KR20210002166A - The organic-inorganic composite electrolyte membrane, a method for producing the same, and an application product including the membrane - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to: an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane having a low transmittance characteristic by crosslinking an organic polymer and an inorganic polymer impregnated in a porous support to generate silica particles, a method of manufacturing the same, and an application product including the membrane. The organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane includes a porous polymer support, a hydrophilic polymer impregnation layer, an organic/inorganic polymer impregnation layer, and an upper and lower organic/inorganic polymer layer.

Description

유/무기 강화복합전해질막, 그 제조방법 및 응용제품{The organic-inorganic composite electrolyte membrane, a method for producing the same, and an application product including the membrane} The organic-inorganic composite electrolyte membrane, a method for producing the same, and an application product including the membrane}

본 발명은 유/무기 강화복합전해질막 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 다공성 지지체에 함침된 유기 고분자와 무기 고분자가 가교되면서 실리카 입자를 생성하여 낮은 투과도 특성을 갖는 유/무기 강화복합전해질막, 그 제조방법 및 상기 막을 포함하는 응용제품에 관한 것이다.The present invention relates to an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane and a method for manufacturing the same, and more specifically, an organic/inorganic reinforced composite having a low permeability characteristic by generating silica particles while crosslinking an organic polymer and an inorganic polymer impregnated in a porous support. It relates to an electrolyte membrane, a method of manufacturing the same, and an application product including the membrane.

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.

또한, 강화복합막은 기계적강도와 내구성이 우수한 다공성 지지체에 이온전도성이 우수한 아이오노머를 도입하여 제조하는 방법으로 제안되어왔으나, 다공성 지지체와 아이오노머 간의 탈리가 일어난다는 단점이 있다.In addition, the reinforced composite membrane has been proposed as a method of preparing 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.

따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술이 개발될 필요성이 존재한다.Therefore, there is a need to develop a technology capable of solving this problem.

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

본 발명자들은 다수의 연구결과 유/무기고분자를 다공성 지지체에 함침하여 낮은 투과도 특성을 갖는 유/무기 강화복합전해질막을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.The present inventors completed the present invention by developing an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane having a low permeability characteristic by impregnating an organic/inorganic polymer into a porous support as a result of a number of studies.

따라서, 본 발명의 목적은 다공성 지지체를 통해 우수한 치수안정성을 확보하는 동시에 저가의 다공성 지지체에 이온 전도가 가능한 작용기가 도입된 유/무기고분자를 함침함으로써 고분자 전해질 막의 원가를 절감할 수 있는 유/무기 강화복합전해질막 및 그 막의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to ensure excellent dimensional stability through a porous support and at the same time impregnate organic/inorganic polymers with functional groups capable of ion conduction into a low-cost porous support, thereby reducing the cost of a polymer electrolyte membrane. It is to provide a reinforced composite electrolyte film and a method of manufacturing the film.

본 발명의 다른 목적은 다공성 지지체에 함침된 유기 고분자와 무기 고분자가 가교되면서 실리카 입자를 생성하여 이온 전도성을 부여하면서 동시에 활물질의 투과는 억제함으로써 기존의 강화복합전해질막보다 크게 개선된 저투과도 특성과 이온전도도를 구현할 수 있는 유/무기 강화복합전해질막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to create silica particles while crosslinking the organic and inorganic polymers impregnated in a porous support, thereby imparting ionic conductivity and suppressing the permeation of the active material, resulting in significantly improved low-permeability properties than the conventional reinforced composite electrolyte membrane. It is to provide an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane capable of implementing ionic conductivity and a method of manufacturing the same.

본 발명의 또 다른 목적은 다공성 지지체에 친수성고분자코팅층을 먼저 형성한 후 유/무기고분자의 함침을 진행하여 다공성 지지체와 유/무기고분자층 간의 결착력이 우수한 특성을 갖는 유/무기 강화복합전해질막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane having excellent binding strength between the porous support and the organic/inorganic polymer layer by first forming a hydrophilic polymer coating layer on a porous support and then impregnating the organic/inorganic polymer, and It is to provide a manufacturing method.

본 발명의 또 다른 목적은 저비용 및 저투과도의 특성을 갖는 유/무기 강화복합 전해질막을 포함함으로써 장기구동에 유리한 에너지 저장 장치 및 수처리장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an energy storage device and a water treatment device advantageous for long-term operation by including an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane having low cost and low transmittance characteristics.

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 다공성 고분자지지체; 상기 고분자지지체의 기공을 포함하여 상기 고분자지지체가 외부로 노출된 모든 표면에 형성된 친수성고분자함침층; 상기 친수성고분자함침층 상에 형성되는 유/무기고분자함침층; 및 상기 다공성 고분자지지체의 하부면과 상부면에 형성된 유/무기고분자함침층 상에 각각 형성된 상, 하부 유/무기고분자층;을 포함하는 유/무기 강화복합전해질막을 제공한다. In order to achieve the object of the present invention described above, the present invention is a porous polymer support; A hydrophilic polymer-impregnated layer formed on all surfaces exposed to the outside of the polymeric support including pores of the polymeric support; An organic/inorganic polymer impregnated layer formed on the hydrophilic polymer impregnated layer; And upper and lower organic/inorganic polymer layers respectively formed on the organic/inorganic polymer impregnated layers formed on the lower and upper surfaces of the porous polymer support. It provides an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane comprising a.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유/무기고분자함침층 및 상, 하부 유/무기고분자층은 무기고분자물질과 유기고분자물질의 가교결합구조 및 상기 가교결합구조 내부에 균일하게 분산된 나노실리카입자를 포함한다.In a preferred embodiment, the organic/inorganic polymer-impregnated layer and the upper and lower organic/inorganic polymer layers include a crosslinked structure of an inorganic polymer material and an organic polymer material, and nanosilica particles uniformly dispersed within the crosslinked structure. do.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유/무기고분자함침층 및 상, 하부유/무기고분자층은 무기고분자물질 및 유기고분자물질이 0.01:19.99 내지 19.99:0.01의 중량비로 포함된다. In a preferred embodiment, the organic/inorganic polymer impregnated layer and the upper and lower organic/inorganic polymer layers contain an inorganic polymer material and an organic polymer material in a weight ratio of 0.01:19.99 to 19.99:0.01.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 무기고분자물질은 DM-SP, D-SP (Diol Silica Precursor), BD-SP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene SP), BDP-SP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane SP) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나이다. In a preferred embodiment, the inorganic polymer material is from the group consisting of DM-SP, D-SP (Diol Silica Precursor), BD-SP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene SP), BDP-SP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane SP), and combinations thereof. Which one is chosen.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유기고분자물질은 나피온(듀폰), 3M 아이오노머 (3M), Fumion(Fumatech), Aciplex (Asahi Chemical), Aquivion(Solvay), 술폰화된 과불소계 고분자(PFSA, perfluorinated sulfonic acid), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리비닐플로라이드, 폴리비닐리덴 플루오르 코 퍼플루오르화 알킬비닐에테르 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나이다. In a preferred embodiment, the organic polymer material is Nafion (Dupon), 3M ionomer (3M), Fumion (Fumatech), Aciplex (Asahi Chemical), Aquivion (Solvay), sulfonated perfluorinated polymer (PFSA, perfluorinated sulfonic acid), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluorocoperfluorinated alkyl vinyl ether, and combinations thereof.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 다공성 고분자지지체는 폴리에틸렌 또는 친수성 실리카를 포함하는 폴리에틸렌으로 이루어진다.In a preferred embodiment, the porous polymer support is made of polyethylene or polyethylene including hydrophilic silica.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 다공성 지지체는 5nm 내지 100um 범위의 직경을 갖는 기공을 포함한다.In a preferred embodiment, the porous support includes pores having a diameter in the range of 5 nm to 100 μm.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 친수성고분자는 폴리도파민, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리비닐알코올로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다.In a preferred embodiment, the hydrophilic polymer is at least one selected from the group consisting of polydopamine, polyethylene glycol and polyvinyl alcohol.

