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박치훈,김득주,남상용,Park, Chi Hoon,Kim, Deuk Ju,Nam, Sang Yong 한국막학회 2014 멤브레인 Vol.24 No.5
분자 동력학(Molecular dynamics; MD) 전산모사 기술은 대상이 되는 입자(일반적으로, 원자)의 위치와 속도를 계산하여, 원자 및 분자들의 다양한 구조 및 동적 특성을 분석하는 데에 있어서 매우 유용한 기술이다. 기체 분리막 연구에 있어서도 MD는 그동안 free volume 분석, conformation search 등과 같은 고분자 구조 분석 및 permeability, diffusivity와 같은 기체 투과 거동을 연구하는 데 널리 사용되어 왔다. 본 총설에서는 기체 분리막 분야에 MD를 적용하는 일반적인 방법론에 대하여 서술하고, 다양한 관련 연구들을 소개하고자 한다. Molecular dynamics (MD) computer simulation is a very useful tool to calculate the trajectory and velocity of particles (generally, atoms), and thus to analyze the various structures and kinetic properties of atoms and molecules. For gas separation membranes, MD has been widely used for structure analysis of polymers such as free volume analysis and conformation search, and for the study of gas transport behavior such as permeability and diffusivity. In this paper, general methodology how to apply MD on gas separation membranes will be described and various related researches will be introduced.
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분자동역학을 이용한 온도 및 가습 조건 변화에 따른 연료전지용 술폰화 폴리이미드 막의 수화 채널 변화 연구
박치훈 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-
수전해 시스템 및 연료전지 시스템 등에서 사용되는 고분자 전해질 막(PEM)의 가장 중요한 성능 지표는 수소이온전도성인데, 수소이온은 PEM 내부에서 물로 구성된 이온 전도성 수화채널을 통하여 전달되기 때문에, 수화채널 형태는 이온 전도성에 크게 영향을 주게 된다. 비과불화탄소계인 탄화수소계 전해질막의 경우, 과불화탄소계 전해질막인 나피온에 비하여 이러한 수화채널이 약하게 형성되는 것으로 알려져 있으며 따라서 상대적으로 낮은 이온전달 성능을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 술폰화 폴리이미드(SPI)를 선택하여 다양한 온도 및 습도 조건에서 분자동역학 시뮬레이션을 수행하였다. 이때 PEM 운전시 발생하는 낮은 습도 조건을 고려하기 위하여 단계적으로 3D SPI 모델에서 물 분자를 제거하는 방법을 적용하였다. 결론적으로, SPI 모델의 수로 형태는 뚜렸한 온도 의존성은 없었지만 습도의 영향은 크게 받는 것으로 나타났다. 3D SPI 모델에서 물 분자의 수가 감소함에 따라, 수로는 크게 좁아지고 분리되어 분포하고 있는 것을 알 수 있으며, 이러한 수로 형태의 변화와 이온전도성이 유사한 경향을 나타내는 것을 보여주었다.
