Enhancement of Thermal and Mechanical Properties of Sulfur-Divinylbenzene (DVB) Copolymers by Post-Thermal Treatment

한나라 인하대학교 대학원 2024 국내석사

최근 황 고분자는 수은 흡수, 적외선 광학, 배터리, 마찰전기 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 그러나 대부분의 황 고분자는 낮은 열역학적 특징으로 인해 실제 응용에 어려움을 겪고 있다. 안정한 황 고분자를 합성하고 황 고분자의 물성을 향상시키는 방법에 대한 연구가 요구된다. 본 연구에서는 70 wt%의 원소 황과 30 wt% 다이비닐벤젠을 사용하여 역가황 방법을 통해 안정한 황 고분자 (poly(sulfur70-DVB30) [poly(S70-DVB30)])를 합성하였다. 합성한 황 고분자에 간단한 열처리 공정을 추가하였고 추가된 열처리 공정이 황 고분자의 열역학적 특성에 미치는 영향을 유리전이온도와 저장탄성률을 측정함으로써 파악하였다. 열처리 공정은 3 개의 온도 (110, 140, 170 ℃)에서 6 개의 시간별로 (1, 2, 6, 12, 24, 48 시간)수행되었다. 열적 물성은 열중량분석법 (TGA), 시차주사열량법 (DSC)을 통해 분석하였고 기계적 물성은 동적기계분석법 (DMA)을 통해 분석하였다. 푸리에 변환 적외선 분광법 (FT- IR)을 통해 열처리 중 발생하는 구조의 변화를 파악하였다. 황 고분자에 열처리를 진행하는 동안 가소제 역할을 하는 황 올리고머와 열분해된 다이비닐벤젠 등 분자량이 작은 물질의 승화로 인해 황 고분자의 열기계적 물성은 증가하였다. 그러나 높은 온도로 긴 시간 동안 과도한 열처리 시 S-S 결합의 분해로 인해 열기계적 물성의 저하가 관찰되었다. 결과적으로 최적의 열처리 조건은 110 ℃에서 24 시간으로 이 때 저장탄성률은 열처리 전 황 고분자의 저장탄성률 보다 약 33% 증가하였다. 간단한 열처리 공정을 추가함으로써 황 고분자의 열적, 기계적 물성을 향상시켰고 열처리 중 발생하는 구조 변화와 물성의 관계에 대해 연구함으로써 황 고분자 분야의 응용에 있어 통찰을 제공한다. Recently, sulfur copolymers have found applications across various fields such as mercury absorption, infrared (IR) optics, batteries, and triboelectric energy harvesting. However, because of their insufficient thermal and mechanical properties, these polymers frequently lack practical usability. In this study, a systematic investigation was conducted on the thermomechanical properties of sulfur copolymers generated via inverse vulcanization, comprising 70 wt% of elemental sulfur and 30 wt% of divinylbenzene (DVB). Specifically, this study analyzed the impact of thermal treatment on the glass transition temperature (Tg) and storage modulus of the sulfur copolymer. Sulfur copolymers were thermal treatments at three distinct temperatures (110 °C, 140 °C, and 170 °C) over varying durations (1, 2, 6, 12, 24, and 48 h). After post-thermal treatment process, an enhancement in the mechanical and thermal properties of poly(sulfur70-DVB30) [poly(S70-DVB30)] was observed. This improvement can be attributed to the thermal degradation of smaller molecules including thermally degraded DVB and sulfur oligomers, which function as plasticizers. Nevertheless, it is crucial to note that excessive thermal treatment can lead to a decline in thermomechanical properties due to thermal degradation. As a noteworthy outcome of this study, the storage modulus of poly(S70-DVB30) increased with thermal treatment time when thermally treated at 110 °C. Before thermal treatment, the storage modulus was initially at 3 GPa, and the storage modulus was found to increase to 4 GPa after thermal treatment at 110 °C for 24h. This research on the effectiveness of thermal treatment contributes to a comprehensive understanding of the thermomechanical properties of the sulfur copolymer, providing valuable insights for applications in the field of sulfur materials.

Development of Multi-Network-Based Polymer Electrolytes for Solid-state Energy Storage Devices

