구조의 적층체로 형성한 것이다. 전술한 바와 같이, 일 구현예에서는, 최종 얻고자 하는 혼성 다공성 구조체의 단위면적당 기공 밀도에 따라서, 상기 구형체 입자들(4)의 크기를 결정할 수도 있다. 예를 들면, 상기 구형체 입자(4)의 평균 직경은 약 1nm 내지 약 100㎛, 예를 들면 약 10nm 내지 약 10㎛, 또 다른 예를 들면 약 100nm 내지 약 1㎛일 수 있다. 상기 구형체 입자(4) 및 그 적층체의 형상에 관한 한, 상기 혼성 다공성 구조체의 제1기공의 형태를 설명하기 위해 설명된 구형 및 적층체에 관한 설명과 같다. 예를 들면, 상기 구형체 입자(4)는 상기 범위의 크기를 가지면서 오팔상 구조체를 형성할 수 있다.
상기 복수의 제1기공 형성용 구형체 입자(4)는 비다공성 매트릭스(2) 형성 후 에칭에 의해 선택적인 제거가 가능한 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 구형체 입자(4) 간의 크기 편차를 작게 형성하기 위하여, 상기 구형체 입자(4)로서 콜로이드 입자를 사용할 수 있다. 예를 들면, SiO2 같은 무기 콜로이드 입자나 폴리스티렌(PS), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)와 같은 유기 콜로이드 입자를 이용하여 스핀코팅, 침적코팅(dip coating), 침전(sedimentation), 스프레이법, 전기영동법 등과 같은 외부 자극을 이용한 적층법을 이용한 코팅법, LB(Langmuir-Blodgett)법, 형틀-가이드법 등과 같은 방법을 이용하여 결정 격자를 갖는 콜로이드 입자의 오팔상 구조체를 형성시킬 수 있다.
상기와 같이 형성된 적층체의 구형체 입자(4) 간의 간극이 모두 메워지도록, 액상의 비다공성 매트릭스 형성용 물질(2')을 주입하여 구조체를 형성한다(도 7(b)). 상기 액상의 비다공성 매트릭스 형성용 물질은 열가소성 수지, 경화성 수지 또는 무기산화물 전구체 용액일 수 있고, 그 상세한 설명은 상기 혼성 다공성 구조체에 포함된 상기 매트릭스를 구성하는 비다공성 물질에 대해 설명한 바와 같다. 상기 액상의 비다공성 매트릭스 형성용 물질(2')의 주입 방법으로는 회전 도포법, 모세관 충전법, 침적코팅, 스프레이법 등에 의할 수 있고, 이에 한정되지는 않는다.
박막의 양쪽 면이 열려있는 프리 스탠딩(free-standing) 박막 형태의 혼성 다공성 구조체(10)를 제조하기 위해, 박막의 양쪽 면에 복수의 제1기공들 (1)이 노출되도록 제조하기 위하여, 상기 매트릭스 형성용 물질(2')을 경화하여 매트릭스(2)로 형성하기 전에, 상기 구형체 입자(4)가 표면에 드러나도록 상기 매트릭스 형성용 물질(2')을 일부 제거한다(도 7(c)). 이어서, 상기 매트릭스 형성용 물질(2')을 경화시켜 매트릭스(2)를 형성한다(도 7(d)). 상기 구형체 입자(4)가 노출되는 정도를 조절하여, 최종 제조되는 박막의 일 표면에서 상기 복수의 제1기공 영역(1)이 차지하는 상대적인 면적이 전체 표면적의 약 5 내지 약 99%, 예를 들어 약 25 내지 약 90%, 또 다른 예를 들어 약 50 내지 약 80%가 되게 할 수 있다.
이어서, 구형체 입자(4)만을 선택적으로 용해시켜 제거할 수 있는 용매를 이용하여 구형체 입자(4)만을 제거함으로써, 매트릭스(2) 내에서 3차원 방향으로 접하여 연결된 구형의 적층체 형상을 이루는 복수의 제1기공(1)들을 형성한다(도 7(e)). 도 7(e)에서 제1기공(1) 상에 표시된 작은 점들은 제1기공들이 인접한 제1기공과 서로 연결되어(interconnected) 있음을 나타낸다.