또한, 본 발명은 다공성 고분자지지체를 준비하는 단계; 상기 다공성 고분자지지체를 친수성고분자용액에 함침시켜 상기 다공성 고분자지지체의 기공을 포함하여 외부로 노출된 모든 표면에 친수성고분자함침층이 형성된 1차 함침처리 고분자지지체를 얻는 1차 함침단계; 상기 1차 함침처리 고분자지지체를 유/무기고분자용액에 함침시켜 상기 친수성고분자함침층 상에 유/무기고분자함침층이 형성된 2차 함침처리 고분자지지체를 얻는 2차 함침단계; 상기 2차 함침처리 고분자지지체의 상부면과 하부면에 각각 상부 유/무기고분자층과 하부 유/무기고분자층이 형성된 전구체막을 얻는 제막단계; 및 상기 전구체막을 전처리하는 단계;를 포함하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a porous polymer support; A first impregnation step of impregnating the porous polymer support in a hydrophilic polymer solution to obtain a first impregnation treatment polymer support in which a hydrophilic polymer impregnation layer is formed on all surfaces exposed to the outside including pores of the porous polymer support; A second impregnation step of impregnating the first impregnated polymer support into an organic/inorganic polymer solution to obtain a secondary impregnation treatment polymer support having an organic/inorganic polymer impregnated layer formed on the hydrophilic polymer impregnated layer; A film forming step of obtaining a precursor film having an upper organic/inorganic polymer layer and a lower organic/inorganic polymer layer formed on the upper and lower surfaces of the secondary impregnation-treated polymer support; And pre-treating the precursor film. It provides a method for manufacturing an organic/inorganic enhanced composite electrolyte film including.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차 함침단계에서 상기 유/무기고분자용액은 무기고분자용액을 준비하는 단계; 유기고분자용액을 준비하는 단계; 및 상기 무기고분자용액과 유기고분자용액을 0.5:99.5 내지 99.5:0.5의 중량비로 혼합하는 단계;를 포함하여 얻어진다.In a preferred embodiment, in the second impregnation step, the organic/inorganic polymer solution is prepared by preparing an inorganic polymer solution; Preparing an organic polymer solution; And mixing the inorganic polymer solution and the organic polymer solution in a weight ratio of 0.5:99.5 to 99.5:0.5.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 무기고분자용액 또는 유기고분자용액은 용매 100중량부당 무기고분자 또는 유기고분자는 1 내지 70중량부 포함한다.In a preferred embodiment, the inorganic polymer solution or the organic polymer solution contains 1 to 70 parts by weight of the inorganic polymer or organic polymer per 100 parts by weight of the solvent.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 용매는 증류수, 에탄올, 이소프로판올, 메탄올을 포함하는 알콜계 용매; 디메틸술폭사이드; N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피릴리디논, N,N-디메틸포름아미드; 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택된다. In a preferred embodiment, the solvent is an alcohol-based solvent including distilled water, ethanol, isopropanol, and methanol; Dimethyl sulfoxide; N,N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrillydinone, N,N-dimethylformamide; And combinations thereof.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 혼합하는 단계는 상기 무기고분자용액과 유기고분자용액을 혼합하여 20~50도의 온도로 유지되는 반응기에서 수 분 내지 수 일간 교반하는 단계를 더 포함한다. In a preferred embodiment, the mixing step further comprises the step of mixing the inorganic polymer solution and the organic polymer solution and stirring for several minutes to several days in a reactor maintained at a temperature of 20 to 50 degrees.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차 함침단계는 상기 1차 함침처리 고분자지지체를 유/무기고분자용액에 함침한 후 진공상태를 유지하여 수행된다.In a preferred embodiment, the second impregnation step is performed by impregnating the first impregnated polymer support into an organic/inorganic polymer solution and then maintaining a vacuum state.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 제막단계는 유/무기고분자용액을 평판에 캐스팅하여 하부 유/무기고분자층을 형성하는 단계; 상기 하부 유/무기고분자층 상에 상기 2차 함침처리 고분자지지체를 올린 후 건조처리하고 상기 평판으로부터 필링하여 하부 유/무기고분자층이 구비된 1차전구체막을 얻는 하부층형성단계; 유/무기고분자용액을 평판에 캐스팅하여 상부 유/무기고분자층을 형성하는 단계; 상기 상부 유/무기고분자층 상에 상기 1차전구체막의 하부 유/무기고분자층이 형성되지 않은 상부면이 접촉되게 올린 후 건조처리하고 상기 평판으로부터 필링하여 상, 하부 유/무기고분자층이 형성된 2차전구체막을 얻는 상부층형성단계;를 포함한다. In a preferred embodiment, the film forming step includes forming a lower organic/inorganic polymer layer by casting an organic/inorganic polymer solution onto a flat plate; A lower layer forming step of placing the secondary impregnated polymer support on the lower organic/inorganic polymer layer, drying treatment, and peeling from the flat plate to obtain a primary precursor film having a lower organic/inorganic polymer layer; Casting an organic/inorganic polymer solution on a flat plate to form an upper organic/inorganic polymer layer; On the upper organic/inorganic polymer layer, the upper surface of the primary precursor film on which the lower organic/inorganic polymer layer is not formed is brought into contact, dried, and peeled from the flat plate to form upper and lower organic/inorganic polymer layers. And an upper layer forming step of obtaining a shielding sphere film.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 하부층형성단계 및 상부층형성단계에서 이루어지는 상기 건조처리를 통해 무기고분자와 유기고분자의 가교결합구조 및 상기 가교결합구조 내부에 균일하게 분산된 나노실리카입자가 생성된다. In a preferred embodiment, through the drying treatment performed in the lower layer forming step and the upper layer forming step, a crosslinked structure of inorganic and organic polymers and nanosilica particles uniformly dispersed within the crosslinked structure are produced.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전처리하는 단계는 상기 2차전구체막을 염기성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시키고, 다시 산성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시켜 수행된다. In a preferred embodiment, the pretreatment step is performed by immersing the secondary precursor membrane in a basic aqueous solution, immersing it in distilled water, immersing it in an acidic aqueous solution, and then immersing it in distilled water.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 염기성수용액은 1 내지 30% H2O2 수용액이고, 상기 산성수용액은 0.05 내지 5M H2SO4 수용액이다. In a preferred embodiment, the basic aqueous solution is a 1 to 30% H 2 O 2 aqueous solution, and the acidic aqueous solution is a 0.05 to 5M H 2 SO 4 aqueous solution.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 유/무기 강화복합전해질막 또는 어느 하나의 제조방법으로 제조된 유/무기 강화복합 전해질막을 포함하는 레독스 흐름 전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a redox flow battery including an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane or an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane manufactured by any one of the above-described manufacturing methods.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 유/무기 강화복합전해질막 또는 어느 하나의 제조방법으로 제조된 유/무기 강화복합 전해질막을 포함하는 수처리 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a water treatment apparatus including an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane manufactured by any one of the above-described organic/inorganic reinforced composite electrolyte membranes or any one manufacturing method.

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

먼저, 본 발명의 유/무기 강화복합전해질막 및 그 막의 제조방법에 의하면 다공성 지지체를 통해 우수한 치수안정성을 확보하는 동시에 저가의 다공성 지지체에 이온 전도가 가능한 작용기가 도입된 유/무기고분자를 함침함으로써 고분자 전해질 막의 원가를 절감할 수 있다.First, according to the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane of the present invention and the method of manufacturing the membrane, by impregnating an organic/inorganic polymer into which a functional group capable of ion conduction is introduced into a low-cost porous support while securing excellent dimensional stability through a porous support. The cost of the polymer electrolyte membrane can be reduced.

또한, 본 발명의 유/무기 강화복합전해질막 및 그 제조방법에 의하면 다공성 지지체에 함침된 유기 고분자와 무기 고분자가 가교되면서 실리카 입자를 생성하여 이온 전도성을 부여하면서 동시에 활물질의 투과는 억제함으로써 기존의 강화복합전해질막보다 크게 개선된 저투과도 특성과 이온전도도를 구현할 수 있다. In addition, according to the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane and its manufacturing method of the present invention, the organic polymer and the inorganic polymer impregnated in the porous support are crosslinked to generate silica particles to impart ionic conductivity while inhibiting the permeation of active materials. Compared to the reinforced composite electrolyte membrane, it is possible to realize a low transmittance characteristic and ionic conductivity that are significantly improved.

또한 본 발명의 유/무기 강화복합전해질막 및 그 제조방법에 의하면 다공성 지지체에 친수성고분자코팅층을 먼저 형성한 후 유/무기고분자의 함침을 진행하여 다공성 지지체와 유/무기고분자층 간의 결착력이 우수한 특성을 갖는다.In addition, according to the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane and its manufacturing method of the present invention, a hydrophilic polymer coating layer is first formed on a porous support and then impregnated with organic/inorganic polymers, so that the adhesion between the porous support and the organic/inorganic polymer layer is excellent. Has.

또한, 본 발명의 에너지 저장 장치 및 수처리장치는 저비용 및 저투과도의 특성을 갖는 유/무기 강화복합 전해질막을 포함함으로써 장기구동에 유리하면서도 경제성이 우수하다.In addition, the energy storage device and the water treatment device of the present invention include an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane having characteristics of low cost and low transmittance, thereby being advantageous in long-term operation and excellent in economic efficiency.

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 실시예들에 따른 유/무기 강화복합 전해질막의 FT-IR 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 유/무기 강화복합 전해질막의 함수율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 유/무기 강화복합 전해질막의 치수안정성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 유/무기 강화복합 전해질막의 이온전도도 측정결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing FT-IR results of an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane according to embodiments of the present invention.
2 is a graph showing a result of measuring the moisture content of an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane according to embodiments of the present invention.
3 is a graph showing a result of measuring dimensional stability of an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane according to other embodiments of the present invention.
4 is a graph showing the measurement result of ionic conductivity of an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane according to embodiments of the present invention.