제지향 인하대학교 대학원 2024 국내석사

휴대용 및 웨어러블 전자기기의 급속한 발전으로 신축성, 구부릴 수 있고 접을 수 있는 에너지 저장 장치의 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 유연한 슈퍼커패시터는 높은 전력 밀도, 빠른 충·방전 속도, 긴 사이클 수명 및 제조의 용이성과 같은 많은 장점으로 인해 가장 유망한 에너지 저장 솔루션 중 하나로 두각을 나타내고 있다. 그러나 유기 용매계 액체 전해질을 사용하는 종래의 슈퍼커패시터는 다양한 환경에서 사용되는 유망한 웨어러블 전자기기에는 적합하지 않다. 이는 잠재적인 위험(전해질 누설, 독성 및 화재 폭발의 위험을 포함) 및 비변형 구조적 특성(유연성 및 변형 가능한 장치에서의 적용 제한) 때문이다. 따라서 웨어러블 및 유연한 전자기기에 대해 향상된 안전성, 신뢰성 및 내구성을 제공하는 대체 고체 전해질에 대한 요구가 증가하고 있다. 하이드로겔 전해질은 우수한 유연성, 높은 신축성 및 이온 전도성이라는 장점으로 인해 수십년 동안 집중적으로 연구되어 왔다. 그러나 낮은 기계적 강도(<103 Pa)와 물의 결정화로 인한 저온에서의 낮은 이온 전도도(<1 mS/cm)로 인해 문제를 개선하기 위해 주목되고 있다. 이 연구에서는 열 자유 라디칼 중합을 통해 화학적/물리적/이온적 결합을 가지는 삼중 네트워크 하이드로겔 전해질(TNPE)을 중합했다. 이로 인해 기계적 물성 및 접착 강도를 향상시킬 수 있었다. 또한 리튬염(LiCl)과 물의 결합에너지를 이용하여 저온에서도 얼지 않는 특성을 부여하고 고전압(2.5V)에서 작동 가능한 슈퍼커패시터를 제작하였다. 따라서 이 TNPE75 기반의 슈퍼커패시터는 0.1 A/g 에서 높은 비용량(Cs = 130 F/g)을 가지며, 2 A/g 에서 10,000 사이클 후에는 90%의 용량 유지율을 보인다. 또한 구부리고, 접히며, 온도 및 고전압 등의 극한 구동 환경 하에서도 TNPE 기반 슈퍼커패시터는 안정적인 에너지 효율을 보여주었다. ACKNOWLEDGMENTS 고분자 에너지 소재 연구실에서의 지난 2 년이란 시간 동안 가치 있고 유익한 시간을 함께 보냈던 많은 분들께 감사의 인사를 전하고자 합니다. 학부 시절 고분자 에너지 소재 관련 강의를 수강하며 이 분야에 대한 흥미를 느껴왔습니다. 고분자 에너지 소재 연구실에 들어와서 이론적인 지식을 현실 세계에서 실제로 응용할 수 있는 소중한 경험을 쌓을 기회를 가졌습니다. 연구를 통해 끊임없는 고민과 결과에 대한 만족, 때로는 시행착오를 겪으며 연구를 체계적으로 수행하는 방법을 배우고 동료들과의 소통 및 협업 능력을 향상시킬 수 있었습니다. 이러한 과정에서 지도교수님인 최우혁 교수님께 진심으로 감사의 인사를 전합니다. 교수님은 매주 그룹 및 개인 미팅을 통해 제 연구를 함께 고민하고 올바른 방향을 제시해 주시며 진심 어린 조언을 아끼지 않으셨습니다. 교수님의 지도 아래에서 2 년 동안 연구실에서 풍부한 경험과 심도 있는 지식을 습득할 수 있었으며, 교수님의 연구 열정과 지도는 특히 감명깊었습니다. 졸업 이후에도 교수님의 긍정적인 에너지와 웃음소리는 잊지 못할 것입니다. 이 모든 것들은 제 연구의 질을 향상시키고 자신감을 갖고 새로운 도전에 나서게 만들어 주었습니다. 다시 한 번 감사의 말씀을 드리고 싶습니다. 학사와 석사 과정 동안 명강의를 해 주신 이광희 교수님, 최형진 교수님, 김철희 교수님, 권용구 교수님, 이진균 교수님, 진형준 교수님, 김상원 교수님, 위정재 교수님, 그리고 김희중 교수님께도 감사의 말씀을 전합니다. 고분자 공학을 전공하고 이 분야에서 배운 지식을 나중에 사회에 나가서 활용하고 발전시킬 것입니다. 지난 2 년 동안 고분자 에너지 소재 연구실에서 같이 유익한 연구실 생활을 보낸 선후배들에게도 감사의 말을 전하고 싶습니다. 누구 보다 따뜻하게 저를 대해준 멋진 언니 Puji, 매일 수다 같이 떨어주던 에버지 태영 오빠, 까다롭지만 자신이 아는 것은 다 가르쳐주는 기무 선호 오빠, 착하고 자상하고 신비로운 상엽 오빠, T 인데 끝까지 F 라고 하는 내 하나뿐인 동기 예지 언니, 먹는 것에 진심인 149cm 선반 선민언니, 항상 옆에서 응원해주는 똘똘한 수성오빠, 옆에서 계속 까불지만 애는 착한 혁수오빠, 매운 것 잘 못 먹는 채복치 진아, 열심히 실험 도와준 부사수 아현이, 그리고 석사들 밑에서 열심히 보조해주는 학부연구생들 용하, 내훈, 기현, 하영에게도 감사합니다. 마지막으로 지금까지 응원해주고, 기다려준 사랑하는 우리 아빠, 엄마, 동생들에게 감사의 말씀을 전합니다. 항상 건강하고 행복합시다. 많은 분들의 지원과 애정 덕분에 제가 발전하고 자기 개발에 힘쓸 수 있었습니다. 이제 저는 석사 경험을 토대로 계속해서 발전하고 도전하며 앞으로 나아갈 것입니다. 감사합니다.

