| 연구개발개요 |
□ 전기투석(ED) 해수담수화, 막축전식 탈염(MCDI), 역전기투석발전(RED)과 같은 청정에너지 분야는 성능 및 산업생산을 결정하는 핵심소재 인 이온교환막의 낮은 내구성(열적, 기계적) 과 효율(선택성, 이온전도도), 높은 가격으로 인하여 산업화가 저해되고 있으며, 차세대 이온교환막 개발을 요구□ 전기뱀장어의 전기생산세포를 모사한 이온정류막은 기존 이온교환막의 성능을 1,500 배 이상 개선이 가능한 차세대 멤브레인 기술로 관심이 집중되고 있으며, 본사에서는 세계 최초로 고효율과 저가의 이온정류막 개발에 성공하였고, 그 구조와 제조공정에 대한 원천 특허기술 2개를 보유함□ 이온정류막은 이동거리가 가장 짧은 원뿔형태의 다공으로 이루어져 세계 최고 수준 대비 동일한 선택성을 유지하면서도 400% 향상 된 높은 이온전도도, 막오염의 최소화, 이온정류특성을 보이며, 기존 고가의 이온교환막 대비 1/100 이하의 낮은 생산 원가를 가져 역삼투 방식과 비교해 낮은 에너지(Low Energy), 대용량(Large Scale), 낮은 파울링(Low Fouling)의 “3L” 해수담수화에 적합한 기술임□ 본 과제에서는 해수담수화에 최적화 된 고성능, 고내구성 이온정류막을 개발하기 위해 사파이어 재질의 이온정류막 제조공정 기술을 개발하고, 이온정류막을 이용하여 반대극 전원에서도 연속적으로 해수담수가 가능한 “3L” 고성능의 담수화 원천 기술을 개발함□ 개발 된 이온정류막은 이온교환막 대비 4배 (이론적으로는 1,500 배이므로 효율 개선이 가능함) 의 이온전도도를 보이므로 이를 활용하면 월등이 낮은 에너지로 해수담수화가 가능하여 기존 해수담수화 시장의 혁신이 될 기술로 기대함□ 이온정류막을 이용한 electrodialysis reversal (EDR) 은 이온정류막의 정류특성으로 인하여 역전극에서도 desalination water 방향으로 제거 된 이온이 이동하지 않기 때문에 scale 제거와 동시에 desalination water를 생산이 가능하여 Astom 사의 EDR보다 효율적인 담수화가 가능함□ 본 과제로부터 전량 수입에 의존하는 이온교환막을 국산화하고 미래 해수담수화 시장을 선점할 기틀을 마련하며, 나아가 세계 물 부족 문제를 해결할 대안을 제시함
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| 최종목표 |
□ 본사의 “고효율/저가의 이온정류막”에 대한 원천기술을 바탕으로 전기투석 담수화 맞춤형의 이온정류막을 개발함으로써 획기적으로 에너지 효율 개선 및 원가 절감한 전기투석 방식 담수화 기술을 실현하여 미래 해수담수 시장을 선점할 기틀을 마련함 1) 전기투석 해수담수 기술 산업화 및 상품성 개선을 위해 향상된 내구성(열적, 화학적, 기계적 특성)을 가지는 사파이어 재질의 저가, 대면적의 비대칭 멤브레인 개발2) 시뮬레이션을 통해 최적의 해수담수화 용 이온교환막을 설계하고 막특성 제어기술을 통해 고효율의 전기투석에 최적화된 이온정류막 개발3) 이온정류특성을 활용한 역전극에서도 scale 제거와 동시에 연속적으로 담수화가 가능한 전기투석 원천기술 개발4) 소규모, 이동형, 안티파울링 전기투석 담수화 플랜트 개발 및 실증 □ 해당 목표의 달성을 위한 정량적인 목표는 다음에 기술된 바와 같음1) 500 × 500 mm^2 면적의 파단강도 1 MPa 이상의 고내구성 