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 다공성 지지체를 통해 우수한 치수안정성을 확보하는 동시에 저가의 다공성 지지체에 이온 전도가 가능한 작용기가 도입된 유/무기고분자를 함침함으로써 고분자 전해질 막의 원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 함침된 유기 고분자와 무기 고분자가 가교되면서 실리카 입자를 생성하여 이온 전도성을 부여하면서 동시에 활물질의 투과는 억제함으로써 기존의 강화복합전해질막보다 크게 개선된 저투과도 특성과 이온전도도를 구현할 수 유/무기 강화복합전해질막 및 그 제조방법에 있다. The technical feature of the present invention is that the cost of the polymer electrolyte membrane can be reduced by impregnating an organic/inorganic polymer into which a functional group capable of ion conduction is introduced into a low-cost porous support while securing excellent dimensional stability through a porous support. The organic/inorganic reinforced composite electrolyte is capable of realizing significantly improved low permeability and ionic conductivity compared to existing reinforced composite electrolyte membranes by creating silica particles while crosslinking organic and inorganic polymers to provide ionic conductivity while suppressing the permeation of active materials. In the membrane and its manufacturing method.

따라서, 본 발명의 유/무기 강화복합전해질막은 다공성 고분자지지체; 상기 고분자지지체의 기공을 포함하여 상기 고분자지지체가 외부로 노출된 모든 표면에 형성된 친수성고분자함침층; 상기 친수성고분자함침층 상에 형성되는 유/무기고분자함침층; 및 상기 다공성 고분자지지체의 하부면과 상부면에 형성된 유/무기고분자함침층 상에 각각 형성된 상, 하부 유/무기고분자층;을 포함한다. Accordingly, the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane of the present invention comprises a porous polymer support; A hydrophilic polymer-impregnated layer formed on all surfaces exposed to the outside of the polymeric support including pores of the polymeric support; An organic/inorganic polymer impregnated layer formed on the hydrophilic polymer impregnated layer; And upper and lower organic/inorganic polymer layers respectively formed on the organic/inorganic polymer impregnated layers formed on the lower and upper surfaces of the porous polymer support.

특히, 본 발명의 유/무기 강화복합전해질막에서 친수성고분자함침층은 다공성 고분자지지체와 이온전달물질인 유/무기고분자 간의 결착력을 우수하게 하며, 유/무기고분자함침층 및 상, 하부 유/무기고분자층에서 유기 고분자와 무기 고분자의 축합반응에 의한 가교결합구조 형성시 생성되는 실리카 입자가 균질하게 분포하게 되므로 유/무기 강화복합전해질막의 저투과도 특성을 개선할 뿐만 아니라 충분한 이온선택도를 확보할 수 있다. Particularly, in the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane of the present invention, the hydrophilic polymer-impregnated layer provides excellent binding between the porous polymer support and the organic/inorganic polymer, which is an ion transport material, and the organic/inorganic polymer impregnated layer and the upper and lower organic/inorganic Since the silica particles generated when the crosslinked structure is formed by the condensation reaction of the organic and inorganic polymers in the polymer layer are homogeneously distributed, it not only improves the low-permeability characteristics of the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane, but also secures sufficient ion selectivity. I can.

본 발명에서 다공성 고분자지지체는 멤브레인(Membrane) 형태로서 공지된 모든 다공성 고분자가 사용될 수 있지만, 일 구현예로서 다공성 폴리에틸렌, 친수성 실리카를 포함하는 다공성 폴리에틸렌으로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 다공성 고분자지지체는 5nm 내지 100um 범위의 직경을 갖는 다수의 기공이 형성될 수 있는데, 기공의 직경이 5nm 미만이면 이온 전도성 채널 형성이 어려우며 100um를 초과하면 투과도의 제어가 어려운 문제가 발생하여 실험적으로 다공성 고분자지지체에 포함된 최적 기공 크기를 결정하였다. 또한 기공도는 특별히 제한되지는 않지만, 30 내지 80% 범위일 수 있다. 즉 다공성 고분자지지체의 기공도가 30% 미만인 경우에는 이온전도성 물질을 코팅했을 때 어려움이 있으며 동시에 이온전도성 물질의 양이 적어 이온전도도의 성질이 감소할 수 있고, 80%를 초과하는 경우에는 다공성 고분자지지체 자체의 기계적 강도를 유지할 수 없을 뿐만 아니라 이온전도성물질을 코팅했을 때 기존의 강화복합막의 우수한 성질인 기계적 강도가 감소할 수 있기 때문이다.In the present invention, all known porous polymers may be used as the porous polymer support in the form of a membrane, but may be any one selected from the group consisting of porous polyethylene and porous polyethylene including hydrophilic silica as an embodiment. The porous polymer scaffold may have a number of pores having a diameter in the range of 5 nm to 100 μm.If the pore diameter is less than 5 nm, it is difficult to form an ion conductive channel, and if the pore diameter exceeds 100 μm, it is difficult to control the transmittance. The optimal pore size included in the polymeric support was determined. In addition, the porosity is not particularly limited, but may be in the range of 30 to 80%. That is, if the porosity of the porous polymer support is less than 30%, it is difficult to coat the ion conductive material, and at the same time, the amount of the ion conductive material is small, so the properties of the ion conductivity may decrease. If the porosity exceeds 80%, the porous polymer This is because the mechanical strength of the support itself cannot be maintained, and when the ion conductive material is coated, the mechanical strength, which is an excellent property of the existing reinforced composite membrane, may decrease.

친수성고분자함침층은 다공성 고분자지지체에 친수성을 부여하기 위한 것으로 친수성고분자용액에 다공성 고분자지지체를 함침시킴으로써 형성된다. 친수성 고분자는 공지된 모든 친수성 고분자가 사용될 수 있지만, 일 구현예로서 폴리도파민, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 특히 다공성 고분자지지체 상에 형성된 친수성고분자함침층 상에 이온전달층으로서 유/무기고분자함침층 등이 형성되는 구조이므로, 특별히 친수성작용기를 이온성 작용기로 치환하는 별도의 공정을 수행하지 않아도 친수성고분자함침층으로 인해 다공성 고분자지지체와 이온전달층의 계면결착력이 매우 견고하여 후술하는 바와 같이 수화안정성이 개선될 수 있다. 일 구현예로서 도파민이 친수성 물질일 뿐만 아니라 강력한 접착특성이 있으므로 친수성고분자로 폴리도파민을 사용할 수 있는데, 이 경우 증류수에 도파민클로라이드를 넣고 교반한 후 교반된 용액에 Tris(hydroxymethyl) aminomethane을 넣은 후 교반하여 친수성고분자용액을 얻을 수 있다.The hydrophilic polymer-impregnated layer is for imparting hydrophilicity to the porous polymer support, and is formed by impregnating the porous polymer support in a hydrophilic polymer solution. All known hydrophilic polymers may be used as the hydrophilic polymer, but as an embodiment, any one or more selected from the group consisting of polydopamine, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, and combinations thereof may be used. Particularly, since an organic/inorganic polymer impregnated layer is formed as an ion transport layer on the hydrophilic polymer impregnated layer formed on the porous polymer support, the hydrophilic polymer impregnation does not require a separate process of substituting a special hydrophilic functional group with an ionic functional group. Due to the layer, the interfacial bonding strength between the porous polymer support and the ion transport layer is very strong, so that the hydration stability can be improved as described later. As an embodiment, since dopamine is not only a hydrophilic material, but also has strong adhesive properties, polydopamine can be used as a hydrophilic polymer.In this case, dopamine chloride is added to distilled water, stirred, and then Tris (hydroxymethyl) aminomethane is added to the stirred solution and stirred. Thus, a hydrophilic polymer solution can be obtained.

유/무기고분자함침층 및 상, 하부 유/무기고분자층은 수소이온전도성을 향상시키면서도 다른 활성이온의 투과도를 현저히 낮추어 저투과도 특성을 확보하기 위한 것으로, 무기고분자물질 및 유기고분자물질이 0.01:19.99 내지 19.99:0.01의 중량비로 포함될 수 있는데, 설정된 범위는 실험적으로 결정된 것으로, 설정된 중량비를 초과하여 무기고분자 물질이 포함되면 형성된 실리카입자로 인해 투과도는 낮아지지만 수소이온전도성이 떨어지는 문제점이 있으며, 설정된 중량비를 미만으로 무기고분자물질이 도입되면 이온전도도가 개선되면서 투과도는 높아지는 특성을 나타내었다.The organic/inorganic polymer impregnated layer and the upper and lower organic/inorganic polymer layers are designed to ensure low permeability characteristics by significantly lowering the permeability of other active ions while improving the hydrogen ion conductivity.Inorganic and organic polymers are 0.01:19.99 To 19.99:0.01 may be included in a weight ratio, the set range is experimentally determined, and if the inorganic polymer material is included in excess of the set weight ratio, the transmittance is lowered due to the formed silica particles, but there is a problem in that the hydrogen ion conductivity is poor, and the set weight ratio When the inorganic polymer material was introduced below the value, the ionic conductivity was improved and the transmittance was increased.

