분리막(Separationmembrane)을 이용하여 기체 또는 액체상태로 존재하는 분자들을 선택적으로 분리하는 기술은 화학, 생물, 제약, 석유화학 등의 산업에서 매우 다양하게 응용되고 있으며 산업적으로 매우 큰 비중을 차지하고 있다. Anodic aluminum oxide (AAO) 막은 nanochannel의 직경, nanochannel 간의 거리 및 원통형 nanochannel의 길이 등을 정밀하게 조절할 수 있어 AAO 막을 이용하여 혼합분자를 효과적으로 분리하려는 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 양 말단이 열려있어 through-hole 구조로 다양한 직경의 nanochannel을 가지는 AAO 막을 제작하였으며, 이것을 이용하여 용매에 녹아있는 고분자 사슬의 수력학적 부피에 따른 선택적 투과를 관찰하였다. Nanochannel을 투과한 고분자 사슬의 회전반지름과 nanochannel의 직경 사이에 정량적인 관계가 있음을 확인하였다. 또한 AAO 막의 nanochannel을 흐르는 고분자 용액의 유동률(flowrate)이 Hagen-Poiseuille 관계식으로 정확하게 설명될 수 있음을 확인하여 AAO 내에 존재하는 원통형태의 nanochannel 내에서 흐르는 용액의 나노흐름(nanoflow)에 대한 이론적 해석이 가능함을 증명하였다.
분리막(Separation membrane)을 이용하여 기체 또는 액체상태로 존재하는 분자들을 선택적으로 분리하는 기술은 화학, 생물, 제약, 석유화학 등의 산업에서 매우 다양하게 응용되고 있으며 산업적으로 매우 큰 비중을 차지하고 있다. Anodic aluminum oxide (AAO) 막은 nanochannel의 직경, nanochannel 간의 거리 및 원통형 nanochannel의 길이 등을 정밀하게 조절할 수 있어 AAO 막을 이용하여 혼합분자를 효과적으로 분리하려는 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 양 말단이 열려있어 through-hole 구조로 다양한 직경의 nanochannel을 가지는 AAO 막을 제작하였으며, 이것을 이용하여 용매에 녹아있는 고분자 사슬의 수력학적 부피에 따른 선택적 투과를 관찰하였다. Nanochannel을 투과한 고분자 사슬의 회전반지름과 nanochannel의 직경 사이에 정량적인 관계가 있음을 확인하였다. 또한 AAO 막의 nanochannel을 흐르는 고분자 용액의 유동률(flow rate)이 Hagen-Poiseuille 관계식으로 정확하게 설명될 수 있음을 확인하여 AAO 내에 존재하는 원통형태의 nanochannel 내에서 흐르는 용액의 나노흐름(nanoflow)에 대한 이론적 해석이 가능함을 증명하였다.
Techniques for selectively separating molecules of gas and liquid states using various separation membranes have been widely used in variety of applications such as chemical, biological, pharmaceutical, and petrochemical industries. As the nanochannel diameter, inter-channel distance and length of t...
Techniques for selectively separating molecules of gas and liquid states using various separation membranes have been widely used in variety of applications such as chemical, biological, pharmaceutical, and petrochemical industries. As the nanochannel diameter, inter-channel distance and length of the nanochannel of the anodic aluminum oxide (AAO) membranes can be precisely controlled, various studies to effectively separate mixture of various molecules using AAO membrane have been widely carried out. In this study, we fabricated AAO membranes of cylindrical nanochannels of various diameter sizes and of through-hole structure, that is, nanochannels of which both ends of each nanochannel are open. Using those AAO membranes of through-hole nanochannel structure, we studied the selective permeation polymer chains dissolved in a solvent based on hydraulic volume of the polymer chains. We found a precise, quantitative relationship between the radius of gyration of polymer chains that permeated through nanochannels inside AAO membrane and the diameter of nanochannels. In addition, we demonstrate that the behavior of the polymer solution flowing through nanochannel of the AAO membrane can be successfully described with the Hagen-Poiseuille relationship. It is, therefore, possible to theoretically interpret the nanoflow of the solution flowing inside the cylindrical nanochannel.