상기 구형체 입자(4)의 제거는, 상기 구형체 입자(4)가 SiO2와 같은 무기 산화물 콜로이드 입자라면 불산(HF)을 사용하여 제거해낼 수 있고, 상기 구형체 입자(4)가 폴리스티렌과 같은 유기 콜로이드 입자라면 톨루엔 등과 같은 유기 용매를 사용하여 제거해낼 수 있다. 상기 구형체 입자(4)로 사용된 콜로이드 입자의 종류 및 크기에 따라서 적층체 구조의 제1기공의 격자 구조의 크기 및 격자간 연결 부위의 공극의 크기 등을 제어할 수 있다.
상기 제1기공 함유 매트릭스(2) 내 복수의 제1기공(1)들 내부로 자기조립성 블록공중합체를 주입함으로써 자기 조립 구조를 형성한다(도 7(f)). 이어서, 상기 자기조립성 블록공중합체 내의 적어도 일종의 블록을 형성하는 중합체를 일부 또는 전부 용출시켜 제거함으로써, 제2기공을 갖는 다공성 물질들(3)을 형성하여, 계층적 기공 구조를 갖는 혼성 다공성 구조체(10)를 얻을 수 있다(도 7(g)).
상기 제1기공 함유 매트릭스(2) 내의 제1기공들(1) 내로 상기 자기조립성 블록공중합체를 주입하는 방법은, 상기 자기조립성 블록공중합체의 용융액 또는 희석 용액을, 예를 들면 모세관 충전법(capillary filling), 스핀 코팅(spin coating) 침적 코팅, 스프레이 코팅 등에 매크로기공(5)으로 침투시켜 수행될 수 있다. 이어서, 상기 자기조립성 블록공중합체의 용융액 또는 희석 용액을 고형화시켜(이때 자기 조립 구조 형성함), 상기 제1기공(1) 내부의 표면에 상기 자기 조립 구조를 형성한 자기조립성 블록공중합체가 코팅되게 할 수 있다. 자기조립성 블록공중합체의 주입 방법에 따라 자기조립성 블록공중합체의 용융액 또는 희석액을 적절히 사용할 수 있다.
이어서, 상기 자기조립성 블록공중합체 내의 적어도 일종의 블록을 형성하는 중합체를 일부 또는 전부 용출시켜 제거하기 위하여, 상기 자기조립성 블록공중합체의 적어도 일종의 블록을 형성하는 중합체만 선택적으로 용해하는 용매를 사용하여 상기 블록 공중합체를 에칭할 수 있다. 이와 같이 하여, 비다공성 매트릭스(2) 내 복수의 제1기공들(1) 내로 상기 제1기공보다 작은 제2기공을 포함하는 다공성 물질(3)을 형성함으로써, 비다공성 매트릭스(2) 내 제1기공(1), 및 상기 제1기공 내에 보다 작은 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)을 포함하는 혼성 다공성 구조체(10)를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 상기 혼성 다공성 구조체(10)를 제조하는 방법은 복수의 제1기공 함유 비다공성 매트릭스(2)를 먼저 형성한 후, 상기 제1기공(1) 내로 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)을 형성하는 물질을 주입함으로써 제2기공을 갖는 다공성 물질을 형성할 수 있기 때문에, 대면적 가공 및 수십 마이크로미터 두께의 산업적 가공에도 용이하게 적용할 수 있다.
한편, 상기 자기조립성 블록공중합체를 상기 매트릭스(2) 내 복수의 제1기공(1) 내로 주입하여 제2기공을 갖는 다공성 물질(3)을 제조함에 있어서, 상기 자기조립성 블록공중합체의 농도를 조절함으로써, 상기 복수개의 제1기공의 총 부피비에 대한 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질의 비율, 또는 상기 제1기공 내에서 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질의 위치를 조절할 수 있다.