본 발명에서 무기고분자물질은 공지된 모든 실란계열의 고분자가 사용될 수 있지만, 일 구현예로서 DM-SP, D-SP (Diol Silica Precursor), BD-SP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene SP), BDP-SP (Bisphenol Dimethyl benzanthracene Polydimethylsiloxane SP) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나이상일 수 있는데, 중량 평균 분자량(Mm)은 50 ~ 5000 g/mol 일 수 있다. 실란계열고분자의 중량평균 분자량이 설정된 범위 미만이거나 초과하면, 유기용매에 용해될 때 시간이 길어지거나 고분자 내에서 가교가 발생하여 많은 어려움이 발생할 수 있기 때문이다.In the present invention, all known silane-based polymers may be used as the inorganic polymer material, but as an embodiment, DM-SP, D-SP (Diol Silica Precursor), BD-SP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene SP), BDP-SP (Bisphenol Dimethyl benzanthracene Polydimethylsiloxane SP) and combinations thereof may be any one or more selected from the group consisting of, and the weight average molecular weight (Mm) may be 50 ~  5000 g/mol. This is because if the weight average molecular weight of the silane-based polymer is less than or exceeds the set range, the time may be lengthened when dissolved in an organic solvent or crosslinking may occur in the polymer, resulting in many difficulties.

유기고분자물질도 양이온 전도성 또는 음이온 전도성을 가지고 이온 교환을 할 수 있는 고분자라면 특별히 한정하지 않고 공지된 모든 유기 고분자가 사용될 수 있지만, 일 구현예로서 과불소계고분자물질 특히 나피온(듀폰), 3M 아이오노머(3M), Fumion(Fumatech), Aciplex (Asahi Chemical), Aquivion (Solvay), 술폰화된 과불소계 고분자(PFSA, perfluorinated sulfonic acid), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리비닐플로라이드, 폴리비닐리덴 플루오르 코 퍼플루오르화 알킬비닐에테르 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. The organic polymer material is also not particularly limited as long as it is a polymer capable of ion exchange with cation conductivity or anion conductivity, and all known organic polymers may be used. However, as an embodiment, perfluorine-based polymer materials, especially Nafion (Dupon), 3M Ionomer (3M), Fumion (Fumatech), Aciplex (Asahi Chemical), Aquivion (Solvay), sulfonated perfluorinated polymer (PFSA, perfluorinated sulfonic acid), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl flow It may be any one or more selected from the group consisting of ide, polyvinylidene fluorcoperfluorinated alkyl vinyl ether, and combinations thereof.

또한, 본 발명의 유/무기 강화복합전해질막 제조방법은 다공성 고분자지지체를 준비하는 단계; 상기 다공성 고분자지지체를 친수성고분자용액에 함침시켜 상기 다공성 고분자지지체의 기공을 포함하여 외부로 노출된 모든 표면에 친수성고분자함침층이 형성된 1차 함침처리 고분자지지체를 얻는 1차 함침단계; 상기 1차 함침처리 고분자지지체를 유/무기고분자용액에 함침시켜 상기 친수성고분자함침층 상에 유/무기고분자함침층이 형성된 2차 함침처리 고분자지지체를 얻는 2차 함침단계; 상기 2차 함침처리 고분자지지체의 상부면과 하부면에 각각 상부 유/무기고분자층과 하부 유/무기고분자층이 형성된 전구체막을 얻는 제막단계; 및 상기 전구체막을 전처리하는 단계;를 포함할 수 있다. In addition, the method of manufacturing an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane of the present invention comprises: preparing a porous polymer support; A first impregnation step of impregnating the porous polymer support in a hydrophilic polymer solution to obtain a first impregnation treatment polymer support in which a hydrophilic polymer impregnation layer is formed on all surfaces exposed to the outside including pores of the porous polymer support; A second impregnation step of impregnating the first impregnated polymer support into an organic/inorganic polymer solution to obtain a secondary impregnation treatment polymer support having an organic/inorganic polymer impregnated layer formed on the hydrophilic polymer impregnated layer; A film forming step of obtaining a precursor film having an upper organic/inorganic polymer layer and a lower organic/inorganic polymer layer formed on the upper and lower surfaces of the secondary impregnation-treated polymer support; And pre-treating the precursor film.

2차 함침단계에서 상기 유/무기고분자용액은 무기고분자용액을 준비하는 단계; 유기고분자용액을 준비하는 단계; 및 상기 무기고분자용액과 유기고분자용액을 5:95 내지 95:5의 중량비로 혼합하는 단계;를 포함하여 얻어질 수 있다. In the second impregnation step, the organic/inorganic polymer solution is prepared by preparing an inorganic polymer solution; Preparing an organic polymer solution; And mixing the inorganic polymer solution and the organic polymer solution in a weight ratio of 5:95 to 95:5.

이 때, 무기고분자 용액 및 유기고분자 용액을 준비하는 단계는 순서에 무관하게 수행될 수 있는데, 무기고분자물질 및 유기고분자물질을 동일한 용매에 각각 완전히 용해시켜 무기 고분자 용액 및 유기 고분자 용액을 개별적으로 준비한다. 여기서, 용매와 무기 고분자 또는 유기 고분자의 배합비는 용매 100 중량부를 기준으로 각각의 고분자는 1 내지 70 중량부일 수 있다. 배합비는 실험적으로 결정된 것으로 고분자의 중량이 1 중량부 미만이거나 70 중량부를 초과하게 되면 점도가 너무 낮거나 높아 작업성이 떨어지고 코팅 두께 제어가 어려우며 지지체의 기공 내부로 이온전달물질의 투입이 어려운 문제가 발생하여 최적 용액 농도를 실험적으로 설정하였다.At this time, the steps of preparing the inorganic polymer solution and the organic polymer solution may be performed regardless of the sequence, and the inorganic polymer solution and the organic polymer solution are individually prepared by completely dissolving the inorganic polymer material and the organic polymer material in the same solvent. do. Here, the mixing ratio of the solvent and the inorganic polymer or the organic polymer may be 1 to 70 parts by weight of each polymer based on 100 parts by weight of the solvent. The blending ratio was determined experimentally.If the weight of the polymer is less than 1 part by weight or exceeds 70 parts by weight, the viscosity is too low or high, resulting in poor workability, difficulty in controlling the coating thickness, and difficulty in introducing an ion transport material into the pores of the support. Occurred and the optimum solution concentration was experimentally set.

이 때 무기고분자물질 및 유기고분자물질을 용해시키기 위해 사용되는 용매는 상기 두 고분자 용액의 혼합을 용이하게 유도함으로써 가교 과정의 축합 반응과정에서 형성되는 나노 실리카의 균일한 분산을 유도할 수 있도록 작용할 수 있다. 구체적으로, 무기고분자용액 및 유기고분자 용액의 용매는 증류수, 에탄올, 이소프로판올, 메탄올을 포함하는 알콜계 용매; 디메틸술폭사이드; N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피릴리디논, N,N-디메틸포름아미드 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. At this time, the solvent used to dissolve the inorganic polymer material and the organic polymer material can act to induce uniform dispersion of the nano silica formed in the condensation reaction process of the crosslinking process by inducing the mixing of the two polymer solutions easily. have. Specifically, the solvent of the inorganic polymer solution and the organic polymer solution may be an alcohol-based solvent including distilled water, ethanol, isopropanol, and methanol; Dimethyl sulfoxide; It may be any one or more selected from the group consisting of N,N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrillydinone, N,N-dimethylformamide, and combinations thereof.

유/무기고분자용액은 준비된 무기고분자용액 및 유기고분자용액을 일정 비율로 혼합하여 균질상의 용액을 제조하여 얻어지는데, 일 구현예로서, 무기고분자용액 및 유기고분자용액은 0.5 중량부~ 99.5 중량부 : 99.5 중량부~0.5 중량부의 범위에서 요구되는 다양한 배합비로 혼합하여 용액의 조성을 구성할 수 있다. 한편 유/무기고분자용액은 균질상 제조를 위해 10 내지 50도의 온도로 유지되는 반응기에서 수 분 내지 수 일간 교반을 수행할 수 있다.The organic/inorganic polymer solution is obtained by preparing a homogeneous solution by mixing the prepared inorganic polymer solution and organic polymer solution in a certain ratio.As an embodiment, the inorganic polymer solution and the organic polymer solution are 0.5 parts by weight to 99.5 parts by weight: The composition of the solution can be formed by mixing at various mixing ratios required in the range of 99.5 parts by weight to 0.5 parts by weight. Meanwhile, the organic/inorganic polymer solution may be stirred for several minutes to several days in a reactor maintained at a temperature of 10 to 50 degrees to prepare a homogeneous phase.

