나노 구조화된 기능성 고분자 필름의 제작 : Part1. DMFC용 블록 공중합체 PEM제조 Part2. 광학용 고분자 콜로이드 결정 필름의 슬라이드 코팅 = Fabrication of Nano structured functional polymer film

국문 초록 (Abstract)

Part1. DMFC용 블록 공중합체 PEM제조
Direct Methanol Fuel Cell(DMFC)는 연료공급 체계가 단순하고 전체 장치가 간단하여 소형화가 가능하며, 저장이 용이하고, 낮은 온도에서 작동이 가능하다는 이점이 있다. 이러한 이유로 최근에 노트북이나 휴대전화 같은 소형 휴대 전자기기의 전원으로써 DMFC가 활발히 연구되고 있다. 일반적으로 쓰이는 고분자 전해질 막으로써 Dupont사의 Nafion은 높은 수소이온 전도도를 가지는 동시에 높은 메탄올 투과도와 비싼 가격 때문에 이를 대체하기 위한 고분자 전해질 막이 많이 연구되었다. 그 중에서도 나노 입자의 공간적인 분포를 조절할 수 있는 능력을 지닌 BCP(block copolymer)를 이용하여 DMFC(Direct methanol fuel cell)의 PEM(Proton exchange membrane)으로써의 응용가능성을 연구하였다. BCP PEM은 PS 블록을 포함하여 술폰화 정도에 따른 전도성 및 투과성 등을 조절하는 동시에 다른 블록에는 고무의 성질을 지닌 물질을 포함시켜 PEM으로써의 기계적 물성을 좋게 하였다. 본 연구에서 사용한 SBS(styrene-butadiene-styrene) triblock copolymer와 PS-b-PDMS diblock copolymer모두 PS 블록에 post-sulfonation을 하였고, IR과 NMR, DSC를 이용하여 술폰화(sulfonation)의 유무와 술폰화 정도(degree of sulfonation: DS)를 확인하였다. 또한 morphology분석을 위해 SAXS와 AFM을 이용하여 micro-phase seperation을 통한 BCP PEM의 특징을 관찰하였다. 각각의 수소이온 전도도와 메탄올 투과도 등을 측정하고, DMFC 성능 테스트를 수행하였다.

국문 초록 (Abstract)

Part 2. 광학용 고분자 콜로이드 결정 필름의 슬라이드 코팅
현재 잘 쌓인 콜로이드 결정의 3차원적인 구조는 다양한 광결정 소자 분야에서의 응용가능성 때문에 그 연구가 활발하다. 최근에 submicron크기의00~300nm polystyrene 입자를 이용하여 빠르고 대면적으로 콜로이드 결정 필름을 제작할 수 있는 슬라이드 코팅 방법을 고안하였다. 콜로이드 결정 필름의 좀 더 실용적인 응용을 향한 슬라이드 코팅 기술 확장을 위해 용매의 알코올 함량을 달리하고, flexible한 기판 위에 콜로이드 결정 필름이 코팅 되도록 기질의 성질을 변화시켰다. 알코올의 함량과 기질의 종류에 따라 코팅 된 콜로이드 결정 필름의 잘 쌓인 구조는 SEM과 반사 스펙트럼을 통해서 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

PartⅠ. Preparation of block copolymer PEM for DMFC
Applied possibility of block copolymer (BCP) which is able to control the spatial distribution of nanostructure has been studied in DMFC PEM field. BCP PEM is composed of diblock or triblock whose PS block adjusts proton conductivity and permeability with degree of sulfonation and the others containing rubbery character improve mechanical property of PEM. In this study, SBS (styrene-butadiene-styrene) triblock copolymer and PS-PDMS diblock copolymer was used as DMFC PEM and was post-sulfonated. Degree of sulfonation was charaterized by IR, 1H NMR and DSC analyses. Proton conductivity, MeOH permeability and so on were measured. Also, morphological characteristic of BCP PEM through micro-phase separation was confirmed by small-angle X-ray scattering and tapping-mode atomic force microscopy. BCP PEMs were fabricated into membrane electrode assembly (MEA), and DMFC tests in passive mode show showed similar performance compare to the MEA consisted of Nafion115.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