구체적으로, 후술하는 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 자기조립성 블록공중합체로서 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)의 함량이 약 20 내지 30%인 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체(PS-b-PMMA)를 사용하는 경우, 상기 블록공중합체를 7 중량% 함유하는 용액을 상기 제1기공을 포함하는 매트릭스 내로 주입하여 제2기공을 갖는 다공성 물질을 형성한 경우와, 상기 블록공중합체를 10 중량%의 농도로 포함하는 용액을 사용한 경우, 및 상기 블록공중합체를 14 중량%의 농도로 포함하는 용액을 사용한 경우, 각각으로부터 형성되는 제2기공을 갖는 다공성 물질의 제1기공 내에서의 존재 위치 및 함량이 상이하다. 예를 들어, 상기 블록공중합체를 7 중량% 농도로 포함하는 용액을 사용하여 제2기공 함유 다공성 물질을 형성한 경우(실시예 1), 상기 제2기공 함유 다공성 물질은 복수의 제1기공 내에서, 제1기공들이 인접한 제1기공들과 연결되는 연결부, 즉, 하나의 제1기공과 또 하나의 다른 제1기공을 형성하는 각각의 기공의 격벽이 존재하지 않는 영역 상에서, 상기 영역을 덮는 형상으로 상기 제2기공 함유 다공성 물질이 형성되었다. 이를 단순화하여 단면도로서 개략적으로 나타낸 것이 도 3이고, 도 3을 입체적인 형태로 표현한 것이 도 4이다. 도 4(a) 및 도 4(b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 구형의 적층체 형태로 이루어지는 복수의 제1기공들 내부에, 상기 제1기공의 크기보다 훨씬 작은 기공구조를 포함하는 다공성 물질이, 상기 제1기공들이 연결되는 부위에만 존재하는 형태임을 알 수 있다. 도 8은 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질이 상기 제1기공 내에서, 제1기공들 사이의 연결부 상에만 존재하는 형태를 나타내는, 실시예 1에 따라 제조된 혼성다공성 구조체의 단면에 대한 주사전자현미경사진 (SEM) 사진이다.
한편, 도 9는, 실시예 2에 따라 제조된, 상기 블록공중합체의 농도를 10 중량%로 포함하는 용액을 사용하여 제2기공을 갖는 다공성 물질을 포함하는 혼성 다공성 구조체의 단면에 대한 주사전자현미경사진 (SEM) 사진이다. 도 9로부터, 복수의 제1기공의 내벽 상에, 보다 작은 기공들을 포함하는 다공성 물질이 전체적으로 코팅되어 있음을 알 수 있다.
한편, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질의 상기 제2기공의 크기는, 상기 자기조립성 블록공중합체의 상기 적어도 둘 이상의 중합체 종류 또는 둘 이상의 중합체의 상대적인 비율을 조절함으로써 조절할 수 있다.
예를 들어, 후술하는 실시예 1 및 실시예 4에서와 같이, 상기 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체(PS-b-PMMA)에서 PMMA의 부피비율을 20%로 한 경우(실시예 1), 상기 제2기공의 직경은 약 16nm로 조절될 수 있는 반면, 상기 PMMA의 몰비를 약 28%로 한 경우(실시예 4), 상기 제2기공의 직경은 약 22nm로 조절되었다.
상기 블록공중합체에서 각각의 블록을 형성하는 중합체의 함량을 조절함으로써, 해당 블록공중합체로부터 제조되는 다공성 물질의 제2기공의 크기를 용이하고도 균일하게 조절할 수 있다. 이와 같이 제2기공의 크기를 조절한 혼성 다공성 구조체는, 제2기공의 크기에 따른 제거 가능한 불순물 입자의 크기를 선택할 수 있다. 예를 들어, 상기 16nm의 직경 크기를 갖는 제2기공을 형성한 혼성 다공성 구조체의 경우, 약 20nm 크기의 금(Au) 입자를 거의 100% 효율로 제거할 수 있음에 반해, 상기 22nm 크기를 갖도록 제2기공을 형성한 혼성 다공성 구조체의 경우, 20nm 크기의 금 입자의 제거율이 89% 정도였다.
