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[국내논문] Anodic Aluminum Oxide Membrane을 통한 고분자 사슬의 선택적 투과
Sieving the Polymer Chains through Anodic Aluminum Oxide Membranes 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.26 no.4, 2016년, pp.291 - 300  

최용준 (인하대학교 유기응용재료공학과) ,  이한섭 (인하대학교 유기응용재료공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

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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.
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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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참고문헌 (42)

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  40. A. Li, F. Muller, A. Birner, K. Nielsch, and U. Gosele, "Hexagonal pore arrays with a 50-420 nm interpore distance formed by self-organization in anodic alumina", J. Appl. Phys., 84, 6023 (1998). 

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