Techniques for selectively separating molecules of gas and liquid states using various separation membranes have been widely used in variety of applications such as chemical, biological, pharmaceutical, and petrochemical industries. As the nanochannel diameter, inter-channel distance and length of the nanochannel of the anodic aluminum oxide (AAO) membranes can be precisely controlled, various studies to effectively separate mixture of various molecules using AAO membrane have been widely carried out. In this study, we fabricated AAO membranes of cylindrical nanochannels of various diameter sizes and of through-hole structure, that is, nanochannels of which both ends of each nanochannel are open. Using those AAO membranes of through-hole nanochannel structure, we studied the selective permeation polymer chains dissolved in a solvent based on hydraulic volume of the polymer chains. We found a precise, quantitative relationship between the radius of gyration of polymer chains that permeated through nanochannels inside AAO membrane and the diameter of nanochannels. In addition, we demonstrate that the behavior of the polymer solution flowing through nanochannel of the AAO membrane can be successfully described with the Hagen-Poiseuille relationship. It is, therefore, possible to theoretically interpret the nanoflow of the solution flowing inside the cylindrical nanochannel.
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문제 정의
분리막을 이용한 선택적 투과 방법으로 혼합 분자들을 분리하는 연구는 많이 진행되고 있으나, 용액상의 고분자 사슬을 그 수력학적 부피(hydrodynamic volume)에 따라 분리하고 이들 분리된 사슬의 수력학적 부피와 분리막 내부에 존재하는 nanochannnel의 크기 사이의 정량적인 상관관계를 밝히려는 학문적인 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 다양한 크기의 nanochannel을 함유하는 AAO 분리막을 사용하여 용액상태의 고분자 사슬의 선택적 투과를 관찰하였다. 이를 바탕으로 nanochannel의 크기와 액체 상태의 고분자 사슬의 수력학적 부피와의 정략적 상관관계를 관찰하였으며, nanochannel을 흐르는 액체의 거동을 Hagen-Poiseuille (HP) 관계식을 이용하여 이론적으로 해석하는 연구를 진행하였다.
본 연구의 주목적은 투과된 고분자 사슬의 3차원적 수력학적 부피와 AAO 막에 존재하는 nanochannel의 크기와의 상관관계를 확인하는 것이다. 투과된 고분자 사슬의 회전반지름(radius of gyration, Rg)의 두 배 값으로 고분자 사슬의 3차원적 구의 지름으로 사용하였다.
본 연구를 통하여 AAO 막의 nanochannel의 크기를 조절하여 고분자 사슬의 크기에 따른 선택적 분리가 가능함을 확인하였으며 이러한 현상을 HP식을 이용하여 이론적으로 해석하였다. 이 결과를 통해 AAO 막을 수처리 필터, 바이오 메디칼 등의 분야에서 효과적으로 활용할 수 있을 것이다.
제안 방법
알루미늄의 결정영역의 크기를 넓혀주기 위해 질소 분위기에서 400°C로 3시간 동안 열처리하였다.
따라서 본 논문에서는 다양한 크기의 nanochannel을 함유하는 AAO 분리막을 사용하여 용액상태의 고분자 사슬의 선택적 투과를 관찰하였다. 이를 바탕으로 nanochannel의 크기와 액체 상태의 고분자 사슬의 수력학적 부피와의 정략적 상관관계를 관찰하였으며, nanochannel을 흐르는 액체의 거동을 Hagen-Poiseuille (HP) 관계식을 이용하여 이론적으로 해석하는 연구를 진행하였다.
전기연마(Electropolishing) : 전처리된 알루미늄 표면에 형성된 산화막을 제거하고 알루미늄 표면의 평탄도로 높여주는 공정을 진행하였다. 60% HClO4 와 C2H5OH를 1 : 3의 부피 비로 혼합하여 제조된 전해질을 사용하였다.
음극으로 백금선을 사용하였으며, 25°C에서 20 V 의 전압을 180초 동안 인가하였다. 전해질 교반 속도를 조절하여 1.1 mA/mm2 정도의 전류가 유지되도록 하였다.
공정 온도를 0°C (5°C 이하)로 유지 하고 초당 1~2회 정도의 속도로 교반하며 전압을 인가해 주었다.
본 연구에서는 2차 양극산화 공정 시간을 조절하여 20 µm의 두께를 가지는 AAO 막을 제작하였다.