환경 중 미세플라스틱 분포 및 생물학적 분해 거동 특성 평가

박선영 인하대학교 대학원 2022 국내박사

전세계적으로 미세플라스틱 환경 오염의 심각성이 대두됨에 따라, 해양, 담수, 퇴적환경에서의 미세플라스틱의 오염 현장 실태 및 생태학적 위해성 평가에 관한 많은 연구가 활발히 수행되고 있다. 미세플라스틱은 5 mm 크기 이하의 합성 고분자화합물로, 소수성질 및 큰 비표면적으로 인해 환경 중에 잔존하는 중금속, 잔류성 유기오염물질 등을 표면에 흡착시켜 이들의 장거리 이동에 관여하며, 이는 내분비계 호르몬 교란, 성장 및 생식 저해, 먹이사슬을 통한 생물학적 농축 등 잠재적인 생태독성 영향을 내포하고 있으며, 인간의 건강까지 위협하고 있다. 또한, 강이나 바다로 유입된 미세플라스틱은 담수 및 해양 생태계를 크게 악화시키고, 해류 및 대기의 이동을 통해 인간의 활동이 크게 영향을 미치지 않는 원양 해역이나 극지방으로도 확산되고 있다. 국내에서도 한강, 낙동강, 인천 연안/경기만 및 남해안 등을 중심으로 미세플라스틱 오염 현황 조사 연구가 수행되었으며, 많은 양의 미세플라스틱이 검출된 바 있다. 한편, 최근 발간된 PlasticEurope (2020) 보고서에 따르면, 2019년 유럽의 플라스틱 연간 수요량은 약 5,070만 톤으로 추정되며, 그 중 폴리에틸렌 (PE)와 폴리프로필렌 (PP)는 전체 플라스틱 수요량의 각각 29.8%, 19.4%을 차지하는 것으로 보고되었다. 이는 환경 중에서 발생하는 미세플라스틱의 상당 부분이 PE 또는 PP로 구성되어 있음을 간접적으로 시사한다. 실제로 환경에서 검출되는 미세플라스틱의 주요 성분이 PP 또는 PP인 것으로 확인되었다. 미세플라스틱의 생성과정에는 물리학적 마모, 광화학적 산화 반응 및 생물학적 분해 반응 등이 관여한다. 특히, 장기간의 플라스틱 생물학적 분해과정은 생물이 가지고 있는 특이적인 산화효소나 가수분해효소에 의해 촉진되기도 하며, 중간산물은 탄소원 및 에너지원으로 활용되기도 한다. 그러나 -CH2-CH2-의 단량체로 구성된 PE의 경우, 다른 플라스틱 성분에 비해 가수분해 유도 작용기 (에스테르 (-COO-), 아마이드 (-C(=O)NH2), 탄산염, 우레탄 (HNCOO-) 등)가 없어 생물학적 분해가 어려운 것으로 알려져 있다. 또한, 실제 환경에서는 매우 이질적이며 다양한 종류의 균주가 혼합된 상태로 존재하며, 이들의 플라스틱 분해 및 풍화 작용은 훨씬 더 복잡하게 전개된다. 본 연구에서는 국내 하구 및 토양 환경을 대상으로 미세플라스틱 오염 분포 거동을 조사하고, 환경 중에 분포도가 높은 PE 미세플라스틱에 대하여 환경 중에서 분리한 세균 군집의 분해 가능성을 평가하고, 그 분해 기작을 규명하고자 하였다. 국내 하구 및 토양 환경 내 미세플라스틱 오염 분포 거동을 조사하기 위해, H강 하구 및 I 연안의 수층 시료와 경기도 남양주시 소재 N 농장의 토양시료를 채취하였으며, 수층 및 토양 시료로부터 추출한 미세플라스틱은 현미경이 장착된 적외선 분광기 (μ-FTIR)을 이용하여 분석하였다. 먼저, H강 하구 및 I 연안의 수층 부유 미세플라스틱 (330 μm~5 mm)의 오염 실태를 조사한 결과, 연평균 풍부도는 H강 하류 2.15 ± 0.54개/m3, G섬 인근 6.12 ± 0.96개/m3, I 연안 2.11 ± 0.60개/m3, 및 D섬 인근 1.71개/m3로 나타났다. 이때, 플라스틱 구성성분은, PE > PP > 폴리스타이렌 (PS) > 기타 (혼합 재질, 플라스틱 첨가제 포함) > 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)/폴리에스테르 (Polyesters)의 순서로 높게 검출되었다. 