이와 같이, 본 발명의 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체의 제조 방법은, 제1기공을 형성하는 구형체 입자의 크기를 조절함으로써, 불순물을 포함하는 공급 용액의 이동통로(bypass)로서 제공되는 비다공성 매트릭스 내 복수개의 제1기공의 크기를 용이하게 조절할 수 있는 한편, 자기조립성 블록공중합체의 각각의 블록을 구성하는 폴리머의 종류 및 상대적인 비율 등을 조절함으로써, 제1기공 보다 훨씬 작은 나노기공 크기의 제2기공의 크기도 용이하고 균일하게 조절할 수 있다.
또한, 상기 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체의 제조 방법은, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질을 형성하는 물질의 농도 또는 함량을 조절함으로써, 혼성 다공성 구조체 내의 제1기공 내 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질의 위치 및 함량을 조절할 수 있고, 그로부터 적용하고자 하는 용도에 맞는 투수량 또는 불순물 제거율을 용이하게 조절할 수 있다.
특히, 후술하는 실시예의 결과로부터 알 수 있는 것과 같이, 상기 구현예에 따라, 제2기공을 갖는 다공성 물질이 제1기공들의 인접하는 제1기공과의 연결부에만 존재하고, 상기 연결부를 가로막는 형태로 존재하는 경우, 상기 혼성 다공성 구조체에서 물질의 이동통로(bypass)로서 작용하는 제1기공에 물질의 흐름을 방해하는 장애물이 존재하지 않음으로써, 예를 들어 수처리막으로 사용되는 경우, 투수량을 현저하게 개선할 수 있음을 알 수 있다. 구체적으로, 실시예 1에 따라 7중량%의 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체(PS-b-PMMA)를 포함하는 용액을 사용하여 제조한 혼성 다공성 구조체의 경우, 1 bar 압력에서 투수량이 2000 LMH 이상으로 나타났는바, 이는 기존의 한외여과막의 수투과량 대비 2배 이상 증가된 수투과량이다. 반면, 상기 블록공중합체의 농도를 10중량%로 포함하는 용액을 사용하여 제2기공을 갖는 다공성 물질을 형성한 혼성 다공성 구조체의 경우(실시예 2), 투수량은 700 LMH 이하였으며, 상기 블록공중합체의 농도를 14 중량%로 증가시켜 제2기공을 갖는 다공성 물질을 형성한 혼성 다공성 구조체(실시예 3)의 경우, 투수량이 100 LMH로 현저히 낮아졌다.
또한, 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막의 경우, 압력을 2.5 bar까지 증가시키는 경우 투수량은 더욱 향상되어 2,000 LMH 이상까지 증가하였으며, 그러한 분리막의 기계적 강도 또한 충분히 보장됨을 알 수 있다.