2차 양극산화 : 1차 양극산화와 동일한 조건으로 2차 양극산화공정을 진행하였다. 2차 양극산화 공정 시간에 의하여 형성되는 AAO 막의 두께가 결정된다.
본 연구에서는 voltage pulse detachment[10,29-33] 공정을 사용하여 차단막(barrier layer)을 제거하였다. 적당한 전해질 용액 내에서 짧은 시간 전압을 인가하여 산화알루미늄 막과 알루미늄 기질을 분리할 수 있다.
Nanochannel 을 선택적으로 통과하여 permeate 용액 내에 존재하는 고분자 사슬의 크기를 관찰하기 위하여 일정 시간(12~24시간) 마다 permeate cell에서 소량의 “permeate 용액”을 채취하여 GPC 곡선을 얻었다.
투과된 고분자 사슬의 회전반지름(radius of gyration, Rg)의 두 배 값으로 고분자 사슬의 3차원적 구의 지름으로 사용하였다. Permeate cell로 투과되어 나온 permeate 용액의 GPC 곡선을 얻어 nanochannel을 투과한 고분자 사슬의 평균분자량을 측정하였다. 21 nm의 nanochannel 직경을 갖는 AAO를 투과한 용액은 24시간 마다, 32~45 nm는 12시간 마다 GPC 곡선을 얻었다(Figures 5~8).
본 연구에서는 2단계 양극산화 공정과 voltage pulse detachment 기법을 사용하여 21~45 nm의 직경을 가지는 through-hole nanochannel 구조를 갖는 AAO 막을 성공적으로 제작하였다. 이것을 이용하여 용매에 녹아 있는 고분자 사슬의 크기에 따른 선택적 투과를 관찰하 였다.
본 연구에서는 2단계 양극산화 공정과 voltage pulse detachment 기법을 사용하여 21~45 nm의 직경을 가지는 through-hole nanochannel 구조를 갖는 AAO 막을 성공적으로 제작하였다. 이것을 이용하여 용매에 녹아 있는 고분자 사슬의 크기에 따른 선택적 투과를 관찰하 였다. 또한 투과된 고분자 사슬의 3차원적 크기와 nanochannel의 크기가 정량적인 상관관계를 있음을 확인하였다.
1차 양극산화 : 전기연마 공정이 끝난 알루미늄을 탈이온수로 세척하고 적절한 전해질을 사용하여 양극산화를 진행하였다. 공정 온도를 0°C (5°C 이하)로 유지 하고 초당 1~2회 정도의 속도로 교반하며 전압을 인가해 주었다.
대상 데이터
전기연마(Electropolishing) : 전처리된 알루미늄 표면에 형성된 산화막을 제거하고 알루미늄 표면의 평탄도로 높여주는 공정을 진행하였다. 60% HClO4 와 C2H5OH를 1 : 3의 부피 비로 혼합하여 제조된 전해질을 사용하였다. 음극으로 백금선을 사용하였으며, 25°C에서 20 V 의 전압을 180초 동안 인가하였다.
적당한 전해질 용액 내에서 짧은 시간 전압을 인가하여 산화알루미늄 막과 알루미늄 기질을 분리할 수 있다. 전해질 용액은 HClO4 (72%)와 (CH3CO)2을 1 : 1 부피비로 제조하여 사용하였다. 양극산화공정에서 사용된 전압보다 5~10 V 높은 전압을 3초 동안 인가해준다.
본 연구에서는 21~45 nm의 nanochannel 직경을 갖는 AAO 막을 제조하였다. Figure 2에 양극산화 조건과 nanochannel의 직경을 나타내었고 AAO 막의 윗면, 아랫면, 단면 SEM 사진을 첨부하였다.
고분자 사슬의 수력학적 부피에 따른 선택적 투과를 관찰하기 위해 넓은 분자량 분포를 가지는 polystyrene (PS, Aldrich, Mw 280,000 g/mol, 중량평균분자량/수평 균분자량(Mw /Mn ) 6.01)을 사용하였다. PS를 DMF (Duksan reagents, N,N-Dimethyl formamide HPLC grade)용매에 용해시켜 PS 용액을 제조하였다.