한편, 토양 시료 내 미세플라스틱 분석 결과에서도 PE와 PP는 빈번하게 검출되는 플라스틱 성분으로 제시되었으며, PET, PS, 폴리염화비닐 (PVC) 성분의 미세플라스틱 개체가 소수로 발견되었다. 토양 시료 내 미세플라스틱 (20 μm ~ 5 mm) 농도는 약 205~310개/kg (건조토양중량 기준)으로 추정되었다. 각 환경에서의 미세플라스틱 풍부도와 구성성분을 검토한 결과, 각 환경으로의 플라스틱 유입 경로와 환경 풍화 인자가 미세플라스틱 분포에 상당한 영향을 미치고 있음을 제시하였다. 한편, 하구 및 토양 환경에서 높은 수준으로 검출된 PE 성분에 대해, 매립된 플라스틱 혼합 폐기물로부터 분리, 동정한 미세플라스틱 분해능이 우수한 세균 군집을 이용하여 생물학적 분해 거동 특성을 평가하였다. 분리된 세균 군집 중 Paenibacillus spp. 및 Bacillus spp.은 구형의 PE 미세플라스틱을 유일한 탄소원으로 포함한 영양배지에서 우점종으로 나타났으며, 분해 시험 60일 경과 후, 미세플라스틱의 건조 중량과 평균 입자 직경이 각각 14.7%, 22.8% 감소하였다. 또한, 미생물은 미세플라스틱 표면에 군집을 형성하면서 PE 미세플라스틱의 화학적 구조를 변화시키고, 생분해 처리된 PE 미세플라스틱으로부터 쉽게 용출이 가능한 유기물질의 종류 및 농도에 영향을 미친다. 가스크로마토그래피-질량분석기 (GC-MS)를 이용하여 해당 물질을 모니터링한 결과, 미생물의 공격에 의해, 분해 초기단계에서는 미세플라스틱 입자에서 용출되는 유기물질의 농도가 현저하게 감소하였고, 이후 시간의 경과에 따라 플라스틱으로부터 유기물질이 용출되어 그 농도가 다시 증가하는 경향이 나타났다. 열중량분석 (TGA) 결과, 생분해 처리된 PE 미세플라스틱 입자가 570℃ 이상의 온도에서 생물학적 처리를 하지 않은 플라스틱 입자에 비해 열적 안정성이 더 높은 것으로 나타났으며, 이는 미생물에 의해 미세플라스틱 사슬 구조의 변화가 일어나고 있음을 시사한다. 상기 세균 군집의 PE 미세플라스틱 분해 거동을 규명하기 위해, FTIR과 시차주사열량계 (DSC)를 이용하여 정량적 지표 (카보닐 결합 지수 (CBIs), 이중 결합 지수 (DBIs) 및 결정화도 (Crystallinity))를 비교, 평가하였다. 연구 결과, PE 미세플라스틱은 Norrish type Ⅱ 반응 및 에스테르 생성 반응에 의해 생분해가 진행되며, 사슬절단 (Chain scission)과 가교 (Crosslinking) 현상이 경쟁적으로 나타남을 확인하였다. 또한, PE 미세플라스틱으로부터 용출되는 유기화합물의 농도 변화와, 미생물 군집 구조 및 생화학적 특성의 변화는 CBIs, DBIs, 결정화도의 변화와 유기적인 관계를 갖는 것으로 나타났으며, 접종한 미생물량에 따라 플라스틱 분해 메커니즘이 다소 상이하게 진행될 수 있음을 확인하였다. 이상의 연구 결과는 환경시료로부터 미세플라스틱 추출 및 분석 방법의 정립 및 환경 풍화 미세플라스틱 데이터베이스 구축을 위한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 미세플라스틱의 실제 환경 분포 조사를 기반으로 미세플라스틱 주요 발생원의 규제 및 맞춤형 저감 기술 개발에 기여할 수 있을 것이다. 또한, 본 연구와 같이 미세플라스틱 또는 플라스틱이 장기간 축적된 환경에서 플라스틱 분해 핵심 균주를 분리, 동정하고, 이에 대한 대사공학적 접근을 통한 분해 처리 공정 최적화를 통해 효과적인 생분해 처리 공정 기술 개발에도 도움이 될 것으로 기대된다.