한편, 실시예 1에 따른 혼성 다공성 구조체를 사용하는 경우, 상기와 같은 높은 투수량에도 불구하고, 여전히 높은 불순물 제거율을 나타냄으로써, 투수량 및 제거율 모두 높은 수처리막으로의 용도에 매우 유용할 것으로 생각된다. 이러한 효과는, 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체의 제1기공들의 연결부에 존재하는 제2기공을 갖는 다공성 구조체가, 비록 제1기공의 연결부에만 존재하더라도, 이는 하나의 제1기공으로부터 다른 제2기공으로의 불순물의 이동을 막는 미세 체(microseive)로서의 역할을 충분히 수행할 수 있음을 나타내는 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 구현예에 따른 혼성 다공성 구조체는, 제1기공 및 제2기공의 크기 및 기공도를 용이하게 제어하고 균일하게 유지할 수 있으며, 나아가 제1기공 내 제2기공을 갖는 다공성 물질의 위치 또한 제어할 수 있음에 따라, 그로부터 제조되는 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막의 투수량 및 불순물 제거율을 현저히 개선할 수 있다. 동시에, 상기 혼성 다공성 구조체는 비다공성 매트릭스의 존재로 인해 높은 기계적 강도 또한 유지할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
(
실시예
)
제조예
1: 폴리스티렌 콜로이드 입자의 제조
폴리스티렌(PS) 콜로이드 입자를 합성하기 위하여 에멀젼 중합을 선택하였다. 먼저, 비이커에 25 ml의 에탄올과 0.01 g의 폴리비닐피롤리돈 (PVP, polyvinylpyrrolidone)을 넣은 후, 다른 용기에 3 ml의 증류수와 암모늄 과황산화염(APS, ammonium persulfate) 0.0065g을 준비하여, 각각 수 분간 교반 후 두 용액을 혼합한다. 그 후 2.2 ml의 스티렌(styrene) 단량체를 상기 혼합 용액에 넣은 후 70 ℃에서 12 시간 동안 반응시킨다. 반응이 종료된 후, 11,000 rpm으로 원심분리 공정과 초음파처리 공정을 에탄올을 이용하여 3회 반복하면서, 반응물 중 PVP와 같은 미반응물이나 불순물을 제거한다.
제조예
2:
역오팔상
비다공성
매트릭스의 제조
제조예 1에서 제조된 600nm 크기의 폴리스티렌 나노 입자를 이용하여 침전법(sedimentation)으로 고도의 결정 격자 형태를 갖는 오팔 구조체를 형성한다. 상기 형성된 오팔 구조체에 폴리우레탄아크릴레이트(PUA)를 회전도포법(1,000 rpm, 5 min)에 의하여 주입한다. 역오팔상 구조체 박막의 양쪽 면이 열려있는 프리 스탠딩(free-standing) 박막의 형태를 만들기 위해 에탄올 (30 v/v%, 증류수)을 회전도포(1,000rpm, 30sec)하여 표면에 과량으로 존재하는 폴리우레탄아크릴레이트를 제거하고 표면을 평탄화한다. 이어서, 자외선 노광 조건 하에 30 분 동안 경화를 통하여 역오팔 형태의 폴리우레탄아크릴레이트 매트릭스를 만들고, 이후 톨루엔에 2 시간 동안 담지시켜 내부의 폴리스티렌 입자들을 제거한다.
제조예
3: 블록 공중합체의 합성
음이온 중합법을 통해 스티렌과 메틸메타크릴레이트 단량체를 사용하여 테트라하이드로퓨란(THF: tetrahydrofuran) 용매 상에서 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체(PS-b-PMMA)를 합성한다. 아르곤 분위기에서, 개시제는 sec-butyllithium 를 사용하여 -78 ℃에서 중합 반응을 수행한다. 수평균 분자량은 86 ~ 88 kg/mol (PDI< 1.06)로 확인되었으며, PMMA (? PMMA)의 부피분율은 0.20 내지 0.28 사이로 조절되었다.
실시예
1: 혼성 다공성 구조체의 제조
제조예 2에서 제조한 역오팔상 비다공성 매트릭스 내에, 제조예 3에서 제조된 PS-b-PMMA 블록공중합체(PS 부피분율 = 80 %)의 7중량% 희석 용액을 혼입시킨 후, 용제를 기화시켜 내부에 블록공중합체의 박막을 형성하고, 다시 진공상태 하에서 24 시간 동안 170 ℃ 의 열처리 과정을 인가하여 실린더 형태의 나노 상분리를 유도한다. 이후 5 시간의 진공 상태에서의 자외선(UV) 조광을 통해 PMMA의 사슬을 분해한 후, 아세트산을 이용하여 분해된 PMMA를 용출함으로써 블록공중합체의 나노기공 구조체를 제작한다. 이로써, 상기 블록공중합체의 나노기공 구조체가 역오팔상 비다공성 매트릭스 내에 형성된 혼성 다공성 구조체가 제조되었다. 본 실시예에 따라 제조된 혼성 다공성 구조체의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 8에 나타내었다.