2차 함침단계는 1차 함침처리 고분자지지체를 유/무기고분자용액에 함침한 후 진공상태를 유지하여 수행될 수 있는데, 다공성 고분자지지체의 기공 내부로 유/무기고분자용액이 투입될 수 있도록 진공상태를 유지하는 것이다.The second impregnation step can be performed by impregnating the first impregnated polymer scaffold into an organic/inorganic polymer solution and then maintaining a vacuum state, in which the organic/inorganic polymer solution can be injected into the pores of the porous polymer scaffold. Is to keep.

제막단계는 유/무기고분자용액을 평판에 캐스팅하여 하부 유/무기고분자층을 형성하는 단계; 상기 하부 유/무기고분자층 상에 상기 2차 함침처리 고분자지지체를 올린 후 건조처리하고 상기 평판으로부터 필링하여 하부 유/무기고분자층이 구비된 1차전구체막을 얻는 하부층형성단계; 유/무기고분자용액을 평판에 캐스팅하여 상부 유/무기고분자층을 형성하는 단계; 상기 상부 유/무기고분자층 상에 상기 1차전구체막의 하부 유/무기고분자층이 형성되지 않은 상부면이 접촉되게 올린 후 건조처리하고 상기 평판으로부터 필링하여 상, 하부 유/무기고분자층이 형성된 2차전구체막을 얻는 상부층형성단계;를 포함할 수 있다. 이 때, 캐스팅은 콤마 코터를 이용한 코팅, 스핀 코팅, 딥 코팅, 슬롯다이 코팅 또는 닥터 블레이드 코팅 등 일반적으로 실시하는 캐스팅법을 모두 포함할 수 있지만, 일 구현예로서 닥터 블레이드를 이용하여 코팅이 수행될 수 있는데, 특히 하부 유/무기고분자층 및 상부 유/무기고분자층은 별개의 평판을 사용하여 캐스팅을 수행함으로써 형성될 수 있을 것이다. 또한, 하부층형성단계 및 상부층형성단계에서 건조처리는 진공상태로 50 내지 70도의 온도 범위에서 이루어지게 되는데, 이와 같은 건조처리를 통해 유기고분자와 무기고분자가 열가교반응하게 되고, 그 반응과정에서 실리카 입자가 생성되어 이온전달층 즉 유/무기고분자 함침층 및 상, 하부 유/무기고분자층 내에 균일하게 분포될 수 있다. The film forming step includes forming a lower organic/inorganic polymer layer by casting an organic/inorganic polymer solution onto a flat plate; A lower layer forming step of placing the secondary impregnated polymer support on the lower organic/inorganic polymer layer, drying treatment, and peeling from the flat plate to obtain a primary precursor film having a lower organic/inorganic polymer layer; Casting an organic/inorganic polymer solution on a flat plate to form an upper organic/inorganic polymer layer; On the upper organic/inorganic polymer layer, the upper surface of the primary precursor film on which the lower organic/inorganic polymer layer is not formed is brought into contact, dried, and peeled from the flat plate to form upper and lower organic/inorganic polymer layers. It may include an upper layer forming step of obtaining a shielding sphere film. In this case, the casting may include all commonly performed casting methods such as coating using a comma coater, spin coating, dip coating, slot die coating, or doctor blade coating, but as an embodiment, coating is performed using a doctor blade. In particular, the lower organic/inorganic polymer layer and the upper organic/inorganic polymer layer may be formed by performing casting using separate plates. In addition, in the lower layer forming step and the upper layer forming step, the drying treatment is carried out in a vacuum state at a temperature of 50 to 70°C. Through this drying treatment, the organic polymer and the inorganic polymer undergo thermal crosslinking reaction, and in the reaction process, silica Particles are generated and may be uniformly distributed in the ion transport layer, that is, the organic/inorganic polymer impregnated layer and the upper and lower organic/inorganic polymer layers.

전처리하는 단계는 2차전구체막을 염기성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시키고, 다시 산성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시켜 수행되는 것으로, 일 구현예로서 염기성수용액은 1 내지 30% H2O2 수용액이고, 산성수용액은 0.05 내지 5M H2SO4 수용액일 수 있고, 전처리단계의 각 과정은 50℃에서 30분씩 진행될 수 있다. The pretreatment step is performed by immersing the secondary precursor membrane in a basic aqueous solution, immersing it in distilled water, immersing it in an acidic aqueous solution, and immersing it in distilled water.As an embodiment, the basic aqueous solution is 1 to 30% H 2 O 2 aqueous solution, the acidic aqueous solution may be a 0.05 to 5M H 2 SO 4 aqueous solution, each process of the pretreatment step may be carried out 30 minutes at 50 ℃.

따라서, 본 발명의 유/무기 강화복합전해질막은 다공성 고분자지지체의 기공 내부와 표면에 이온전달층이 형성되고 이온전달층 내부에 다수의 이온가교결합이 형성되면서, 무기 고분자로부터 실리카 입자가 형성되어 이온전도도가 0.064S/cm로 우수하고, 투과도가 2.00ㅧ10-6 ㎠/min이하로 낮아지는 특성을 나타낸다. 또한 유/무기 강화복합전해질막은 다공성 고분자지지체의 우수한 내구성으로 인해 2.2%의 우수한 치수안정성을 나타낸다.Therefore, the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane of the present invention has an ion transport layer formed on the inside and surface of the pores of the porous polymer support, and a number of ionic crosslinks are formed inside the ion transport layer, and silica particles are formed from the inorganic polymer to form ions. The conductivity is excellent at 0.064 S/cm, and the transmittance is lowered to 2.00 x 10-6 cm 2 /min or less. In addition, the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane exhibits excellent dimensional stability of 2.2% due to the excellent durability of the porous polymer support.

이와 같이, 본 발명의 유/무기 강화복합 전해질막은 기존의 지지체와 비교해 100배 이상 향상된 이온전도도를 나타낼 수 있으며 상용막과 비교해 10배 이상 향상된 치수안정성을 나타낼 수 있으므로, 본 발명의 유/무기 강화복합 전해질막을 포함하는 연료전지, 수전해 및 이차전지(레독스 흐름 전지)와 같은 에너지저장장치 및 수처리 장치의 안정적인 성능을 확보할 수 있다.As described above, the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane of the present invention can exhibit 100 times or more improved ionic conductivity compared to the existing support, and can exhibit dimensional stability improved by 10 times or more compared to the commercial membrane, so that the organic/inorganic reinforcement of the present invention It is possible to secure stable performance of energy storage devices and water treatment devices such as fuel cells including composite electrolyte membranes, water electrolysis and secondary batteries (redox flow cells).

실시예 1Example 1

1. 다공성 고분자지지체를 준비하는 단계1. Step of preparing a porous polymer scaffold

150um 두께의 다공성 고분자지지체(PE separator)를 가로ㅧ세로 크기 10cm x 10cm 로 준비하였다. 이 때 기공의 크기는 33nm이고, 기공도는 67%였다. (BET measurement)A 150um-thick porous polymer support (PE separator) was prepared with a size of 10cm x 10cm. At this time, the pore size was 33 nm and the porosity was 67%. (BET measurement)

2. 1차 함침단계2. First impregnation step

① 친수성고분자용액 준비단계① Hydrophilic polymer solution preparation step

증류수에 1.5 g/L의 농도로 Dopamine chloride를 넣고 30분간 교반시켰다. 제조된 용액에 3.75mM농도로 Tris(hydroxymethyl)aminomethane을 넣은 후 10분간 교반하여 용해시켜 친수성고분자용액을 준비하였다.Dopamine chloride was added to distilled water at a concentration of 1.5 g/L and stirred for 30 minutes. Tris(hydroxymethyl)aminomethane was added to the prepared solution at a concentration of 3.75mM, and stirred for 10 minutes to dissolve to prepare a hydrophilic polymer solution.

② 함침단계② Impregnation step

준비된 친수성고분자용액에 준비된 다공성 고분자지지체(PE separator)를 상온의 진공상태에서 하루 동안 함침한 후 증류수로 세척하여 60℃ 진공상태에서 건조하여 친수성고분자함침층이 형성된 1차 함침처리 고분자지지체를 얻었다. The prepared porous polymer support (PE separator) in the prepared hydrophilic polymer solution was impregnated in a vacuum at room temperature for one day, washed with distilled water, and dried under vacuum at 60° C. to obtain a first impregnated polymer support having a hydrophilic polymer impregnated layer formed thereon.

3. 2차 함침단계3. Second impregnation step

① 무기고분자용액을 준비하는 단계① Step of preparing inorganic polymer solution

①-1. 무기 고분자를 합성하는 단계①-1. Step of synthesizing inorganic polymer

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. 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.