에너지 및 자가치유 소재를 위한 기능성 폴리이미드의 설계 및 응용 연구

장지수 인하대학교 대학원 2026 국내석사

폴리이미드(Polyimide, PI)는 다양한 산업 분야에서 사용되는 대표적인 엔지니어링 플라스틱으로, 우수한 물리적 및 화학적 특성과 열 안정성으로 인해 전자 소재, 항공 우주, 에너지 분야 등 폭넓게 응용되고 있다. 완전 방향족 폴리이미드는 고분자 사슬 간 및 사슬 내에서 전하 전달 복합체(Charge Transfer Complex, CTC) 효과가 강하게 작용하여, 분자 간 결합력이 크게 향상된다. 이러한 CTC 효과로 인해 폴리이미드는 우수한 열적 안정성, 기계적 강도 및 화학적 내구성을 나타낸다. 그러나 동시에 이 효과는 폴리이미드 필름의 갈변 현상을 유발하고, 고분자 사슬의 강직성을 증가시켜 유리전이온도가 200°C 이상으로 매우 높아지는 단점을 유발한다[2,3]. 본 연구에서는 앞서 언급한 한계점을 극복하기 위하여 높은 투명성과 우수한 기계적 특성을 동시에 유지하면서 반복적인 변형에도 손상 부위가 자가 치유되는 투명 폴리이미드 필름을 제안하였다. 이를 위해 폴리이미드의 Tg를 제어할 수 있도록 Priamine 1075 단량체를 도입하였다. 긴 알킬 체인을 가지고 있어 유리전이온도를 효과적으로 낮출 수 있으며, 알킬 체인 간 소수성 상호작용과 반데르발스 상호작용을 통하여 자가 치유의 속도를 보완하였다[1,6]. 또한 Cystamine 단량체를 구조 내에 도입하여 사슬 내에 가역적 공유 결합을 통한 빠르고 완전한 손상 복원 특성을 확보하였다[8,9]. 특히, 폴리이미드 필름의 투명성 문제를 해결하기 위해 아이소소르비드 기반 다이안하이드라이드 단량체인 ISSDA(Isosorbide-3,6-diyl-bis(trimellitic anhydride))를 직접 합성 후 구조 내에 도입하였다. ISSDA는 V-shape의 구조를 통해 효과적으로 CTC 효과를 억제할 수 있으며 큰 자유부피로 인해 자가 치유 효율 향상에 큰 영향을 미친다[3-5]. 하지만 강직한 퓨란 구조로 인해 그 유연성에 한계가 있기 때문에 이를 보완하기 위해 에터기를 가진 ODPA(4,4-Oxydiphthalic anhydride)를 구조 내에 도입하여 유연성을 확보하였다[2,6]. Polyimide (PI) is a representative engineering plastic widely utilized across various industrial fields, including electronic materials, aerospace, and energy applications, owing to its outstanding physical and chemical properties as well as excellent thermal stability. In fully aromatic polyimides, strong charge transfer complex (CTC) interactions occur both inter- and intramolecularly, significantly enhancing intermolecular bonding. As a result of this pronounced CTC effect, polyimides exhibit superior thermal stability, mechanical strength, and chemical durability. However, this same effect also induces undesirable coloration (yellowing or browning) of polyimide films and increases the rigidity of polymer chains, leading to an excessively high glass transition temperature (Tg), typically exceeding 200 °C. In this study, to overcome the aforementioned limitations, we propose a transparent polyimide film that simultaneously maintains high optical transparency and excellent mechanical properties while exhibiting self- healing capability upon repetitive deformation. To achieve effective control of the glass transition temperature, the Priamine 1075 monomer was incorporated into the polyimide backbone. Owing to its long alkyl chains, Priamine 1075 effectively reduces the Tg, while hydrophobic interactions and van der Waals interactions among the alkyl chains contribute to enhancing the self-healing rate of the material. In addition, cystamine was introduced into the polymer structure to impart rapid and efficient damage recovery through reversible covalent bonding within the polymer chains. Furthermore, to address the transparency issue of conventional polyimide films, an isosorbide-based dianhydride monomer, ISSDA (Isosorbide-3,6-diyl-bis(trimellitic anhydride)), was directly synthesized and incorporated into the polymer backbone. The V-shaped molecular structure of ISSDA effectively suppresses the CTC effect, while its large free volume plays a crucial role in enhancing self-healing efficiency. However, due to the inherent rigidity of the furan-based structure, its flexibility is limited. To compensate for this drawback, 4,4′-oxydiphthalic anhydride (ODPA), which contains ether linkages, was introduced to improve the overall chain flexibility of the polyimide system.

Understanding electrochemical properties and ion transport mechanism of gel polymer electrolytes for advanced secondary batteries