도 8로부터 알 수 있는 것과 같이, 상기 블록공중합체의 7 중량% 희석 용액으로부터 형성된 나노기공 구조체는, 상기 역오팔상 비다공성 매트릭스 내에서, 구형의 기공들이 서로 연결되는 부위에 주로 형성되어 있음을 알 수 있다.
실시예
2: 혼성 다공성 구조체의 제조
제조예 3에서 제조된 PS-b-PMMA 블록공중합체(PS 부피분율 = 80 %)의 10중량% 희석 용액을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 블록공중합체의 나노기공 구조체를 포함하는 혼성 다공성 구조체를 제조한다. 도 9는 본 실시예에 따라 제조된 혼성 다공성 구조체의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
실시예
3: 혼성 다공성 구조체의 제조
제조예 3에서 제조된 PS-b-PMMA 블록공중합체(PS 부피분율 = 80 %)의 14중량% 희석 용액을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 블록공중합체의 나노기공 구조체를 포함하는 혼성 다공성 구조체를 제조한다.
실시예
4: 혼성 다공성 구조체의 제조
제조예 3에서 제조된 PS-b-PMMA 블록공중합체(PS 부피분율 = 72 %)의 7중량% 희석 용액을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 블록공중합체의 나노기공 구조체를 포함하는 혼성 다공성 구조체를 제조한다.
제조예
4: 분리막의 제조
실시예 1 내지 4에서 제조된 혼성 다공성 구조체의 투수량 및 불순물 제거율 등을 평가하기 위하여, 상기 혼성 다공성 구조체(15 ㎛)를 상용화된 지지체인 셀룰로오스 아세테이트(CA: cellulose acetate) 지지체 막(0.45 ㎛)과 결합한 후, stirred cell에 조립하여 한외여과(UF) 분리막을 제조한다.
실험예
1: 분리막 성능 평가
(1)
투수량
평가
상기 제조예 4에서 제조된 각 분리막에 대하여 분리막 성능을 평가하기 위해, 피드 용액(feed solution)을 통과시킨 후 정제된 정도를 평가한다.
상기 제조예 4의 Stirred cell의 유효 멤브레인 면적은 4.1 ㎠이다. 투수량을 측정하기 위해 질소 가스를 이용하여 압력을 가하고, 시간에 따른 부피를 측정함으로써 투수량을 계산한다. 투수량 계산은 다음 수학식 1에 따라 한다.
(수학식 1)
F = V/(A*t)
수학식 1에서, V는 투과 유량, A는 막 면적을 나타내고, t는 측정 시간을 나타낸다.
상기 실시예 1 내지 3에 따른 혼성 다공성 구조체로부터 제조된 분리막의 투수량은 하기 표1에 나타낸 것과 같다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | |
| 투수량 | 2,000 LMH | 700 LMH | 100 LMH 이하 |
한편, 상기 분리막의 압력 증가에 따른 투수량의 변화를 측정하여 도 10의 그래프로 나타내었다.
표 1로부터 알 수 있는 것처럼, PS-b-PMMA 블록공중합체의 농도를 7 중량% 정도로 하여 제조한 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막은 투수량이 2,000 LMH로, 상기 블록공중합체의 농도가 10 중량% 또는 14 중량%로 증가한 용액을 사용하여 나노기공 구조체를 제조한 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막에 비해 투수량이 현저하게 증가함을 알 수 있다.
또한, 도 10으로부터, 실시예 1의 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막은, 압력을 증가시키는 경우 실시예 2 및 실시예 3의 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막에 비해 투수량이 더욱 빠르게 증가함을 알 수 있고, 높은 압력을 가하는 경우에도, 기계적 강도 역시 충분함을 알 수 있다. 특히, 압력이 2.5 bar 이상 증가할 경우, 투수량은 3,000 LMH 이상으로 증가한다.
