초록 ▼

가. 연구개발 목표 - 최적의 기체투과도를 얻기 위하여 박막 형태의 무기복합막을 제조하는 기술을 개발한다. - 기계적 내구성 및 분리되는 화합물들에 대한 화학적 내구성이 큰 소재를 개발한다. - 제조된 막들의 기체투과 특성을 특성화하여 산업적인 응용에 필요한 막들을 개발한다.나. 연구개발 내용 기체 분리막의 기체투과 메카니즘을 살펴보면 일반적으로 분리막의 미세한 기공 및 grain boundary를 통한 확산, 또는 막 자체의 격자를 통한 용액-확산에 의하여 기체투과가 이루어지므로 기체분리막이 우수한 투과선택성을 갖기 위해

가. 연구개발 목표 - 최적의 기체투과도를 얻기 위하여 박막 형태의 무기복합막을 제조하는 기술을 개발한다. - 기계적 내구성 및 분리되는 화합물들에 대한 화학적 내구성이 큰 소재를 개발한다. - 제조된 막들의 기체투과 특성을 특성화하여 산업적인 응용에 필요한 막들을 개발한다.나. 연구개발 내용 기체 분리막의 기체투과 메카니즘을 살펴보면 일반적으로 분리막의 미세한 기공 및 grain boundary를 통한 확산, 또는 막 자체의 격자를 통한 용액-확산에 의하여 기체투과가 이루어지므로 기체분리막이 우수한 투과선택성을 갖기 위해서는 얇고 치밀한 구조로 이루어져야 한다. 이와 같은 sub-㎛ 단위의 얇고 균일한 활성층을 갖는 복합막의 제조가 용이한 여러 가지 방법을 시도하였다. 용액 침적법, 진공-전기도금법과 같은 제조법을 새로이 개발하여 기존의 방법에 의해 제조된 복합막에 비해 뛰어난 성능을 지닌 막의 제조를 가능하게 하였으며 최근 응용 가능성에 주목받고 있는 화학 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)법에 의한 복합막 제조를 시도하였다. 한편, 실리카를 주성분으로 하는 막은 고온에 잘 견디는 물성 외에 부가적으로 할로겐화물 등의 유독성 물질에도 우수한 내구성을 보이므로 그 실용성이 매우 기대된다. 예를 들어 SiC 상의 막은 폴리카보실란을 전구체로 이용하여 얻어지는데, 막의 투과특성을 규정짓는 미세구조는 성형 과정에서 수반되는 복잡한 열분해 메카니즘에 의해 결정되므로 기체 분리 특성이 우수한 고온 기체 분리막을 제조하였다.(1) 용액 침적법에 의한 팔라듐/팔라듐 합금 복합막 제조 팔라듐, 니켈 등 금속 소재들을 다공성 지지체 표면에 박막의 형태로 입히기 위하여 각 금속의 적합한 유기 금속적 전구체를 사용한다. 불활기체 환경에서 낮은 에너지 경로로 분해된 금속들의 nucleation과정을 제어하여 치밀한 비다공성 복합막을 제조한다. 동시에 막의 안정성을 고려한 막의 설계로부터 고선택 투과성을 유지하는 동시에 고온에서의 장시간 운전을 가능하게 한다.(2) MOCVD법에 의한 팔라듐 복합막 제조 박막 제조의 가능성에 있어 크게 주목 받고 있는 화학증착법의 경우 전구체의 유입량이나 진공도, 증착온도를 조절함으로써 고성능의 복합막을 제조한다.(3) 진공-전기도금법에 의한 팔라듐 합금 복합막 제조 수소에 대한 선택적 투과성을 높이고 내구성을 향상시키기 위해 팔라듐 합금 형태로 다공성 지지체 위에 치밀한 박막 형태로 코팅하기 위해 진공을 가한 새로운 전기도금 기술을 개발하였다. 고순도의 수소를 제조할 수 있는 핀홀이 없는 치밀한 합금층의 제조 조건을 확립하고 나아가 막의 안정성을 고려한 막의 설계로부터 고선택 투과성을 유지하는 동시에 고온에서의 장시간 운전을 가능하게 한다.(4) 폴리카보실란(PCS)를 소재로 이용한 탄화규소막 제조 Si-H 기능기를 가진 폴리카보실란과 아릴지르코늄 또는 산화마그네슘을 혼합한 preceramic 전구체들로부터 수소, 이산화탄소 분리에 응용될 수 있는 무기복합막들을 제조한다.(5) 졸-겔법에 의한 실리카막의 제조 기공 크기의 조절이 용이하다고 알려진 실리키막을 기체 분리에 적용하기 위해서는 적당한 기공의 크기를 조절하는 것이 중요한 관건이다. 실리카 무기막의 경우 콜로이드성 콜로이드 실리카 졸과 고분자형태의 실리카 졸을 합성하여 CVD 법보다는 공정상 훨씬 간단한 졸-겔법에 의한 제조를 통하여 복합막을 제조하였다. 제조된 복합막의 기체 투과 특성을 측정함으로써 고온 기체 분리에의 적용 가능성을 가늠하였다.