이예지 인하대학교 대학원 2024 국내석사

Gel polymer electrolytes have been the subject of extensive research due to their inherent advantages such as stability, high ionic conductivity, processability, and excellent flexibility. They are categorized into various types, including hydrogel polymer electrolytes, organic gel polymer electrolytes, and composite gel polymer electrolytes. Firstly, we developed a hydrogel polymer electrolyte for use in aqueous zinc-ion batteries. Aqueous zinc batteries face challenges related to dendrite formation and corrosion at the anode, primarily stemming from the strong interaction between zinc ions and water molecules. To address this, we designed an electrolyte through UV polymerization using acrylamide (AM) and zwitterionic ions (VIPS) as monomers, vinyl silica nanoparticles (VSN) as cross-linkers, and zinc sulfate (ZnSO4) and lithium chloride (LiCl) as the electrolyte. The resulting P(AM-co-VIPS)-VSN/ZnSO4/LiCl hydrogel polymer electrolyte exhibited high ionic conductivity and remarkable flexibility. The addition of zwitterionic ions and lithium chloride stabilized the solvation structure of zinc salts, leading to a reduction in melting points, hydrogen evolution potential (HER), and corrosion current. It demonstrated stable cell operation for over 400 hours, and a high zinc ion transference number (tZn 2+ = 0.7) was observed due to the effective ion transport channels facilitated by zwitterionic ions. Secondly, we prepared a gel polymer electrolyte for application in lithium energy storage devices. We used UV polymerization to create a gel polymer electrolyte with a polyethylene glycol (PEG)-based polymer matrix and vinyl mesoporous silica nanoparticles (VMSN) as cross-linkers. The addition of VMSN resulted in a superior modulus of 2×106 Pa, as determined through rheometer measurements. To further understanding of the ion transport mechanisms within the polymer, we conducted Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS) measurement. Analysis of ion conductivity as a function of temperature showed that, despite a significant increase in material properties with higher silica content, ion conductivity remained largely unaffected. The VTF temperature dependence exhibited stability over a wide temperature range with minimal decreases. Multifaceted analysis of the effect of silica content on ion relaxation indicated a reduction in the speed of ion relaxation as silica content increased, attributed to the chemical cross-linking role of silica, which hindered the movement of polymer chains and ions. 겔 고분자 전해질은 안정성, 높은 이온 전도도, 가공성, 그리고 우수한 유연성 같은 고유의 뛰어난 화학적, 물리적 특성으로 인해 오랜 기간 집중적으로 연구되고 있으며, 하이드로겔 고분자 전해질, 유기 겔 고분자 전해질, 복합 고분자 전해질 등으로 분류되고 있다. 먼저, 우리는 수계 아연전지에 적용하기 위한 하이드로겔 고분자 전해질을 제작하였다. 수계아연전지는 음극에서의 덴드라이트 형성 및 부식의 문제점을 가지고 있는데, 주된 원인은 아연 이온과 물 분자 사이의 지나치게 강한 상호작용 때문으로, 이를 해결하기 위한 전해질을 설계하였다. UV 중합을 통해 아크릴아마이드(AM)와 양쪽성이온(VIPS)를 단량체로 하고, 바이닐 실리카 나노입자(VSN)를 가교제로 하며 아연설페이트(ZnSO4) 및 리튬클로라이드(LiCl)를 전해액으로 하는 하이드로겔 고분자 전해질을 제작하였다. P(AM-co-VIPS)-VSN/ZnSO4/LiCl 하이드로겔 전해질은 높은 이온전도도 및 우수한 유연성을 보여주었다. 양쪽성 이온과 리튬클로라이드의 첨가로 아연 염의 용매화 구조를 안정적으로 바꿈으로써 녹는점 및 수소발생 전위와 부식 전류를 감소시켰으며, 400 시간 이상 셀이 안정적으로 작동하는 것을 확인하였다. 또한 양쪽성이온의 적절한 이온이동채널 형성으로 뛰어난 아연이온 전달효율(tZn 2+=0.7)을 보였다. 두번째로는, 리튬 에너지 저장장치에 적용하기 위한 겔 고분자 전해질을 제작하였다. UV 중합을 통해 PEG 기반 고분자 매트릭스를 가지고, 바이닐 메조포러스 실리카 나노입자 (VMSN)를 가교제로 하는 겔 고분자 전해질을 설계하였다. VMSN 의 첨가로 인해 레오미터를 통한 물성 측정에서 2×106 Pa 의 뛰어난 모듈러스를 보여주었다. 유전체 이완 분광기(DRS)를 통해 고분자 사슬 및 이온의 거동 분석을 진행한 결과 온도에 따른 이온전도도를 분석하였을 때 실리카의 증가에 따라 물성이 크게 증가하였음에도 불구하고 이온전도도는 크게 하락하지 않는 경향을 보였으며, 넓은 온도 범위에서도 급격한 하락없이 VTF 온도 의존성을 보이며 작은 감소폭을 나타내었다. 또한 실리카의 비율에 이온의 유전완화에 대한 분석을 다각도로 진행한 결과 실리카의 비율이 증가할수록 유전완화의 속도가 감소하는 경향을 보였는데, 이는 실리카가 화학적 가교제로 첨가되며 고분자 사슬 및 이온의 움직임을 둔화시켰기 때문으로 설명된다.

단일 바이오매스 기반 연질·경질 폴리올 합성 및 폴리우레탄 폼으로의 가공

진선민 인하대학교 대학원 2026 국내석사

Design of Dynamic Covalent Gel Polymer Electrolytes for Reprocessable Lithium Metal Batteries : Integrated Self-Healing Electrolyte-Binder Design via Diels-Alder Chemistry for Recyclable Lithium Metal Batteries