②-2. 무기고분자용액을 준비하는 단계②-2. Preparing an inorganic polymer solution

합성된 나노하이브리드 알콕시 실란 기능성 전구체를 0.1M 농도의 HCl 수용액에서 Hydrolysis 반응을 통해 sol-gel 혼합물질을 얻은 후 sol-gel 혼합물질을 DMAc에 분산시켜 균질한 상의 D-SP 고분자 용액을 얻었다.The synthesized nanohybrid alkoxy silane functional precursor was obtained through a hydrolysis reaction in HCl aqueous solution of 0.1M concentration to obtain a sol-gel mixture, and then the sol-gel mixture was dispersed in DMAc to obtain a homogeneous D-SP polymer solution.

② 유기고분자용액을 준비하는 단계② Step of preparing organic polymer solution

3M 아이오노머 6g과 DMAc 24g을 60℃ hot-plate에서 12시간 동안 교반하여 20wt%의 유기고분자용액을 얻었다.6 g of 3M ionomer and 24 g of DMAc were stirred in a hot-plate at 60° C. for 12 hours to obtain a 20 wt% organic polymer solution.

③ 혼합하는 단계③ Mixing step

준비된 무기고분자용액과 유기고분자 용액을 각각 5중량부~95 중량부: 95중량부~5중량부로 다양하게 혼합하여 균질상 용액을 제조하였다. 구체적으로 무기고분자용액과 유기고분자용액의 혼합비는 50:50, 25:75, 20:80, 10:90의 비율로 혼합하여 상온에서 24시간 교반하여 균질상의 유/무기 고분자용액을 제조하였다. The prepared inorganic polymer solution and the organic polymer solution were variously mixed in 5 parts by weight to 95 parts by weight: 95 parts by weight to 5 parts by weight, respectively, to prepare a homogeneous solution. Specifically, the mixing ratio of the inorganic polymer solution and the organic polymer solution was 50:50, 25:75, 20:80, 10:90, and stirred at room temperature for 24 hours to prepare a homogeneous organic/inorganic polymer solution.

④ 함침단계④ Impregnation step

준비된 유/무기고분자용액에 1차 함침처리 다공성 고분자지지체를 상온의 진공상태에서 하루 동안 함침하여, 1차 함침처리 다공성 고분자지지체의 기공 내부까지 유/무기고분자용액을 투입하여 친수성고분자함침층 상에 유/무기고분자함침층이 형성된 2차 함침처리 고분자지지체를 얻었다. The prepared organic/inorganic polymer solution is impregnated with the first impregnated porous polymer support in a vacuum at room temperature for one day, and then the organic/inorganic polymer solution is added to the inside of the pores of the first impregnated porous polymer support, and then on the hydrophilic polymer impregnated layer. An organic/inorganic polymer impregnated layer was formed to obtain a secondary impregnation-treated polymer support.

4. 제막 단계4. Production stage

① 하부 유/무기고분자층을 형성하는 단계① Step of forming the lower organic/inorganic polymer layer

2차 함침단계에서 준비된 유/무기고분자용액을 상온에서 유리판에 닥터블레이드로 캐스팅하여 하부 유/무기고분자층을 형성하였다.The organic/inorganic polymer solution prepared in the second impregnation step was cast on a glass plate at room temperature with a doctor blade to form a lower organic/inorganic polymer layer.

② 하부층형성단계② Lower layer formation stage

유리판에 형성된 하부 유/무기고분자층 상에 2차 함침처리 고분자지지체를 올린 후 진공상태의 60℃의 오븐에서 24시간동안 건조처리하였다. 그 후 유리판으로부터 필링하여 하부 유/무기고분자층이 구비된 1차전구체막을 얻었다.The secondary impregnation-treated polymer support was placed on the lower organic/inorganic polymer layer formed on the glass plate, and then dried in an oven at 60° C. in a vacuum state for 24 hours. After that, it was peeled from a glass plate to obtain a primary precursor film having a lower organic/inorganic polymer layer.

③ 상부층형성단계③ Upper layer formation stage

하부 유/무기고분자층이 형성된 면의 반대면에 상부층을 형성하기 위해 유/무기고분자용액을 상온에서 새로운 유리판에 닥터블레이드로 캐스팅하고 그 위에 1차 전구체막의 하부 유/무기고분자층이 형성되지 않은 상부면이 접촉되게 올린 후 진공상태의 60℃의 오븐에서 24시간동안 건조처리하여다. 그 후 유리판으로부터 필링하여 상, 하부 유/무기고분자층이 구비된 2차전구체막을 얻었다.In order to form an upper layer on the opposite side of the surface where the lower organic/inorganic polymer layer is formed, an organic/inorganic polymer solution is cast on a new glass plate at room temperature with a doctor blade, and the lower organic/inorganic polymer layer of the primary precursor film is not formed thereon. After raising the upper surface to contact, dry it for 24 hours in a vacuum oven at 60℃. Thereafter, it was peeled from a glass plate to obtain a secondary precursor film having upper and lower organic/inorganic polymer layers.

5. 전처리단계5. Pre-treatment step

제막단계에서 얻어진 2차전구체막을 3% H2O2 수용액에 침지시키고 증류수에 침지시킨 후, 0.5M H2SO4 수용액에 침지시키고 다시 증류수에 침지시켜 전처리를 진행하였다. 상기 전처리단계의 각 과정은 50℃에서 30분씩 진행하여 최종적으로 프로토네이션된 유/무기 강화복합전해질막1을 얻었다.The secondary precursor membrane obtained in the film forming step was immersed in 3% H 2 O 2 aqueous solution and then immersed in distilled water, and then immersed in 0.5 MH 2 SO 4 aqueous solution and then immersed in distilled water to perform pretreatment. Each process of the pretreatment step was performed at 50° C. for 30 minutes to obtain a prototyped organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane 1.

실시예 2Example 2

다공성 고분자지지체의 두께를 65um로 한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 유/무기 강화복합전해질막2를 얻었다.An organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane 2 was obtained by performing the same method as in Example 1 except that the thickness of the porous polymer support was set to 65 μm.

실시예 3Example 3

3M 아이오노머 15g과 DMAc 15g을 60℃ hot-plate에서 12시간 동안 교반하여 50wt%의 유기고분자용액을 사용한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 유/무기 강화복합전해질막3을 얻었다.15 g of 3M ionomer and 15 g of DMAc were stirred at a hot-plate at 60° C. for 12 hours to obtain an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane 3 in the same manner as in Example 1, except that 50 wt% of an organic polymer solution was used.

실시예 4Example 4

3M 아이오노머 15g과 DMAc 15g을 60℃ hot-plate에서 12시간 동안 교반하여 50wt%의 유기고분자용액을 사용한 것을 제외하면 실시예2와 동일한 방법을 수행하여 유/무기 강화복합전해질막4를 얻었다.15 g of 3M ionomer and 15 g of DMAc were stirred in a hot-plate at 60° C. for 12 hours to obtain an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane 4 in the same manner as in Example 2, except that 50 wt% of an organic polymer solution was used.

실험예 1Experimental Example 1

실시예 1 및 2에서 제조된 유/무기 강화복합전해질막의 화학적 구조 분석을 위해 적외선 분광법(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR)으로 비교 분석하였으며, 그 결과는 도 1에 나타내었다.In order to analyze the chemical structure of the organic/inorganic reinforced composite electrolyte films prepared in Examples 1 and 2, comparative analysis was performed by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), and the results are shown in FIG.

도 1에 도시된 바와 같이, 유/무기 강화복합전해질막에서 지지체인 PE 세퍼레이터의 C-H bending vibration (1472 cm-1) 과 Si-O stretching (1012 cm-1) 피크가 나타났다. 또한 ??OH 관능기 (3400 cm-1) 피크와 carbonyl 그룹에서 유래한 C=O 관능기 (1720 cm-1) 피크가 나타난 것으로 보아 이온전달층 내에 무기고분자 SP가 도입되었음을 확인하였다. F-C-F 관능기 (1193, 1143 cm-1) 피크, C-O-C 관능기 (1057 cm-1) 피크와 sulfonic acid 그룹에서 유래한 S=O 관능기 (870, 849 cm-1) 피크와 S-O 관능기 (766 cm-1) 피크가 나타난 것으로 보아 이온전달층 내에 유기고분자 PFSA가 도입되었음을 확인하였다.1, CH bending vibration (1472 cm -1 ) and Si-O stretching (1012 cm -1 ) peaks of the PE separator as a support were observed in the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane. In addition, the ?OH functional group (3400 cm -1 ) peak and the C=O functional group (1720 cm -1 ) peak derived from the carbonyl group appeared, confirming that the inorganic polymer SP was introduced into the ion transport layer. FCF functional group (1193, 1143 cm -1 ) peak, COC functional group (1057 cm -1 ) peak and S=O functional group derived from sulfonic acid group (870, 849 cm -1 ) peak and SO functional group (766 cm -1 ) As the peak appeared, it was confirmed that the organic polymer PFSA was introduced into the ion transport layer.