반면, 실시예 3의 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막은 압력 증가에도 불구하고, 투수량 증가도가 매우 미미하며, 압력을 2.5 bar 이상으로 증가시켜도 투수량은 500 LMH 이하였다. 실시예 2의 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막 역시 압력 증가에도 투수량 증가도가 크지 않으나, 압력을 2.5 bar 까지 증가시키는 경우, 약 1,000 LMH의 투수량을 나타내어, 시판되는 한외여과 분리막의 투수량과 유사하게 나타남을 알 수 있다.
(2) 불순물 제거율 평가
또한, 불순물 제거율을 평가하기 위해, 금 나노입자를 5, 10, 20, 및 30 nm로 준비하여, 1 bar 하에 테스트를 진행한다. 또한 유입수 용액과 생산수 용액을 UV-vis spectroscopy를 이용하여 농도 변화를 확인함으로써 제거율을 측정한다.
상기 제거율 시험을 위해, 실시예 1에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막과, 실시예 4에 따른 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막을 사용하였다. 상기 실시예 1에 따른 혼성 다공성 구조체는, 나노기공 구조체를 형성하는 블록공중합체의 PMMA 부피분율이 20%로, 그로부터 형성되는 블록공중합체의 기공 크기는 약 16nm이다. 반면, 실시예 4에 따른 혼성 다공성 구조체는, 나노기공 구조를 형성하는 블록공중합체의 PMMA 부피분율이 약 28%로, 그로부터 형성되는 블록공중합체의 기공 크기는 약 22nm이다.
이들 분리막을 이용하여 상기 입자 크기를 가지는 금 입자 제거율을 평가한 결과는 하기 표 2와 같다.
| 제거율(%)/금(Au) 직경 | ||||
| 5 | 10 | 20 | 30 | |
| 실시예 1 (나노기공 크기: 16nm) | 30 | 77 | 100 | 100 |
| 실시예 4 (나노기공 크기: 22nm) | 25 | 68 | 89 | 100 |
표 2로부터 알 수 있는 것과 같이, 본 발명의 구현예에 따른 분리막은, 블록공중합체의 각 블록을 형성하는 중합체의 부피분율 등을 조절함으로써 용이하게 혼성 다공성 구조체 내 나노기공의 크기를 조절할 수 있고, 그 결과 제거하고자 하는 물질에 따른 선택도 및 제거율을 현저히 높일 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
Claims (20)
- 3차원 방향으로 서로 연결된(interconnected) 복수개의 제1기공을 포함하는 매트릭스와, 상기 복수개의 제1기공 각각의 일부 또는 전부를 채우는 제2기공을 갖는 다공성 물질을 포함하는 혼성 다공성 구조체.
- 제1항에서,
상기 복수개의 제1기공은 3차원 방향으로 서로 접하여 연결된 구형(spherical)인 혼성 다공성 구초체. - 제1항에서,
상기 매트릭스는 무기 산화물, 열가소성 수지, 경화성 수지, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 비다공성 물질로 이루어진 혼성 다공성 구조체. - 제1항에서,
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은, 상기 매트릭스 내 복수개의 제1기공 전체 부피의 70% 이하의 부피를 차지하는 혼성 다공성 구조체. - 제1항에서,
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은, 상기 복수개의 제1기공들 내에서, 제1기공이 인접한 제1기공과 서로 연결되는(interconnected) 부분을 가로막는 형태로 존재하는 혼성 다공성 구조체. - 제1항에서,
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은, 상기 복수개의 제1기공들의 내벽을 코팅하는 형태로 존재하는 혼성 다공성 구조체. - 제1항에서,
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은 유기 다공성 물질, 무기 다공성 물질, 유무기 하이브리드 다공성 물질, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 혼성 다공성 구조체. - 제1항에서,