전용하 인하대학교 대학원 2026 국내석사

The development of energy storage devices has led to a proportional increase in the generation of end-of-life batteries. Consequently, the amount of discarded electrolytes and lithium salts is also rising, necessitating the establishment of effective recovery and reuse strategies. In particular, polymer electrolytes based on permanent covalent bonds face limitations in terms of reprocessability and recyclability. To overcome these challenges, this study introduces dynamic covalent polymer electrolyte systems, designed using Diels–Alder reactions. The Diels–Alder-based polymer electrolyte was designed by introducing crosslinking points through covalent bonding between furan and maleimide groups. The optimized polymer electrolyte (CAE62) exhibited a high ionic conductivity of 1.4 × 10−3 S/cm at room temperature and excellent mechanical robustness with a shear modulus of 1.1 × 105 Pa. Moreover, due to its thermally reversible characteristics, the CAE62 electrolyte demonstrated self-healing behavior via retro-Diels–Alder reactions at 80 °C, effectively restoring its structure after damage. In addition, the polymer matrix was simultaneously employed as a cathode binder to fabricate composite electrodes. By enabling interfacial self-healing between the composite electrode and the polymer electrolyte, the system achieved enhanced interfacial stability, and a higher specific capacity compared to conventional cathodes. 증가하는 에너지 저장 장치들의 사용량에 따라 폐배터리의 발생량도 비례하여 증가하고 있다. 이에 따라, 폐배터리 내 전해질 및 리튬 염의 폐기량 역시 늘어나고 있기 때문에 폐배터리 자원의 재사용 및 회수에 대한 개발이 필요하다. 특히, 영구 공유 결합 기반의 고분자 전해질은 재가공 및 재사용에 한계를 가지고 있기 때문에 본 연구에서는 Diels-Alder 반응을 이용한 동적 공유 결합 기반의 고분자 전해질 시스템을 준비했다. Diels-Alder 기반의 고분자 전해질은 Furan 과 Maleimide 의 공유 결합을 통해 가교점을 형성하여 설계했다. 최적화된 고분자 전해질(CAE62)은 상온에서 높은 이온 전도도(1.4 × 10-3 S/cm)와 우수한 기계적 견고성(1.1 × 105 Pa)을 보여주었고, 열적 가역 특성을 가진 CAE62 전해질은 80 °C 에서 역반응을 통해 손상된 전해질의 자가 치유 특성을 보였다. 또한, 고분자 매트릭스를 양극의 바인더로써 동시 사용하여 복합 전극을 제작했으며, 복합 전극과 고분자 전해질 계면 사이에서 자가 치유를 유도하여 향상된 계면 안정성과 기존 양극 대비 높은 단위 무게당 용량을 가졌다.

폐차 유래 가교 폴리우레탄과 폴리프로필렌의 재활용을 위한 상용화제 설계 및 반응성 블렌딩 연구

최도영 인하대학교 대학원 2026 국내석사

Understanding ionic conductive and mechanical property of hydrogel electrolytes for energy storage devices

박선민 인하대학교 대학원 2023 국내석사

하이드로겔 전해질은 우수한 유연성, 높은 신축성 및 높은 이온 전도성과 같은 뛰어난 고유의 물리적 특성으로 인해 수십년 동안 집중적으로 연구되어 왔다. 그러나 낮은 기계적 강도(<103 Pa)와 저온에서의 낮은 이온 전도도(<1 mS/cm)로 인해 많은 연구자들이 이러한 문제를 개선하기 위해 주목하고 있다. 먼저, 우리는 UV 라디칼 한단계 중합을 통해 수계 매질 상에서 두 개의 서로 다른 전하를 띠는 이온(Li+와 Cl-)을 갖는 염 포함 폴리 양쪽성 전해질 (SIPA)를 준비했다. 폴리 양쪽성 전해질은 (PA)고분자 사슬 내에서 서로 반대되는 전하 사이의 이온간 상화작용을 유도하여 기계적 물성을 향상시킬 수 있다. 더하여 우리는 PA 시스템에 염을 도입하여 저온에서도 얼지 않는 특성을 부여하고 고전압(2.0V)에서 작동 가능한 슈퍼커패시터를 제작하였다. 따라서 이 SIPA 기반의 슈퍼커패시터는 0.1 A/g에서 높은 비용량(Cs = 241 F/g)을 가지며, 1 A/g에서 20000 사이클 후에는 91%의 용량 유지율을 보인다. 또한 기계적으로 굽힘 및 압연 변형 하에서도 SIPA 기반 슈퍼커패시터는 5 A/g에서 100사이클 후 88%의 용량 유지율을 보여주었다. 두번째로는, 리튬 아크릴레이트(LiA), 비닐 실리카 나노입자(VSNP), 리튬 알긴산염(LiAlg)의 이중 가교를 유도하여 리튬 이온 전도성 겔 고분자 전해질을 제작하였다. P(LiA)-VSNP/LiAlg 기반 겔 고분자 전해질은 높은 신축성, 유연성 및 우수한 자체 복원 특성을 갖추고 있다. 또한 비닐 실리카 나노입자를 겔 고분자 전해질에 도입하여 상온에서 약 10-2 S/cm의 높은 이온 전도도를 달성하였다. 리튬 알긴산염의 첨가는 고분자의 리튬 알긴산염와 리튬 아크릴레이트 사슬 사이의 물리적 가교를 통해 기계적 물성을 향상시켜 105 Pa의 높은 저장 계수를 보여주었다. 더 나아가 P(LiA)-VSNP/LiAlg 기반 겔 고분자 전해질과 활성 탄소 전극을 기반으로 유연한 고체 상태 슈퍼캐패시터 (SSC)를 제작하여 다양한 전기화학적 성능을 평가하였다. Hydrogel electrolytes have been intensively studied for decades, due to their outstanding intrinsic physical properties, such as good flexibility, high stretchability, and high ionic conductivity. However, due to their low mechanical strength (< 103 Pa) and poor ionic conductivity (< 1 mS/cm) at low temperatures, many researchers have been focusing on improving these issues. First, we prepared salt-in-polyampholytes (SIPA) that have two different counterions (Li+ and Cl-) in an aqueous medium via one-step UV radical polymerization. Polyampholyte (PA) improves mechanical properties by inducing an ionic strength between opposite charges in polymer chains. Also, we introduced salt into our PA system, presumably giving non-freezable properties and an application at high-voltage (~2.0 V) for supercapacitors. Consequently, this SIPA-based supercapacitor delivers a high specific capacitance (Cs = 241 F/g) at 0.1 A/g, and the capacitance retention shows 91 % after 20000 cycles at 1 A/g. Besides, under mechanically bending and rolling deformations, this flexible supercapacitor exhibits the capacitance retention of 88% after 100 cycles at 5 A/g. Second, we prepared lithium-ion conducting GPEs via dual cross-linking of lithium acrylate (LiA), vinyl silica nanoparticle (VSNP), and lithium alginate (LiAlg). The P(LiA)-VSNP/LiAlg-based GPE has high stretchability, flexibility, and good self-recovery ability. The introduction of VSNP into GPE achieved high room temperature ionic conductivity of ~10-2 S/cm. Furthermore, the addition of LiAlg enhanced the GPE mechanical property due to physical cross-linking between LiAlg and LiA chains, thereby showing high storage modulus of G^' ~ 105 Pa. Consequently, we fabricated flexible solid-state supercapacitors (SSCs) based on the as-prepared GPE and activated carbon electrodes.