실험예 2Experimental Example 2

실시예 1 내지 실시예 4에서 제조된 유/무기 강화복합전해질막1 내지 4의 함수율(Water uptake) 및 치수변화율(Dimensional change)을 측정하기 위해, 유/무기 강화복합 전해질막 및 Nafion212를 대상으로 다음과 같이 함수율 및 치수변화율을 다음과 같이 측정하고 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다. In order to measure the water uptake and dimensional change of the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membranes 1 to 4 prepared in Examples 1 to 4, targeting the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane and Nafion 212 The moisture content and the dimensional change rate were measured as follows, and the results are shown in FIGS. 2 and 3.

구체적으로는 유/무기 강화복합 전해질막1 내지 4 및 PE 세퍼레이터를 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 reinforced composite electrolyte membranes 1 to 4 and the PE separator were dried in an oven at 80°C under vacuum for 24 hours or more, and the mass was measured, and after being immersed in distilled water for 24 hours, the moisture on the surface was removed to increase the weight and The dimensional change was measured, and the moisture content and dimensional change rate were measured through the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

또한, 실시예 1 내지 실시예 4에서 유/무기 고분자용액에 포함되는 유기고분자와 무기고분자의 함량에 따른 함수율(Water uptake) 및 치수변화율(Dimensional change)을 측정하고 그 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.In addition, in Examples 1 to 4, the water content (Water uptake) and the dimensional change according to the content of the organic and inorganic polymers contained in the organic/inorganic polymer solution were measured, and the results are shown in Tables 1 and 2. Shown in.

배합비
실시예
Mixing ratio
Example
무기:유기
50:50
Weapon: Organic
50:50
무기:유기
25:75
Weapon: Organic
25:75
무기:유기
20:80
Weapon: Organic
20:80
무기:유기
10:90
Weapon: Organic
10:90
실시예 1Example 1 46.246.2 47.247.2 47.847.8 48.748.7 실시예 2Example 2 42.042.0 42.742.7 43.543.5 44.244.2 실시예 3Example 3 46.046.0 47.347.3 47.947.9 49.049.0 실시예 4Example 4 42.142.1 42.942.9 43.643.6 44.044.0

배합비
실시예
Mixing ratio
Example
무기:유기
50:50
Weapon: Organic
50:50
무기:유기
25:75
Weapon: Organic
25:75
무기:유기
20:80
Weapon: Organic
20:80
무기:유기
10:90
Weapon: Organic
10:90
실시예 1Example 1 2.02.0 2.22.2 2.32.3 2.72.7 실시예 2Example 2 5.85.8 7.07.0 7.37.3 7.67.6 실시예 3Example 3 2.02.0 2.32.3 2.52.5 2.82.8 실시예 4Example 4 6.06.0 6.86.8 7.37.3 7.57.5

유/무기 강화복합 전해질막1 내지 4 및 PE 세퍼레이터의 함수율 및 치수변화율을 측정한 결과인 도 2와 3에 도시된 바와 같이, PE 세퍼레이터의 경우 함수율이 98 내지 106%, 치수안정성이 1 내지 3 % 로 PE 세퍼레이터의 기공으로 인해 매우 높은 함수율을 확인하였고, 치수안정성은 매우 우수하였다. 유/무기 강화복합 전해질막1 내지 4의 함수율은 42 내지 50.2%, 치수안정성은 2 내지 8%로 다공성 고분자지지체의 기공과 표면에 이온전달층으로 유/무기고분자함침층 및 상,하부 유/무기고분자층을 형성함으로써 함수율이 감소하고 치수안정성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로 상용막인 Nafion의 치수안정성은 15 내지 20%으로 알려져있는데, 본 발명의 유/무기 강화복합 전해질막1 내지 4는 이보다 우수한 치수안정성을 나타내는 것을 알 수 있다.As shown in Figs. 2 and 3, which are the results of measuring the moisture content and dimensional change rate of the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membranes 1 to 4 and the PE separator, the PE separator has a moisture content of 98 to 106% and a dimensional stability of 1 to 3 %, due to the pores of the PE separator, a very high moisture content was confirmed, and dimensional stability was very excellent. The moisture content of the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membranes 1 to 4 is 42 to 50.2% and the dimensional stability is 2 to 8%. By forming the inorganic polymer layer, it was confirmed that the moisture content decreased and the dimensional stability increased. In general, the dimensional stability of Nafion, which is a commercial membrane, is known to be 15 to 20%, but it can be seen that the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membranes 1 to 4 of the present invention exhibit superior dimensional stability.

실험예 3Experimental Example 3

실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 유/무기 강화복합 전해질막1 및 2를 상온의 증류수에 24시간 침지한 다음, 이온전도도 셀의 전극 사이에 막을 넣은 후, 증류수 속에서 교류 임피던스 측정을 실시하여 막의 이온전도도를 측정하고 그 결과를 도 4에 나타내었다.The organic/inorganic reinforced composite electrolyte membranes 1 and 2 prepared in Examples 1 and 2 were 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. Then, the ionic conductivity of the membrane was measured and the results are shown in FIG. 4.

유/무기 강화복합 전해질막1 및 2와 PE 세퍼레이터의 이온전도도를 측정한 결과인 도 4로부터 본 발명의 유/무기 강화복합 전해질막이 PE 세퍼레이터보다 높은 이온전도도를 가졌는데, 이는 이온전달이 가능한 작용기를 가지지 않은 PE 세퍼레이터 이온전도성 작용기를 가진 유/무기고분자 함침을 통해 이온전달을 위한 채널이 형성되었기 때문으로 예측된다.From Figure 4, which is a result of measuring the ionic conductivity of the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membranes 1 and 2 and the PE separator, the organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane of the present invention had higher ionic conductivity than the PE separator. It is predicted that a channel for ion transport was formed through impregnation of an organic/inorganic polymer having an ion-conductive functional group in a PE separator without

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 (20)