본 연구의 주목적은 투과된 고분자 사슬의 3차원적 수력학적 부피와 AAO 막에 존재하는 nanochannel의 크기와의 상관관계를 확인하는 것이다. 투과된 고분자 사슬의 회전반지름(radius of gyration, Rg)의 두 배 값으로 고분자 사슬의 3차원적 구의 지름으로 사용하였다. Permeate cell로 투과되어 나온 permeate 용액의 GPC 곡선을 얻어 nanochannel을 투과한 고분자 사슬의 평균분자량을 측정하였다.
이론/모형
AAO 막의 nanochannel을 통과하는 고분자 용액의 거동을 Hagen-Poiseuille (HP) 식으로 해석하였다. GPC 분석결과를 토대로 계산한 부피흐름속도와 nanochannel 직경의 상관관계를 분석하여, HP 식에서 예측된 바와 같이, 부피흐름속도와 nanochannel 직경의 4승이 정확 하게 비례하는 것을 확인하였으며, 흐름속도를 nanochannel 직경의 4승으로 나누어준 값이 일정한 상수를 가짐을 확인하였다.
성능/효과
투과 시간이 증가할수록 feed 용액 내에 존재하는 고분자 사슬의 농도가 증가하므로 GPC 곡선의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 투과 시간이 증가함에도 permeate 용액의 GPC 곡선의 최대값이 거의 일정한 값을 보이는 것으로 보아 nanochannel을 통과하는 고분자의 평균적 크기는 투과 시간에 크게 영향을 받지 않음을 확인할 수 있다.
투과 시간이 증가할수록 feed 용액 내에 존재하는 고분자 사슬의 농도가 증가하므로 GPC 곡선의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 투과 시간이 증가함에도 permeate 용액의 GPC 곡선의 최대값이 거의 일정한 값을 보이는 것으로 보아 nanochannel을 통과하는 고분자의 평균적 크기는 투과 시간에 크게 영향을 받지 않음을 확인할 수 있다. Nanochannel의 크기가 45 nm인 경우에는(Figure 5), permeate 용액의 GPC 곡선의 최대값과 feed 용액의 GPC 곡선의 최대값이 거의 같음을 확인할 수 있다.
Figure 9 에서 볼 수 있듯이 nanochannel의 직경이 증가할수록 nanochannel을 통과하는 고분자 사슬의 크기가 비례적으로 증가함을 확인할 수 있다. 또한 nanochannel을 투과한 permeate 용액 내의 고분자 사슬의 Mw 로 계산한 2Rg 값보다 Mz 로 계산한 2Rg 값이 AAO 막에 존재하는 nanochannel의 직경과 유사함을 확인할 수 있다.
Figure 11의 결과로부터, 단위 nanochannel당부피흐름속도는 nanochannel의 직경의 4승에 정확하게 비례하는 것을 알 수 있다. 따라서 AAO 막의 nano-channel을 흐르는 고분자 용액의 흐름 거동은 HagenPoiseuille 이론으로 잘 설명될 수 있음을 확인하였다.
Figure 12의 결과로부터 Q/Dp4 의 값은 nanochannel의 직경이 21 nm로 작아지는 경우에도 일정한 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 AAO 막의 nanochannel을 흐르는 고분자 용액의 거동은 nanochannel의 크기가 21 nm로 작은 경우에도 이상적으로 Hagen-Poiseuille이론과 일치함을 확인하였다.
이것을 이용하여 용매에 녹아 있는 고분자 사슬의 크기에 따른 선택적 투과를 관찰하 였다. 또한 투과된 고분자 사슬의 3차원적 크기와 nanochannel의 크기가 정량적인 상관관계를 있음을 확인하였다. AAO 막의 nanochannel의 직경이 증가할수록 permeate 용액 내의 고분자 사슬의 평균분자량이 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다.
또한 투과된 고분자 사슬의 3차원적 크기와 nanochannel의 크기가 정량적인 상관관계를 있음을 확인하였다. AAO 막의 nanochannel의 직경이 증가할수록 permeate 용액 내의 고분자 사슬의 평균분자량이 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 또한 permeate 용액의 고분자 사슬의 Mz 값으로 계산한 2Rg(Mz) 값이 AAO 막 내부에 존재하는 nanochannel의 직경과 정량 적으로 일치함을 확인하였다.