양/음이온정류막2) 10 Ω.cm2 전기전도도, 94 % 이온선택성, 100 이상 정류비의 두께 10um 이하의 고성능 양/음이온교환막3) 극한 화학적 환경(6mol/L 황산, 7mol/L 인산, 5mol/L 수산화나트륨)에서도 분해되지 않는 높은 화학적 안정성의 이온정류막 소재4) 전기 투석 시스템 1건, 이온정류막 관련 특허기술을 2건 씩 총 3건 출원5) 연간 매출과 생산량 (과제 종료시점): 20,000 sheet, 20,000 sheet * $100 = $2,000,0006) 0.5 KWh/m^3의 “먹는물수질기준“에 적합한 전기투석담수화 이동형 플랜트 개발
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| 연구내용 및 범위 |
□ 전기투석(ED), 막축전식 탈염(MCDI), 역전기투석발전(RED)과 같은 해양청정에너지 분야는 성능 및 산업생산을 결정하는 핵심소재 인 이온교환막의 낮은 내구성과 효율, 높은 가격으로 인하여 산업화가 저해되고 있으며, 차세대 이온교환막 개발을 요구□ 전기뱀장어의 전기생산세포를 모사한 이온정류막은 기존 이온교환막의 성능을 1,500 배 이상 개선이 가능한 차세대 멤브레인 기술로 관심이 집중되고 있으며, 본사에서는 세계 최초로 고효율과 저가의 이온정류막 개발에 성공, 그 구조와 제조공정에 대한 원천 특허기술 2개를 보유함□ 이온정류막은 이동거리가 가장 짧은 원뿔형태의 다공으로 이루어져 세계 최고 수준 대비 동일한 선택성을 유지하면서도 400% 향상 된 높은 이온전도도, 막오염의 최소화, 이온정류특성을 보이며, 기존 고가의 이온교환막 대비 1/100 이하의 낮은 생산 원가를 가져 역삼투 방식과 비교해 낮은 에너지(Low Energy), 대용량(Large Scale), 낮은 파울링(Low Fouling)의 “3L” 해수담수화에 적합한 기술임□ 본 과제에서는 해양청정에너지원에 최적화 된 고성능, 고내구성 이온정류막을 개발하기 위해 사파이어 재질의 이온정류막 제조공정 기술을 개발하고, 이온정류막을 이용하여 반대극 전원에서도 연속적으로 해수담수가 가능한 “3L” 고성능의 담수화 원천 기술을 개발함1) Poisson-Nernst？Planck 모델을 보안한 이온정류막 시뮬레이션2) 이온정류막의 특성 (막저항, 선택성, 정류특성) 제어 기술 확립3) 산업화 면적의 전기투석 최적화 된 이온정류막 제조 원천 기술개발4) 고내구성 사파이어 이온정류막 제조 기술 확보5) 해수담수화를 위한 이동형 전기투석 기술 개발 및 실증 □ 주요기능1) 높은 양/음이온선택성과 이온전도도2) Scale 제거와 동시에 연속적인 담수화3) 이온정류특성4) 해수담수화 설비의 소형화□ 핵심기술1) 이온정류막 simulation 기술 (세계 최초)2) 이온정류막 구조 및 막특성 제어기술 (세계 최초)3) 이온정류비, 이온교환능, 기계적, 화학적, 열적 내구성 (모두 세계 Top 1)4) 사파이어 재질의 초내구성 이온교환막 기술 (세계 최초)5) 전기뱀장어 모사형 안티파울링 EDR 시스템 (세계 최초)□ 적용범위1) 해수담수화(EDR, MCDI), 역전기투석발전, 고분자 전해질 연료전지, 레독스플로우 전지의 이온교환막 대용으로 대체가능2) 이밖에 현재 이온교환막 적용 된 산업 전반적으로 적용 가능
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