KR102610728B1 - 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법 및 장치 - Google Patents
전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법 및 평가 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 상기 방법 및 장치를 이용하여 이온의 이동 경향성을 평가하는 경우, 이온의 내부 이동 및 외부 이동의 비율의 측정을 통해 내부 이동 및 외부 이동의 비율이 각각 최대가 되어 있는 전해질 막의 구조를 예측함으로써 막-전극 접합체(membrane elextrode assembly; MEA)에서 발생되는 오믹 저항(ohmic resistance)을 감소시킬 수 있다. 나아가, 본 발명에 의해 예측된 최적의 구조를 가지는 전해질 막을 이용하는 경우에는 연료 전지의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법 및 평가 장치에 관한 것이다.
고분자 전해질 막을 사용하는 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cel l, PEFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고, 효율이 높으며，전류밀도 및 출력밀도가 크고, 시동 시간이 짧은 동시에 부하변화에 따른 응답이 빠르다는 특징을 가진다. 특히, 상기 고분자 전해질 연료전지는 고분자 전해질 막을 사용하기 때문에 부식의 염려가 적고, 전해질의 조절이 필요 없으며 반응기체의 압력 변화에도 다른 연료전지에 비하여 비교적 영향을 적게 받을 수 있다.
상기 고분자 전해질 막은 이온 전도성(ion conductivity)이 높으면서도 기계적인 강도를 높아야 하고, 기체 투과도가 낮아야 하는 물성을 필요로 한다. 이와 같이 고분자 전해질 막의 이온 전도성과 같은 물성들은, 고분자 전해질 막을 구성하는 고분자와 개질에 따른 관능기들에 의해 일반적으로 실험을 통해 쉽게 측정되기 어렵다.
이에, 통상적으로 상기 전해질 막의 설계 및 이온 전도성에 영향을 미치는 인자의 평가를 위하여, 양자 또는 분자 동역학 시뮬레이션에 기반한 전해질 막의 이온 전도성과 같은 물성들을 미리 예측하고자 하는 시도가 계속되고 있다. 그러한 노력의 일환으로, 분자 및 원자가 안정된 에너지 상태에 있기 위하여 끊임없이 진동한다는 개념을 도입하여, 전해질 막을 이루고 있는 중합체인 고분자의 측쇄에 존재하는 음으로 대전된 원자에 대하여 전도의 대상이 되는 양전하를 띈 원자 또는 분자가 얼마나 잘 이동하는지에 대한 값을 측정함으로써 이온 전도성 값을 예측하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 이온의 이동 여부에 대해서만 측정하기 때문에 구체적으로 원자 또는 분자의 이동이 어떻게 이루어지는지 또는 관련된 이온의 이동 경향성(예컨대, 전해질 막을 이루는 동일한 고분자의 내부에서 음 대전 원자 간에 이동하는 것인지, 아니면 전해질 막을 이루는 상이한 고분자 간에 이동하는 것인지 등)에 대한 개념을 충분히 반영하지 못한다. 나아가, 전해질 막을 이루는 동일한 고분자의 내부에서 음 대전 원자 간의 이동의 경우 전해질 막의 특성, 예를 들면 고분자의 측쇄의 길이 및 구조에 의해 그 경향성이 결정될 수 있지만, 전해질 막을 이루는 상이한 고분자 간의 이동의 경우에는 전해질 막의 상기와 같은 특성뿐만 아니라, 제조 공정에 의해 영향을 받을 수 있어 이와 같은 이온의 이동 경향성을 명확하게 예측하여, 전해질 막의 최적화된 구조를 도출해 내기에는 한계점이 존재한다.
본 발명은 고분자 전해질 막에서의 이온과 원자 간의 흡착 및 탈리 개념을 반영하여 전해질 막의 구조에 따른 이온의 이동 경향성에 대한 정성적/정량적 값을 산출할 수 있는 평가 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기와 같은 방법을 구현하는 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치를 제공한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 고분자 전해질 막을 구성하는 고분자의 골격인 사슬(chain)과 상기 전해질 막의 개질에 따른 구조의 변화에 따라 발생되는 이온의 이동 경향성을, 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 대전된 상태로 존재하는 대상 원자와 상기 대전 전하와 반대의 전하를 띄는 대응 이온 간의 흡착/탈리 개념을 이용하여 판단함으로써, 고분자 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성을 평가하는 방법 및 그 장치를 개발하게 되었다.