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질은 자기조립성 블록공중합체로부터 유도되며, 상기 자기조립성 블록공중합체의 적어도 일종의 블록을 형성하는 중합체의 일부 또는 전부를 제거하여 형성되는 나노기공을 포함하는 것인 혼성 다공성 구조체. - 제8항에서,
상기 자기조립성 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트 블록공중합체(PS-b-PMMA), 폴리스티렌-폴리부타디엔 블록 공중합체(PS-b-PB), 폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드 블록 공중합체(PS-b-PEO), 폴리스티렌-폴리비닐피리딘 블록 공중합체(PS-b-PVP), 폴리스티렌-폴리에틸렌아트프로필렌(polyethylene-alt-propylene) 블록 공중합체(PS-b-PEP), 폴리스티렌-폴리이소프렌 블록 공중합체(PS-b-PI) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 혼성 다공성 구조체. - 제1항에서,
상기 복수개의 제1기공은 5nm 내지 100㎛의 평균 직경을 갖는 혼성 다공성 구조체. - 제1항에서,
상기 제2기공은 1nm 내지 100nm의 평균 직경을 갖는 혼성 다공성 구조체. - 제1항에서,
상기 혼성 다공성 구조체는 대향하는 2개의 표면과 두께를 갖는 막의 형태이고, 상기 대향하는 2 개의 표면은, 각각 상기 복수개의 제1기공이 차지하는 면적이 전체 표면적의 5 내지 99%를 차지하는 혼성 다공성 구조체. - 제12항에서,
상기 막의 형태를 갖는 혼성 다공성 구조체에서, 상기 막의 두께는 10 nm 내지 1000 ㎛인 혼성 다공성 구조체. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 혼성 다공성 구조체를 포함하는 분리막.
- 제14항에서,
지지체 막을 더 포함하는 복합막 형태의 분리막. - 제1기공 형성용 복수개의 구형체 입자를 3차원 방향으로 서로 접하도록 적층하는 단계;
상기 적층된 복수개의 구형체 입자 사이의 간극을 메우고, 상기 구형체 입자들의 외부 표면을 코팅하도록 액상의 비다공성 물질을 주입하고 경화하는 단계;
상기 경화된 비다공성 물질 내 상기 복수개의 제1기공 형성용 구형체 입자를 용해시켜 제거하여, 3차원 방향으로 접하여 서로 연결된(interconnected) 복수개의 제1기공들을 포함하는 매트릭스를 형성하는 단계;
적어도 둘 이상의 중합체가 공유결합으로 연결된 자기조립성 블록공중합체를 상기 매트릭스 내 복수개의 제1기공 내에 주입하여 혼성 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 혼성 구조체 중 상기 자기조립성 블록공중합체 내 적어도 일종의 블록을 형성하는 중합체를 일부 또는 전부 용출시켜 제2기공을 갖는 다공성 물질을 형성하는 단계
를 포함하는,
제2기공을 갖는 다공성 물질이 상기 복수개의 제1기공 각각의 일부 또는 전부를 채우는 혼성 다공성 구조체의 제조 방법. - 제16항에서,
상기 제1기공 형성용 복수개의 구형체 입자를 3차원 방향으로 서로 접하도록 적층하는 단계는, 상기 구형체 입자들이 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)로 적층되도록 적층하는 것을 포함하는 혼성 다공성 구조체의 제조 방법. - 제16항에서,
상기 제1기공 형성용 복수개의 구형체 입자는 콜로이드 입자인 혼성 다공성 구조체의 제조 방법. - 제16항에서,
상기 자기조립성 블록공중합체를 상기 매트릭스 내 복수개의 제1기공 내에 주입하여 혼성 구조체를 형성하는 단계는, 상기 자기조립성 블록공중합체의 농도를 조절하여 주입하는 것을 포함하고, 상기 자기조립성 블록공중합체의 농도를 조절하여 주입함으로써, 상기 제2기공을 갖는 다공성 물질의 상기 복수개의 제1기공 내에서의 위치를 조절하는 혼성 다공성 구조체의 제조 방법. - 제16항에서,
상기 제2기공을 갖는 다공성 물질의 상기 제2기공의 크기는, 상기 자기조립성 블록공중합체의 상기 적어도 둘 이상의 중합체의 종류 또는 상기 중합체들의 상대적인 비율을 조절함으로써 조절되는 혼성 다공성 구조체의 제조 방법.
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| KR102090288B1 (ko) | 2020-03-17 |
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