다공성 고분자지지체;
상기 고분자지지체의 기공을 포함하여 상기 고분자지지체가 외부로 노출된 모든 표면에 형성된 친수성고분자함침층;
상기 친수성고분자함침층 상에 형성되는 유/무기고분자함침층; 및
상기 다공성 고분자지지체의 하부면과 상부면에 형성된 유/무기고분자함침층 상에 각각 형성된 상, 하부 유/무기고분자층;을 포함하는 유/무기 강화복합전해질막.
Porous polymer support;
A hydrophilic polymer-impregnated layer formed on all surfaces of the polymeric support exposed to the outside, including pores of the polymeric support;
An organic/inorganic polymer impregnated layer formed on the hydrophilic polymer impregnated layer; And
An organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane comprising an upper and lower organic/inorganic polymer layer formed on the organic/inorganic polymer impregnated layer formed on the lower and upper surfaces of the porous polymer support.
제 1 항에 있어서,
상기 유/무기고분자함침층 및 상, 하부 유/무기고분자층은 무기고분자물질과 유기고분자물질의 가교결합구조 및 상기 가교결합구조 내부에 균일하게 분산된 나노실리카입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막.
The method of claim 1,
The organic/inorganic polymer-impregnated layer and the upper and lower organic/inorganic polymer layers include a crosslinked structure of an inorganic polymer material and an organic polymer material, and nanosilica particles uniformly dispersed within the crosslinked structure. /Inorganic reinforced composite electrolyte membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 유/무기고분자함침층 및 상, 하부유/무기고분자층은 무기고분자물질 및 유기고분자물질이 0.01:19.99 내지 19.99:0.01의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막.
The method of claim 1,
The organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane, characterized in that the organic/inorganic polymer impregnated layer and the upper and lower organic/inorganic polymer layers contain an inorganic polymer material and an organic polymer material in a weight ratio of 0.01:19.99 to 19.99:0.01.
제 3 항에 있어서,
상기 무기고분자물질은 DM-SP, D-SP (Diol Silica Precursor), BD-SP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene SP), BDP-SP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane SP) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막.
The method of claim 3,
The inorganic polymer material is any one selected from the group consisting of DM-SP, D-SP (Diol Silica Precursor), BD-SP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene SP), BDP-SP (Bisphenol Dimethylbenzanthracene Polydimethylsiloxane SP), and combinations thereof. Organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane characterized by
제 3 항에 있어서,
상기 유기고분자물질은 나피온(듀폰), 3M 아이오노머 (3M), Fumion(Fumatech), Aciplex (Asahi Chemical), Aquivion(Solvay), 술폰화된 과불소계 고분자(PFSA, perfluorinated sulfonic acid), 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플로라이드, 폴리비닐플로라이드, 폴리비닐리덴 플루오르 코 퍼플루오르화 알킬비닐에테르 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막.
The method of claim 3,
The organic polymer material is Nafion (DuPont), 3M ionomer (3M), Fumion (Fumatech), Aciplex (Asahi Chemical), Aquivion (Solvay), sulfonated perfluorinated polymer (PFSA, perfluorinated sulfonic acid), polytetra Organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane, characterized in that it is any one selected from the group consisting of fluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluorcoperfluorinated alkyl vinyl ether, and combinations thereof .
제 1 항에 있어서,
상기 다공성 고분자지지체는 폴리에틸렌 또는 친수성 실리카를 포함하는 폴리에틸렌으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막.
The method of claim 1,
The porous polymer support is an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane, characterized in that made of polyethylene or polyethylene containing hydrophilic silica.
제 6 항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 5nm 내지 100um 범위의 직경을 갖는 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막.
The method of claim 6,
The porous support is an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane comprising pores having a diameter ranging from 5 nm to 100 μm.
제 1 항에 있어서,
상기 친수성고분자는 폴리도파민, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리비닐알코올로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막.
The method of claim 1,
The hydrophilic polymer is an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane, characterized in that at least one selected from the group consisting of polydopamine, polyethylene glycol, and polyvinyl alcohol.
다공성 고분자지지체를 준비하는 단계;
상기 다공성 고분자지지체를 친수성고분자용액에 함침시켜 상기 다공성 고분자지지체의 기공을 포함하여 외부로 노출된 모든 표면에 친수성고분자함침층이 형성된 1차 함침처리 고분자지지체를 얻는 1차 함침단계;
상기 1차 함침처리 고분자지지체를 유/무기고분자용액에 함침시켜 상기 친수성고분자함침층 상에 유/무기고분자함침층이 형성된 2차 함침처리 고분자지지체를 얻는 2차 함침단계;
상기 2차 함침처리 고분자지지체의 상부면과 하부면에 각각 상부 유/무기고분자층과 하부 유/무기고분자층이 형성된 전구체막을 얻는 제막단계; 및
상기 전구체막을 전처리하는 단계;를 포함하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법.
Preparing a porous polymer support;
A first impregnation step of impregnating the porous polymer support in a hydrophilic polymer solution to obtain a first impregnation treatment polymer support in which a hydrophilic polymer impregnation layer is formed on all surfaces exposed to the outside including pores of the porous polymer support;
A second impregnation step of impregnating the first impregnated polymer support into an organic/inorganic polymer solution to obtain a secondary impregnation treatment polymer support having an organic/inorganic polymer impregnated layer formed on the hydrophilic polymer impregnated layer;
A film forming step of obtaining a precursor film having an upper organic/inorganic polymer layer and a lower organic/inorganic polymer layer formed on the upper and lower surfaces of the secondary impregnation-treated polymer support; And
Pre-treating the precursor film; an organic / inorganic enhanced composite electrolyte film manufacturing method comprising a.
제 9 항에 있어서,
상기 2차 함침단계에서 상기 유/무기고분자용액은 무기고분자용액을 준비하는 단계; 유기고분자용액을 준비하는 단계; 및 상기 무기고분자용액과 유기고분자용액을 0.5:99.5 내지 99.5:0.5의 중량비로 혼합하는 단계;를 포함하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법.
The method of claim 9,
In the second impregnation step, the organic/inorganic polymer solution is prepared by preparing an inorganic polymer solution; Preparing an organic polymer solution; And mixing the inorganic polymer solution and the organic polymer solution in a weight ratio of 0.5:99.5 to 99.5:0.5. 2. A method for producing an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane comprising:
제 10 항에 있어서,
상기 무기고분자용액 또는 유기고분자용액은 용매 100중량부당 무기고분자 또는 유기고분자는 1 내지 70중량부 포함하는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법.
The method of claim 10,
The method of manufacturing an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane, wherein the inorganic polymer solution or the organic polymer solution contains 1 to 70 parts by weight of the inorganic polymer or organic polymer per 100 parts by weight of the solvent.
제 11 항에 있어서,
상기 용매는 증류수, 에탄올, 이소프로판올, 메탄올을 포함하는 알콜계 용매; 디메틸술폭사이드; N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸-2-피릴리디논, N,N-디메틸포름아미드; 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법.
The method of claim 11,
The solvent is an alcohol-based solvent including distilled water, ethanol, isopropanol, and methanol; Dimethyl sulfoxide; N,N-dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrillydinone, N,N-dimethylformamide; And organic / inorganic reinforced composite electrolyte film manufacturing method, characterized in that selected from the group consisting of a combination thereof.
제 10 항에 있어서,
상기 혼합하는 단계는 상기 무기고분자용액과 유기고분자용액을 혼합하여 20~50도의 온도로 유지되는 반응기에서 수 분 내지 수 일간 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법.
The method of claim 10,
The mixing step further comprises the step of mixing the inorganic polymer solution and the organic polymer solution and stirring for a few minutes to several days in a reactor maintained at a temperature of 20 to 50 degrees.Preparation of an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane Way.
제 9 항에 있어서,
상기 2차 함침단계는 상기 1차 함침처리 고분자지지체를 유/무기고분자용액에 함침한 후 진공상태를 유지하여 수행되는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법.
The method of claim 9,
The second impregnation step is performed by impregnating the first impregnation-treated polymer support in an organic/inorganic polymer solution and then maintaining a vacuum state to prepare an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane.
제 9 항에 있어서,
상기 제막단계는 유/무기고분자용액을 평판에 캐스팅하여 하부 유/무기고분자층을 형성하는 단계; 상기 하부 유/무기고분자층 상에 상기 2차 함침처리 고분자지지체를 올린 후 건조처리하고 상기 평판으로부터 필링하여 하부 유/무기고분자층이 구비된 1차전구체막을 얻는 하부층형성단계; 유/무기고분자용액을 평판에 캐스팅하여 상부 유/무기고분자층을 형성하는 단계; 상기 상부 유/무기고분자층 상에 상기 1차전구체막의 하부 유/무기고분자층이 형성되지 않은 상부면이 접촉되게 올린 후 건조처리하고 상기 평판으로부터 필링하여 상, 하부 유/무기고분자층이 형성된 2차전구체막을 얻는 상부층형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법.
The method of claim 9,
The film forming step includes forming a lower organic/inorganic polymer layer by casting an organic/inorganic polymer solution onto a flat plate; A lower layer forming step of placing the secondary impregnated polymer support on the lower organic/inorganic polymer layer, drying treatment, and peeling from the flat plate to obtain a primary precursor film having a lower organic/inorganic polymer layer; Casting an organic/inorganic polymer solution on a flat plate to form an upper organic/inorganic polymer layer; On the upper organic/inorganic polymer layer, the upper surface of the primary precursor film on which the lower organic/inorganic polymer layer is not formed is brought into contact, dried, and peeled from the flat plate to form upper and lower organic/inorganic polymer layers. An organic/inorganic reinforced composite electrolyte film manufacturing method comprising a; forming an upper layer for obtaining a shielding body film.
제 15 항에 있어서,
상기 하부층형성단계 및 상부층형성단계에서 이루어지는 상기 건조처리를 통해 무기고분자와 유기고분자의 가교결합구조 및 상기 가교결합구조 내부에 균일하게 분산된 나노실리카입자가 생성되는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법.
The method of claim 15,
Organic/inorganic reinforced composite, characterized in that through the drying treatment performed in the lower layer forming step and the upper layer forming step, a crosslinked structure of inorganic and organic polymers and nanosilica particles uniformly dispersed within the crosslinked structure are produced. Electrolyte membrane manufacturing method.
제 9 항에 있어서,
상기 전처리하는 단계는 상기 2차전구체막을 염기성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시키고, 다시 산성수용액에 침지시켜 처리한 후 증류수에 침지시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법.
The method of claim 9,
The pre-treatment is performed by immersing the secondary precursor membrane in a basic aqueous solution, immersing it in distilled water, immersing it in an acidic aqueous solution, and then immersing it in distilled water to prepare an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane. Way.
제 17 항에 있어서,
상기 염기성수용액은 1 내지 30% H2O2 수용액이고, 상기 산성수용액은 0.05 내지 5M H2SO4 수용액인 것을 특징으로 하는 유/무기 강화복합전해질막 제조방법.
The method of claim 17,
The basic aqueous solution is a 1 to 30% H 2 O 2 aqueous solution, and the acidic aqueous solution is an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane manufacturing method, characterized in that the 0.05 to 5M H 2 SO 4 aqueous solution.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 유/무기 강화복합전해질막 또는 제 9 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 유/무기 강화복합 전해질막을 포함하는 레독스 흐름 전지.
A redox flow battery comprising an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8 or an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane manufactured by the manufacturing method of any one of claims 9 to 18.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 유/무기 강화복합전해질막 또는 제 9 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 유/무기 강화복합 전해질막을 포함하는 수처리 장치.A water treatment apparatus comprising an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 8 or an organic/inorganic reinforced composite electrolyte membrane manufactured by the manufacturing method of any one of claims 9 to 18.
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