본 명세서에서 "흡착"이란, 상기 전해질 막을 이루는 고분자의 사슬(골격)에 존재하는 대상 원자로부터, 상기 대전된 대상 원자와 상기 대전 전하와는 반대되는 전하를 띄는 대응 이온이 소정의 거리 내에서 구속되는 상태를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 "탈리"란, 상기 전해질 막을 이루는 고분자의 사슬(골격)에 존재하는 대상 원자로부터, 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄는 대응 이온이 구속되는 상태를 벗어나 자유롭게 이동 가능한 상태를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 "이온의 이동 경향성"이란, 상기 대상 원자에 대하여 상기 대응 이온이 흡착 및 탈리를 반복하면서 전해질 막을 이루는 고분자 중에서 이동하는 과정에서, 상기 대응 이온이 전해질 막을 이루고 있는 상이한 고분자 간의 이동(이하, "외부 이동"이라고도 함) 또는 동일한 고분자 내의 이동(이하, "내부 이동"이라고도 함)을 따르려고 하는 경향을 정성적/정량적으로 산출한 결과를 의미한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법은
a) T1의 시각에서 전해질 막을 이루는 제1 고분자(P1)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제1 대상 원자(A1)와 상기 고분자의 외부에 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1)가 미리 결정된 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있고, 또한,
T1+Δt의 시각에서, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sa1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt) 및 전해질 막을 이루는 제2 고분자(P2)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우(Sa2),
상기 제1 대상 원자(A1)를 포함하는 상기 상기 제1 고분자(P1)에 부여되어 있는 식별 번호(NP1)를 수집하는 단계;
b) T1+Δt의 시각부터 T2의 시각까지 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2) 가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sb1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2) 및 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있으며(Sb1), 또한,
T2+Δt의 시각에서 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2+Δt)가 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우,
상기 제2 대상 원자(A2)를 포함하는 상기 제2 고분자(P2)에 부여되어 있는 식별 번호(NP2)를 수집하는 단계;
c) 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한지 여부를 판단하는 단계; 및 d) 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산하거나, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산하는 단계;를 포함한다.
상기 Δt는 0.1 내지 100 피코 초(picosecond)인 것일 수 있다.
상기 제1 고분자(P1) 및 상기 제2 고분자(P2)는 각각 상기 제1 대상 원자(A1) 함유 음전하 관능기 및 제2 대상 원자(A2) 함유 음전하 관능기로 말단화 되어 있는 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지를 포함하는 것일 수 있다.
상기 불소계 수지는 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene) 유래의 반복단위 및 퍼플루오르화 비닐 에테르(perfluorinated vinyl ether) 유래의 반복단위를 포함하는 공중합체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄화수소계 수지는 폴리스티렌계, 폴리아릴렌 에테르계 및 폴리페닐렌계으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 제1 대상 원자(A1) 함유 음전하 관능기 및 상기 제2 대상 원자(A2) 함유 음전하 관능기는 각각 황 원자를 함유하는 술폰산기인 것일 수 있다.
상기 대응 이온(I)은 하이드로늄 이온인 것일 수 있다.
상기 이격 거리(dT1), 이격 거리(dT1+Δt), 이격 거리(dT2) 및 이격 거리(dT2+Δt)는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여, T1, T1+Δt, T2 및 T2+Δt 시간 프레임에서 상기 대상 원자와 상기 대응 이온의 위치 정보를 통해 산출된 것일 수 있다.
상기 기준 거리(ds)는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리와, 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리의 합인 것일 수 있다.
상기 컷오프 거리(dc)는 상기 전해질 막에서 상기 대상 원자 및 상기 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리인 것일 수 있다.
상기 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법은
e1) 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수의 합산치는 고분자 간의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법은
e2) 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치는 고분자 내의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 환산은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값으로 환산하는 것일 수 있다.
상기 환산은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값으로 환산하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치는
T1의 시각에서 전해질 막을 이루는 제1 고분자(P1)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제1 대상 원자(A1)와 상기 고분자의 외부에 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1)가 미리 결정된 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있고, 또한,
T1+Δt의 시각에서, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sa1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt) 및 전해질 막을 이루는 제2 고분자(P2)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우(Sa2),
상기 제1 대상 원자(A1)를 포함하는 상기 상기 제1 고분자(P1)에 부여되어 있는 식별 번호(NP1)를 수집하는 제1 수집 모듈;
T1+Δt의 시각부터 T2의 시각까지 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2) 가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sb1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2) 및 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있으며(Sb2), 또한,
T2+Δt의 시각에서 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2+Δt)가 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우, 상기 제2 대상 원자(A2)를 포함하는 상기 제2 고분자(P2)에 부여되어 있는 식별 번호(NP2)를 수집하는 제2 수집 모듈;
상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한지 여부를 판단하는 판단 모듈; 및
상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산하거나, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산하는 합산 모듈;을 포함한다.
