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경상국립대 김기현 교수 연구팀, 물에 젖어도 잘 부풀지 않는 음이온 막 개발…300시간 연속 구동 - 초고분자량 고분자의 '사슬 얽힘'으로 가교 없이 막의 팽윤·기체 투과 억제 - 3.3 V에서 일산화탄소 부분 전류밀도 648 mA/cm²…상용막보다 높아 - 한국화학연구원·연세대 공동연구, 《ACS Energy Letters》 게재
경상국립대(총장 권진회)는 공과대학 나노신소재융합공학부 김기현 교수 연구팀이 한국화학연구원 소순용 박사팀, 연세대 이상영 교수팀과 함께 새로운 음이온교환막을 개발했다고 밝혔다. 이 막은 화학적 가교 없이 고분자 사슬의 물리적 얽힘만으로 내구성을 높인 이산화탄소 전해용 막이다. 300시간 연속 구동하는 동안 파손 없이 안정적인 성능을 유지했고, 일산화탄소 생성 성능은 상용막보다 높았다. 전기를 이용해 이산화탄소를 일산화탄소 같은 산업적으로 유용한 물질로 바꾸는 기술이 있다. 전기화학적 이산화탄소 환원 반응(CO2RR)으로, 온실가스를 줄이면서 자원도 얻을 수 있어 주목받고 있다. 액체 전해질을 쓰는 방식은 이산화탄소가 잘 녹지 않아 효율이 떨어지는 한계가 있었다. 그래서 최근에는 물질 전달 저항을 줄여 반응 효율을 높인 무간극(Zero-gap) 전해조가 활발히 연구되고 있다. 이 장치의 핵심 부품이 음이온만 골라 통과시키는 음이온교환막(AEM)이다. 문제는 이 막의 성능과 내구성이 서로 충돌한다는 점이다. 이온이 잘 통하도록 물과 잘 어울리는 작용기(4차 암모늄 등)를 늘리면, 막이 물을 지나치게 머금어 부풀어 오르는 팽윤(Swelling) 현상이 생긴다. 막이 부풀면 기계적 강도가 떨어지고 기체가 막을 통과해 장치 수명이 줄어든다. 그동안은 고분자 사슬을 화학 결합으로 묶는 가교(Cross-linking)로 이를 막아 왔다. 하지만 이 방법은 막이 딱딱해져 잘 깨지는 취성(Brittleness)이 생기고 이온전도도가 떨어지는 부작용이 있었다. 연구팀은 사슬을 화학적으로 묶는 대신 사슬 자체를 길게 만드는 방법을 택했다. 먼저 중합 반응을 방해하는 불순물을 걸러내는 단량체 고순도화 공정과 반응 제어 기술을 적용했다. 이를 통해 수평균분자량(Mn)이 100 kDa(킬로달톤)을 넘고 분자량 분포가 고른(분산도 Đ < 3) 플루오렌 기반 이오노머 'FLBN'을 합성했다. 이오노머(Ionomer)는 이온을 전달하는 작용기를 가진 고분자를 말한다. 이렇게 길어진 고분자 사슬은 실타래처럼 촘촘하게 얽히며 그물 구조를 이룬다. 이를 사슬 얽힘(Chain entanglement)이라고 한다. 화학 결합이 아닌 물리적 얽힘이어서 막이 유연성을 잃지 않는다. 따라서 물을 흡수할 때 생기는 팽창 압력을 고르게 분산해 막이 파손되는 것을 막는다. 연구팀은 여기에 더해 단단한 주쇄(Backbone)와 4차 암모늄 작용기 사이에 유연한 긴 알킬 사슬을 넣었다. 그 결과 수산화 이온(OH-)이 원활하게 이동하는 미세 상분리(Microphase separation) 구조가 만들어졌다. 기체는 막고 이온은 잘 통하는 구조다. 개발한 막(FLBN-50)을 이산화탄소 환원 전해조에 적용하자, 3.3 V에서 일산화탄소(CO) 부분 전류밀도 648 mA/cm²를 기록했다. 부분 전류밀도는 일산화탄소 생성에 쓰인 전류의 세기로, 값이 높을수록 같은 면적에서 일산화탄소를 더 빠르게 만든다는 뜻이다. 이 막은 비교 대상인 상용막 Sustainion과 PiperION보다 모든 전압 조건에서 높은 값을 보였다. 100 mA/cm² 조건에서 300시간 동안 쉬지 않고 구동한 시험에서도 전압이 거의 오르지 않았다. 막의 구조도 무너지지 않았고, 투입한 전류 중 일산화탄소 생성에 쓰인 비율인 패러데이 효율(Faraday efficiency)은 80~90% 수준을 유지했다. 시험 후 분석에서도 고분자의 화학 구조와 막의 관통 강도는 시험 전과 비슷하게 유지됐다. 이번 결과는 가교 없이 분자량과 사슬 얽힘을 조절하는 것만으로 전해질막의 안정성과 성능을 함께 제어할 수 있음을 실험으로 확인한 것이다. 연구팀은 이 방식이 이산화탄소 환원뿐 아니라 수전해 등 에너지 변환 장치용 소재 설계에도 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 그 결과는 「Molecular Weight-Driven Chain Entanglement in Fluorene-Based Anion Exchange Membranes for High-Performance CO2 Electrolysis」(공동 제1저자 김병모·이창진)라는 제목으로 국제학술지 《ACS Energy Letters》(IF 17.5, 2026)에 게재됐다. 이 논문의 연구 이미지는 해당 호의 보조 표지(Supplementary Cover)로도 선정됐다. 김기현 교수는 "그동안 음이온교환막은 이온이 잘 통하게 할수록 물에 약해지는 딜레마를 안고 있었다"고 말했다. 이어 "이번 연구는 가교에 기대지 않고 고분자 사슬을 길게 만들어 얽히게 하는 것만으로 이 문제를 개선할 수 있음을 보여 줬다"며 "이 설계 방식을 수전해 등 다른 에너지 변환 장치용 전해질 소재로도 넓혀 가겠다"고 밝혔다.
■ 논문 정보 ·논문명: Molecular Weight-Driven Chain Entanglement in Fluorene-Based Anion Exchange Membranes for High-Performance CO2 Electrolysis - 공동 제1저자: 김병모(나노신소재융합공학부 석사과정), 이창진(한국화학연구원) - 교신저자: 이상영(연세대 교수), 소순용(한국화학연구원), 김기현(나노신소재융합공학부 교수), ·게재지: 《ACS Energy Letters》 ·Journal Link(DOI): https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01341
·사진 설명: 경상국립대 공과대학 나노신소재융합공학부 김기현 교수 연구팀(왼쪽부터 나노신소재융합공학부 석사과정 김병모 씨, 한국화학연구원 이창진 씨, 한국화학연구원 소순용 박사, 김기현 교수) 담당 부서: 나노신소재융합공학과 김기현 교수 | 055-772-1655 | kihyun@gnu.ac.kr
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