서강대학교 “고분자 이온 소재 연구실” (김형준 교수)

연구실 개요

고분자 이온 소재 연구실(Polymer Ionic Materials Laboratory)에서는 고분자 이온(Charged macromolecule)의 물리·화학적 특성을 연구하고, 이를 이용한 차세대 연성 소재의 개발 연구가 진행 중이다. 고분자 이온의 경우 한쪽 이온이 고분자 사슬에 고정되어 있으므로, 한쪽 이온의 움직임을 크게 제한함으로써 반대 전하를 띠는 짝이온의 선택적 이동이 가능하다. 이를 이용하면 p형과 n형 반도체를 모사할 수 있으며, 용융점이 상온보다 낮은 이온성 고분자 액체(Polymerized ionic liquids, PILs) 특유의 유연함을 더하여 기존 무기물 기반 소재를 대체하는 이온트로닉스(ionotronics) 소자를 구현하는 연구를 진행하고 있다. 또한, 고분자 이온을 이용한 C1 가스를 선택적으로 흡착할 수 있는 기체 분리막과 C1 가스의 전기화학적 분해를 위한 촉매 연구도 함께 진행하고 있다. 고분자 이온은 다양한 종류의 양이온과 음이온 쌍을 선택할 수 있으며, 열적 안정도가 뛰어나 원하는 C1 가스에 대한 선택성을 높일 수 있다. 여기에 고분자의 우수한 기계적 물성을 더하여 고분자 이온 기체 분리막 제작에 관하여 연구하고 있다. 특히 고분자 이온의 낮은 증기압은 쉬운 촉매 분리 및 재사용이 가능하기에, 이를 이용한 우수한 친환경 촉매 개발을 위해 연구 중이다.

주요 연구내용 소개

1. 이온과 전자를 모두 이용하는 차세대 이온트로닉스 소자 개발

1) 전압에 따른 고분자 이온의 물리·화학적 특성 연구
양이온과 음이온 모두 자유롭게 이동 가능한 기존 이온성 물질들과는 달리, 고분자 이온은 양이온 또는 음이온 한쪽 이온을 고분자 사슬에 고정함으로써 이온의 이동성을 제한한다. 이러한 이동성의 차이를 기반으로 하여, 다양한 실험 장비를 통해 외부의 전기적 자극에 따른 고분자 이온의 물리·화학적 성질 변화를 연구하고 있다 (그림1).

2) 고분자 이온의 응용 소자 연구
고분자 이온의 물리·화학적 특성에 대한 이해를 바탕으로 pn 접합의 모사를 통해 이온으로 작동하는 다이오드나 트랜지스터와 같은 이온트로닉스의 기본 소자부터, 순방향 전압과 역방향 전압에 따라 탈부착이 이루어지는 전기 접착 (Electro-adhesion) 디바이스까지 다양한 이온트로닉스 소자 개발에 연구하고 있다 (그림2).

2. 이온성 고분자를 이용한 C1 기체 분리막 및 촉매 개발 연구

1) 이온성 액체를 이용한 기체 분리막 제작
이온성 액체의 대표적인 양이온인 이미다졸(Imidazole)의 우수한 이산화탄소 흡착 능력을 이용해, 이미다졸을 포함하는 이온성 액체 기반 기체 분리막 제작에 관해 연구하고 있다. 또한, 서로 다른 전하를 띠는 두 고분자 전해질을 섞었을 때, 짝이온의 방출에 따른 전체 시스템의 엔트로피 이득에 의해 두 고분자 전해질끼리 정전기적 인력에 의해 한 상(phase)을 이루는 코아세르베이션(Complex Coacervation)현상을 이용하여, 보다 기계적 물성이 우수한 고분자 이온 기반의 기체 분리막 제작에 관해 연구 중이다 (그림3).

2) 이온성 액체를 이용한 전기화학적 C1 가스전환 촉매 연구
이온성 고분자의 뛰어난 열적 안정성 및 낮은 증기압은 높은 온도와 압력에서 쉽게 산화되는 금속 촉매와 달리, 가스 전환 반응 후 촉매를 다시 회수하는 데 용이하다. 또한, 여러 종류의 이온 쌍의 형성이 가능하므로 음이온의 친핵성을 조절하는 등 촉매 성능을 향상시키는 연구를 진행하고 있다. 이러한 이온성 액체의 촉매로서의 성능은 플라스틱의 해중합 반응(Depolymerization)에서도 사용되며, 이온성 고분자 기반의 다양한 촉매 개발에 관하여 연구하고 있다 (그림4).

연구실 현황

고분자 이온 소재 연구실은 김형준 교수님을 비롯하여 박사과정 학생 1명, 석사과정 학생 5명으로 총 7명의 실원으로 구성되어 있다. 본 연구실은 현재 삼성전자에서 주관하는 반도체 연구 지원 프로그램 2기 및 한국연구재단에서 주관하는 우수신진연구 과제 최초혁신 실험실로 선정되었다. 또한, C1 가스 리파이너리 사업단의 참여 연구실로, 김형준 교수님의 지도하에 이온성 고분자에 대한 기초연구부터 시작해 이를 응용한 차세대 연성 디바이스로까지 다양한 분야에서 활발하게 연구를 진행하고 있다.