AAO 막의 nanochannel의 직경이 증가할수록 permeate 용액 내의 고분자 사슬의 평균분자량이 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 또한 permeate 용액의 고분자 사슬의 Mz 값으로 계산한 2Rg(Mz) 값이 AAO 막 내부에 존재하는 nanochannel의 직경과 정량 적으로 일치함을 확인하였다.
AAO 막의 nanochannel을 통과하는 고분자 용액의 거동을 Hagen-Poiseuille (HP) 식으로 해석하였다. GPC 분석결과를 토대로 계산한 부피흐름속도와 nanochannel 직경의 상관관계를 분석하여, HP 식에서 예측된 바와 같이, 부피흐름속도와 nanochannel 직경의 4승이 정확 하게 비례하는 것을 확인하였으며, 흐름속도를 nanochannel 직경의 4승으로 나누어준 값이 일정한 상수를 가짐을 확인하였다. 즉, AAO 막의 nanochannel 내에서 흐르는 고분자 용액의 거동이 HP이론으로 설명할 수 있음을 확인하였다.
GPC 분석결과를 토대로 계산한 부피흐름속도와 nanochannel 직경의 상관관계를 분석하여, HP 식에서 예측된 바와 같이, 부피흐름속도와 nanochannel 직경의 4승이 정확 하게 비례하는 것을 확인하였으며, 흐름속도를 nanochannel 직경의 4승으로 나누어준 값이 일정한 상수를 가짐을 확인하였다. 즉, AAO 막의 nanochannel 내에서 흐르는 고분자 용액의 거동이 HP이론으로 설명할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
본 연구를 통하여 AAO 막의 nanochannel의 크기를 조절하여 고분자 사슬의 크기에 따른 선택적 분리가 가능함을 확인하였으며 이러한 현상을 HP식을 이용하여 이론적으로 해석하였다. 이 결과를 통해 AAO 막을 수처리 필터, 바이오 메디칼 등의 분야에서 효과적으로 활용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광범위하게 사용되고 있는 유기고분자 분리막의 단점은?
일반적으로 광범위하게 사용되는 유기고분자 분리막은 유기재료의 특성상 열적 안정성이 제한적이다. 반면에 무기재료인 anodic aluminum oxide (AAO) 막은 열적 특성이 매우 우수하며, 화학적으로 높은 안정성 및 높은 강도를 보이며, 유기재료에 의한 막에 비하여 매우 균일하고 높은 밀도의 나노 크기의 nanochannel를 갖는다.
높은 선택성과 투과율을 위해 분리막이 갖춰야 할 요소는?
혼합되어 있는 분자들을 효과적으로 분리하기 위해서 분리막은 몇 가지 중요한 요소를 갖추어야 한다. 분리막이 높은 선택성과 투과율을 갖기 위해서는 분리막에 존재하는 nanochannel의 직경이 나노미터 수준에서 정밀하게 조절되어야 하며, nanochannel의 균일도가 높아야 하고, 다공성(porosity)이 높아야 하며, 분리막의 두께는 두껍지 않아야 하며, 높은 기계적 강도와 화학적 안정성을 가져야 한다[2,3]. 다양한 직경의 nanochannel을 가지는 분리막은 일반적으로 유기, 무기 및 복합재료 등의 여러 재료로 만들어진다[4-9].
AAO의 nanochannel을 through-hole 구조로 만들기 위해 차단층을 제거하는 방법은?
AAO 막을 분리막으로 사용하기 위해서는 nanochannel 의 한쪽 끝을 막고 있는 차단층(barrier layer)을 열고, 알루미늄 기질을 제거하여 결과적으로 AAO 내에 존재 하는 nanochannel의 양끝이 열려있는 through-hole 구조를 갖게 하는 것이 필수적이다. 차단층(barrier layer) 을 제거하는 tip opening 방법으로는 chemical wet etching [3,14-23], hard anodization[24,25], re-anodization[26,27], ion milling[28], voltage pulse detachment[10,29-33] 등의 방법이 사용된다. 그러나 보편적으로 사용되는 chemical wet etching 공정으로 차단층을 제거하면, 형성된 nanochannel의 크기가 변화할 수 있다[34,35].
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