이오노머

이오노머(ionomer)는 이온(ion) 전도성이 있는 고분자(polymer)를 말한다. 아이오노머라고도 읽는다. 수소차의 동력원, 수소연료전지는 백금촉매의 도움으로 수소와 산소의 반응을 통해 전기를 만든다. 이 과정에서 아이오노머는 수소이온을 촉매층 내부로 전달하는 한편 촉매층을 서로 붙여주는 접착제 역할을 수행한다.

일반적으로 이오노머는 에틸렌-메타크릴산 공중합체나 에틸렌- 아크릴산 공중합체 등의 고분자쇄에 나트륨(Na)이나 아연(Zn) 등의 금속이온을 도입한 이온성 고분자재료의 총칭이다. 이오노머는 이 이온 회합체의 형성에 의해 강한 유사 가교를 갖고, 베이스 고분자의 성질을 가지면서 특이한 역학적 성질(열 접합성, 투명성, 강인성, 내마노성, 내저온성 등)이나 성형성을 발현하는 것으로 알려져 있다.

이오노머는 이온 회합체의 존재로 특이한 성질을 발현한다. 그 때문에 이온 회합체의 구조나 이온 회합체가 부여하는 이오노머 물성에의 영향을 밝히는 것은 직접 이오노머의 특이한 물성을 해명하는 것이라 해도 과언이 아니다. 현재까지 에틸렌계 이오노머의 이온 회합체에 대하여 다양한 모델이 제창되어 왔다.

DuPont사가 최초로 이오노머를 공업화한 이후 여러 산업 분야의 용도에 널리 이용되어 오고 있다. 골프 공 커버, 반투막, 밀봉 테이프 및 열가소성 엘라스토머 등 상업적으로 응용되고 있다. 이오노머의 예로 폴리스타이린설폰산나트륨(Polystyrene sulfonate), 나피온(Nafion), 하이카(Hycar)가 있다.

개요

이오노머는 분자 사슬이 이온 결합으로 다리 걸친 중합체이다. 불포화 카르복시산과 에텐의 혼성 중합체 또는 메타크릴산과 부타디엔의 혼성 중합체로부터 얻은 이오노머가 상업적으로 중요하다. 곁사슬의 카르복시기는 염의 첨가로 중화한다. 비록 양이온이 하나하나 음이온과 연결되어 있지 않다고 해도 염기로부터의 양이온(예컨대 나트륨, 칼륨, 마그네슘이나 아연)은 카르복시기와 이온 결합을 형성한다. 대신에, 이온기의 섬 모양 클러스터가 형성된다(그림). 실내 온도에서 이오노머는 duroplastic과 같다.

온도가 증가할 때 분자 사슬이 더 이상 고정되지 않도록 그러나 서로 상대적으로 이동할 수 있도록 반대 이온을 재분배한다. 그러므로 높은 온도에서 이오노머는 열가소성 수지로 행동한다.

아이오노머는 다른 고분자나 금속박에 접착력이 좋으며, 유지성분에 오염되어도 접착력이 좋은 특징이 있다. 아이오노머에서 메틸아크릴산이나 메틸아크릴레이트염의 양은 약 4~15% 정도이며 메틸아크릴레이트염의 양이 적을수록 금곡접착력, 강성도, 투과도는 작아지는 반면 접착강도는 커진다. 열접착성이 매우 우수하여 무균포장과 같은 카톤포장재의 열접착층, 블리스터포장 등에 널리 사용된다.

과불화술폰산 이오노머(PFSA)

과불화술폰산 이오노머(PFSA, Perfluorosulfonic acid)는 수소차 연료전지의 핵심 소재이다. 전체가 불화탄소(C, F)로 구성된 고분자로, 수소이온(H+) 전달 역할을 하는 소재다. PFSA는 수소차·에너지 저장장치(ESS)·분산전원·전해조에 사용된다.

수소차는 연료전지 내의 수소이온을 통과시켜 산소와 반응을 일으키게 하는 전해질막이 중요하다. 전해질막인 'PFSA' 제조공정은 불소화학의 모든 기술이 집약된 기술로, 수분·온도·폭발성 등 여러 민감한 변수가 있고 제조공정이 매우 까다롭고 길다.

듀폰·AGC·솔베이(Solvay) 등 일부 글로벌 기업만 제조할 수 있으며, 현재 국내에서는 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다. 화학연 불소화학소재공정 국가연구실은 지난 2018년 국내 최초로 PFSA 합성기술을 개발했으며, 이후 상업화를 위한 생산공정을 계속 연구해왔다. 연구실은 PFSA의 △기초원료 제조공정 △단량체로부터 PFSA 제조공정 등 상업화에 필요한 제조공정을 총 9단계로 최적화해 ㈜켐트로스에 기술이전했다.

참고자료

• 〈이오노머〉, 《화학대사전》
• 〈아이오노머〉, 《식품과학기술대사전》
• "Ionomer", Wikipedia
• 〈이온 가교성 수지 이오노머의 연구동향〉, 《사이언스온》, 2011-03-22
• 심영석 기자, 〈화학연, 수소차 연료전지 핵심소재 PFSA 제조공정 개발…국산화 착수〉, 《뉴스1》, 2021-03-16

같이 보기

• 폴리머
• 전해질막
• 나피온
• 수소연료전지

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