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박치훈,김호상,이영무 한국막학회 2014 멤브레인 Vol.24 No.4
연구에서는 제조된 유무기 나노복합막의 치수안정성, 수소이온 전도능력 및 전기화학성능을 향상시키기 위하여 실리카 나노입자를 선정하였다. 이를 위하여, 소수성 실리카(Aerosil® 812, Degussa)와 친수성 실리카(Aerosil® 380, Degussa)를 각각 술폰화 폴리아릴렌 에테르 술폰(SPAES) 고분자 매트릭스에 도입하였다. 이들 실리카 입자들은 비이온성 분산제인(Pluronics® L64)을 사용함으로써 SPAES 매트릭스에 고르게 분산시킬 수 있었다. 실리카 함량은 최종 제조된 고분자의 미세 구조 및 특성에 중요한 영향을 미치게 된다. 따라서, 본 연구에서는 과량의 실리카가 도입된 나노 복합막의 특성을연구하기 위하여, 실리카의 함량을 5 wt%까지 증가시켰다. 이를 통하여 소수성 실리카가 포함된 나노복합막이 실리카가 도입되지 않은 SPAES막에 비하여, 더 낮은 수소이온 전도도에도 불구하고, 29% 더 높은 전기화학 성능을 나타내는 것을 관찰하였으며, 이는 같은 소수성을 가지고 있는 촉매층과의 접합성 향상에 따른 것으로 나타났다. 이외의 나머지 복합막들 또한실리카가 도입되지 않은 SPAES막에 비하여 높은 성능을 나타냈다. In this study, the silica nanoparticles were considerably chosen to improve a dimensional stability, proton transport and electrochemical performance of the resulting inorganic-organic nanocomposite membranes. For this purpose, hydrophobic silica (Aerosil® 812, Degussa) and hydrophilic silica (Aerosil® 380, Degussa) nanoparticles were, respectively, introduced into a Sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) polymer matrix. The SiO2 particles are evenly dispersed in a SPAES matrix by the aid of a non-ionic surfactant (Pluronics® L64). A SiO2 content plays an important role in membrane microstructures and membrane properties such as proton conductivity and water uptake. Therefore, to study nanocomposite membranes with excessive amount of silica, the content of silica nanoparticles were increased up to 5 wt%. Interestingly, a hydrophobic SiO2 containing nanocomposite membrane showed better electrochemical performance (29% higher than pristine SPAES) despite of low proton conductivity due to its adhesive properties with a catalyst layer in a single cell test. All the silica-SPAES membranes exhibited better performance than a pristine SPAES membrane.
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에너지-환경 분야용 분리막의 Mesoscale Simulation 동향 연구
박치훈,남상용 한국막학회 2017 멤브레인 Vol.27 No.2
Mesoscale simulation은 원자의 그룹을 묶어서 하나의 단위로서 계산을 수행하는 전산모사 기술로 ns~μs의 시간 및 nm~μm의 크기까지 모사가 가능하다. 이러한, mesoscale simulation에는 (1) 입자 자체의 움직임을 계산하여 시스템을 모 사하는 particle-based mesoscale, (2) 입자의 움직임이 아닌 chemical potential filed나 density field 등의 변화를 계산하여 시 스템을 모사하는 field theory 등의 방법 등이 있는데, 두 방법 모두 고분자의 거시적 특성을 살펴보기 위한 강력한 전산모사 기술로서, 에너지-환경 분야용 고분자 분리막의 다양한 응용분야에서 활용되고 있다. 기존에는 주로 블록 공중합체 분야에서 연구결과들이 보고되었으나, 최근 들어 실제 고분자 분리막의 제조 조건 등을 모사한 연구 결과와 같이 좀 더 응용 분야에 가까운 다양한 에너지-환경용 고분자 분리막 관련 연구가 진행되고 있다. 이온 교환막의 경우에는 이온 전달 채널 형성을 분 석 및 예측하기 위한 다양한 mesoscale simulation 결과들이 발표되고 있고, 최근에는 CNT, graphene 등의 나노 첨가물 소재 에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 mesoscale simulation 관련 연구에 대한 동향을 정리하고, 어떤 분야에 서 유용하게 활용 가능한지 제시하며, 에너지-환경 분야에 종사하는 분리막 연구자들이 mesoscale simulation 기술에 좀 더 쉽게 다가갈 수 있는 기회를 제공하고자 한다. Mesoscale simulation is a type of molecular simulation techniques where groups of atoms are defined as a single bead for calculations, and accordingly, is possible to simulate longer time (ns~μs) and bigger size (nm~μm). There are two types of mesoscale simulations : (1) particle-based mesoscale which simulates the system by calculating the movement of the particles themselves and (2) field theory which simulates the system by calculating changes in the chemical potential filed or density field. Mesoscale simulations are powerful tools to study the macroscopic properties of polymers for various applications of energy and environment. In this review, we report the trends and useful information in mesoscale simulation and provide an opportunity for membrane researchers working in the energy-environment field to understand mesoscale simulation techniques.
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