초소형 자성 로봇의 고속 집단기동을 위한 고분자 나노복합체 설계 및 액츄에이션

원수경 인하대학교 대학원 2023 국내박사

Miniaturized magnetic robots have recently garnered considerable attention in robotics since they can be wirelessly manipulated in diverse aquatic terrains with blocked or confined spaces. However, actuation speed of magnetic robots drastically decreases inside liquids due to high surface drag applied to the miniaturized bodies. Moreover, collective manipulation of multiple magnetic robots is challenging because undesired magnetic attractive force among robots can hinder individual movements of magnetic robots. Herein, I present agile collective maneuvers of multiple magnetic robots by investigating processing-structure-property-actuation correlation in (1) binary polymer nanocomposites of thermoplastic polyurethane-magnetite (TPU-Fe3O4) and (2) ternary polymer nanocomposites of carbon nanotube yarn-polydimethylsiloxane-iron (CNTY-PDMS-Fe). To enhance actuation speeds of magnetic robots, distribution and concentration of magnetic particles are regulated in the polymer nanocomposites, resulting in underwater swimming speed of 56 body lengths per second (BL s−1) and above-water swimming speed of 180 BL s−1. The agile swimmabilities of magnetic robots facilitate underwater locomotion in vascular-like environments as well as above-water transportation of thousands of micro-cargos. Depending on the distribution of magnetic particles, magnetic interactions among robots can be tailored and thereby multiple magnetic robots demonstrate independent or interactive collective maneuverability. These designs and actuations of magnetically responsive polymer nanocomposite can improve collective motility of stimuli-responsive miniaturized robots, providing versatile functions beyond those of a single robot. 초소형 자성 로봇은 차단되어 있거나 협소한 수중 지형에서 무선으로 조종할 수 있기 때문에 최근 로봇 공학에서 상당한 주목을 받아왔다. 그러나 액체 내에서 초소형 몸체에 가해지는 높은 표면 항력으로 인해 자성 로봇의 수영 속도는 급격히 저하된다. 또한 로봇 간 자기적 인력이 각 자성 로봇의 개별 움직임을 방해할 수 있으므로 여러 대의 로봇을 집단으로 제어하는 것은 어렵다. 이 연구에서는 (1) 열가소성 폴리우레탄-산화철(TPU-Fe3O4)의 이원 고분자 나노복합체와 (2) 탄소 나노튜브 원사-폴리디메틸실록산-철(CNTY-PDMS-Fe)의 삼원 고분자 나노복합체의 가공-구조-물성-액츄에이션 상관관계를 조사함으로써 다중 자성 로봇의 고속 집단기동을 구현했다. 자성 로봇의 액츄에이션 속도를 향상시키기 위해 고분자 나노복합체 내 자성 입자의 분포 및 농도가 조절된 결과, 각 자성 로봇은 최대 초 당 56 체적 길이의 수중 수영 속도와 초 당 180 체적 길이의 수상 수영 속도가 나타났다. 자성 로봇의 고속 수영능력은 혈관 모사 환경에서의 수중 이동과 수천 개에 달하는 초소형 화물의 수상 운송을 용이하게 했다. 자성 입자의 분포에 따라 자성 로봇 간 자기적 상호작용을 조절할 수 있으므로, 다중 자성 로봇들은 독립적 또는 상호작용이 가능한 집단 기동성이 구현되었다. 이러한 자성 감응 고분자 나노복합체의 설계 및 액츄에이션은 자극 감응형 초소형 로봇의 집단 운동성을 향상시켜 단일 로봇 보다 다양한 기능성을 제공할 수 있을 것이다.