상기 Δt는 0.1 내지 100 피코 초(picosecond)인 것일 수 있다.
상기 제1 고분자(P1) 및 상기 제2 고분자(P2)는 각각 상기 제1 대상 원자(A1) 함유 음전하 관능기 및 제2 대상 원자(A2) 함유 음전하 관능기로 말단화 되어 있는 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지를 포함하는 것일 수 있다.
상기 불소계 수지는 테트라플루오로에틸렌 유래의 반복단위 및 퍼플루오르화 비닐 에테르 유래의 반복단위를 포함하는 공중합체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄화수소계 수지는 폴리스티렌계, 폴리아릴렌 에테르계 및 폴리페닐렌계으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 제1 대상 원자(A1) 함유 음전하 관능기 및 제2 대상 원자(A2) 함유 음전하 관능기는 각각 황 원자를 함유하는 술폰산기인 것일 수 있다.
상기 대응 이온(I)은 하이드로늄 이온인 것일 수 있다.
상기 상기 이격 거리(dT1), 이격 거리(dT1+Δt), 이격 거리(dT2) 및 이격 거리(dT2+Δt)는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여, T1, T1+Δt, T2 및 T2+Δt 시간 프레임에서 상기 대상 원자와 상기 대응 이온의 위치 정보를 통해 산출된 것일 수 있다.
상기 기준 거리(ds)는 상기 대상 원자와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리와, 상기 대상 원자 및 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리의 합인 것일 수 있다.
상기 컷오프 거리(dc)는 상기 전해질 막에서 상기 대상 원자 및 상기 대상 원자와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리인 것일 수 있다.
상기 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치는
상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수의 합산치는 고분자 간의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 제1 환산 모듈을 더 포함한다.
상기 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치는
상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치는 고분자 내의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 제2 환산 모듈을 더 포함한다.
상기 환산은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값이 환산되는 것일 수 있다.
상기 환산은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값이 환산되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법 및 장치를 이용하여 이온의 이동 경향성을 평가하는 경우, 이온의 내부 이동 및 외부 이동의 비율의 측정을 통해 내부 이동 및 외부 이동의 비율이 각각 최대가 되어 있는 전해질 막의 구조를 예측함으로써 막-전극 접합체(membrane electrode assembly; MEA)에서 발생되는 오믹 저항(ohmic resistance)을 감소시킬 수 있다. 나아가, 본 발명에 의해 예측된 최적의 구조를 가지는 전해질 막을 이용하는 경우에는 연료 전지의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법을 도시한 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자동역학 시뮬레이션 내에 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자와, 상기 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온의 상태를 모식도로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막을 이루는 고분자 들 중 일부 고분자, 상기 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자 및 상기 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온에 부여된 식별 번호들이 표시된 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 시 이온의 이동을 모식도를 나타낸 것으로, T1+Δt의 시각에서 '상태 Ⅲ'은 대상 이온(I)이 탈리 되어 있는 상태(Sa1) 및 상태(Sb1)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 시 이온의 이동을 모식도로 나타낸 것으로, T1+Δt의 시각에서 '상태 Ⅴ'는 대상 이온(I)이 4번 대상 원자 및 5번 대상 원자 모두와 흡착 되어 있는 상태(Sa2) 및 상태(Sb2) 이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법을 도시한 흐름도를 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치를 구성하는 블록 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자동역학 시뮬레이션 내에 전해질 막을 이루는 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자와, 상기 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온의 상태를 모식도로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막을 이루는 고분자 들 중 일부 고분자, 상기 고분자의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자 및 상기 고분자의 외부에 존재하는 대응 이온에 부여된 식별 번호들이 표시된 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 시 이온의 이동을 모식도를 나타낸 것으로, T1+Δt의 시각에서 '상태 Ⅲ'은 대상 이온(I)이 탈리 되어 있는 상태(Sa1) 및 상태(Sb1)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 시 이온의 이동을 모식도로 나타낸 것으로, T1+Δt의 시각에서 '상태 Ⅴ'는 대상 이온(I)이 4번 대상 원자 및 5번 대상 원자 모두와 흡착 되어 있는 상태(Sa2) 및 상태(Sb2) 이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법을 도시한 흐름도를 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치를 구성하는 블록 구성도를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법을 도시한 흐름도로, 이하 이온의 이동 경향성 평가 방법의 각 단계를 구체적으로 설명한다.