PartⅡ. Slide coating of polymer colloidal crystal for optical application
Recently we reported a slide coating method that rapidly fabricates large area colloidal crystal film of 3-dimensional structure using submicron-sized PS particles. Colloidal crystal structures have significant importance due to their potential application in various photonic crystal devices and were researched for increasing application possibility in this study. Alcohol-dispersed polymer particles were coated on flexible substrates which treated to change surface property. Coating of alcohol-dispersed polymer particles on flexible substrates were different with alcohol contents and analyzed the tendency. Structure of well-ordered colloidal crystal films were verified through SEM and reflectance spectra.

목차 (Table of Contents)

• PartⅠ. DMFC용 블록 공중합체 PEM제조 1
• 1. Introduction 1
• 1.1 Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) 1
• 1.2 Proton Exchange Membrane (PEM) 4
• 1.2.1. Perfluorinated polymer electrolytes (NafionTM) 4
• 1.2.2 Sulfonated hydrocarbon polymer 5
• 1.2.3 Sulfonated block copolymer 6
• 1.3 Polybutadiene-block-polystyrene (SBS) 8
• 1.4 Polystyrene-block-poly(dimethylsiloxane) (PS-b-PDMS) 8
• 1.5 Proton conductivity 9
• 1.6 Methanol crossover 10
• 1.7 Equivalent Weight (EW) and Ion Exchange Capacity (IEC) 12
• 2. Experimental 11
• 2.1 SBS PEM 11
• 2.1.1 Materials 11
• 2.1.2 Sulfonation of SBS 14
• 2.1.3. Membrane preparation 14
• 2.1.4 Characterization 15
• 2.1.5 Proton conductivity, MeOH permeability, water uptake and swelling ratio 16
• 2.1.6 Thermal stabilities, mechanical properties and oxidative stabilities 18
• 2.1.7 MEA fabrication and DMFC performance test 19
• 2.2 PS-b-PDMS PEM 20
• 2.2.1 Materials 20
• 2.2.2 Sulfonation of PS-b-PDMS 20
• 2.2.3 Membrane preparation 21
• 2.2.4 Structure, thermal and mechanical characterization 22
• 2.2.5 Proton conductivity and methanol permeability 23
• 2.2.6 MEA fabrication and DMFC performanece test 24
• 3. Results and Discussion 25
• 3.1 Results and discussion of sulfonated SBS 25
• 3.1.1 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) 25
• 3.1.2 Element analysis (EA) 26
• 3.1.3 Small Angle X-ray Scattering (SAXS) 27
• 3.1.4 Proton conductivity & water uptake 30
• 3.1.5 UTM & data table 34
• 3.1.6 Performance test of sSBS BCP PEM 37
• 3.2 Results and discussion of sulfonated PS-b-PDMS 40
• 3.2.1 Gel Permeation Chromatography (GPC) 40
• 3.2.2 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 41
• 3.2.3 DSC results 42
• 3.2.4 UTM results 44
• 3.2.5 Ion conductivity & selectivity 47
• 3.2.6 SEM & AFM analysis 48
• 3.2.7 Performance test of sPS-b-PDMS BCP PEM 51
• 4. Conclusion 52
• PartⅡ. 광학용 고분자 콜로이드 결정 필름의 슬라이드 코팅 54
• 1. Introduction 54
• 2. Experimental 58
• 2.1 Preparation of polymer suspension 58
• 2.2 Fabrication of slide coating apparatus 59
• 2.3 Slide coating of colloidal crystal films 60
• 2.4 Treatment of flexible substrate 60
• 2.5 Characterization of colloidal crystal films 61
• 3. Results and Discussion 62
• 3.1 Opal films with various solvent contents 62
• 3.2 Slide coating of colloidal particle on flexible substrate 75
• 4. Conclusion 83