Abstract ▼

In order to develop a gas separation membrane with its optimum gas permeance and selectivity, preparative processes to fabricate composite-type membranes such as the convensional chemical vapor deposition(CVD), sol-gel methods, etc. need to be modified where thin films of inorganic materials like tr

In order to develop a gas separation membrane with its optimum gas permeance and selectivity, preparative processes to fabricate composite-type membranes such as the convensional chemical vapor deposition(CVD), sol-gel methods, etc. need to be modified where thin films of inorganic materials like transition metals or polycarbosilanes are deposited on/inside of the porous supports. Second, as chemical conversion methods from molecules to solid state materials depend on the nature of the precursors, selection of molecules along with well designed degeneration reactions should be considered. Low valent organometallic molecules are chosen as precursors toward inorganic skin membranes. Third, new method for the vacuum electrodeposition was developed for the coating the dense and thin layer of Pd alloy on the microporous support in order to improve both the selective permeation toward H₂and the lifetime of the Pd composite membrane. By using this method, it is possible to establish the optimum condition for the formation of the pin-hole free dense alloy layer, through which the production of $H_2$with high purity is possible. Also, the Pd composite membranes prepared by this method, considering the stability of the membrane, are able to be operated for long time with good selective permeation performances. Forth, curing mechanisms included in the thermal decomposition of inorganic polymers such as polycarbosilanes are investigated in order to optimize the preparation processes of silicon carbide high-temperature membranes. The reaction of polycarbosilane with Zr$(CH_2C_6H_5)_4$ is characterized between 20℃ and 600℃. The electronic effect of Lewis bases like Mg as MgO toward functional group, Si-H, and its consiquent influence for gas permeation characteristics are investigated. Fifth, it is critical to control the pore size in order to apply the silica membrane for the gas separation that has been considered good to control the pore size. Silica composite membranes were prepared through the sol-gel method that is more simple process than the CVD method, synthesizing the colloid silica sol in both colloidal and polymeric colloid. They were diagnosed through the gas permeation test to determine if they are useful for the separation of high temperature gases.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...21
• 제 1 절 고온기체 분리막의 개요...23
• 제 2 절 무기막 종류 및 박막 제조 기술...26
• 제 3 절 기체 투과 메카니즘...33
• 제 2 장 국내외 기술 개발 현황...43
• 제 1 절 외국의 기술개발 현황...45
• 제 2 절 국내의 기술개발 현황...48
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과...49
• 제 1 절 용액 침적법에 의한 팔라듐/팔라듐 합금 복합막 제조 및 고온 기체 투과 특성...51
• 1. 서론...51
• 2. 실험...55
• 3. 결과 및 고찰...59
• 4. 결론...100
• 제 2 절 MOCVD법에 의한 팔라듐 복합막 제조 및 고온 기체 투과 특성...101
• 1. 서론...101
• 2. 실험...103
• 3. 결과 및 고찰...106
• 4. 결론...117
• 제 3 절 진공-전기도금법에 의한 팔라듐 합금 복합막 제조 및 고온 기체 투과 특성...118
• 1. 서론...118
• 2. 실험...121
• 3. 결과 및 고찰...132
• 4. 결론...179
• 제 4 절 폴리카보실란(PCS)를 소재로 이용한 탄화규소막 제조 및 고온 기체 투과 특성...181
• 1. 서론...181
• 2. 실험...185
• 3. 결과 및 고찰...186
• 4. 결론...199
• 제 5 절 졸-겔법에 의한 실리카막의 제조 및 고온 기체 투과 특성...200
• 1. 서론...200
• 2. 실험...215
• 3. 결과 및 고찰...218
• 4. 결론...235
• 제 4 장 연구개발 목표 달성도 및 대외 기여도...237
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...241
• 제 6 장 참고문헌...245