상기 전해질 막은 연료 전지 내에서 산화극과 환원극을 물리적으로 분리할 뿐만 아니라, 전해질 막을 이루는 제1 고분자(P1) 및 제2 고분자(P2)와 같은 고분자(P)들의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자(A)들, 예를 들면 제1 대상 원자(A1) 및 제2 대상 원자(A2) 등으로 지칭될 수 있는 대상 원자(A) 들이 포함됨으로써, 산화극에서 생성된 상기 대상 원자(A)들이 대전된 전하와 반대의 전하를 띈 대응 이온(I)이 환원극으로 전달될 수 있도록 유도하는 통로 역할을 수행할 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 상기 전해질 막을 이루는 고분자(P)들은 대상 원자(A) 함유 음전하 관능기로 말단화 되어 있는 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지를 포함하는 것일 수 있다. 이때, 상기 고분자(P)가 불소계 수지를 포함하는 경우, 상기 대상 원자(A) 함유 음전하 관능기는 대상 원자(A)인 황 원자를 함유하는 술폰산기(-SO3 -)인 것일 수 있다.
상기 불소계 수지는 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene) 유래의 반복단위 및 퍼플루오르화 비닐 에테르(perfluorinated vinyl ether) 유래의 반복단위를 포함하는 공중합체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄화수소계 수지는 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene) 유래의 반복단위 및 퍼플루오르화 알킬 비닐 에테르(perfluorinated alkyl vinyl ether) 유래의 반복단위를 포함하는 공중합체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 대응 이온(I)은 상기 대상 원자(A)와 반대되는 전하로 대전된 전하, 즉 양전하를 띄는 것일 수 있으며, 예를 들어 상기 대응 이온(I)은 양전하를 띄는 하이드로늄(H3O+) 이온일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전해질 막을 이루는 불소계 고분자의 외부에 존재하는 하이드로늄 일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 분자동역학 시뮬레이션을 구현하기 위하여, 전해질 막을 대상 원자(A) 함유 음전하 관능기로 말단화 되어 있는 불소계 수지를 포함하는 고분자인, 나피온계 고분자(P)로 모델링함으로써, 상기 대상 원자(A)들은 음전하 관능기인 술폰산기에 함유된 황 원자가 될 수 있도록 설정하였고, 전해질 막을 이루는 상기 나피온계 고분자(P)의 외부는 수화도(hydration number, λ)가 3이 되도록 하이드로늄 이온과 물을 채워, 상기 대상 원자(A)들인 황 원자와 반대되는 전하를 띄면서 상기 나피온계 고분자(P)의 외부에 존재하는 대응 이온(I)은 하이드로늄 이온이 될 수 있도록 설정하였다.
상기 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가를 수행하기 이전에, 상기 고분자(P)들과 상기 고분자(P)들의 말단화 되어 있는 음으로 대전된 관능기에 함유된 상기 대상 원자(A)들에는 식별 번호(N)가 각각 부여되어 있을 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전해질 막을 이루는 수 많은 고분자(P) 중 일부에 해당하는 제1 고분자(P1) 및 제2 고분자(P2)를 기준으로 설명하면, 제1 고분자(P1)에는 식별 번호(NP1)인 A가 미리 부여되어 있고, 제2 고분자(P2)에는 식별 번호(NP2)인 B가 미리 부여되어 있는 것일 수 있다. 또한, 식별 번호(NP1) A가 부여된 상기 제1 고분자(P1)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제1 대상 원자(A1)에는 상기 고분자(P)들에 부여된 식별 번호와는 다른 식별 번호, 예를 들면, 1 내지 5의 식별 번호가 부여된 것일 수 있고, 식별 번호(NP2) B가 부여된 상기 제2 고분자(P2)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제2 대상 원자(A2)에는 상기 고분자(P)들에 부여된 식별 번호와는 다른 식별 번호, 예를 들면, 6 내지 12의 식별 번호가 부여된 것일 수 있다. 그러나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 단순한 예시에 불과하므로 상기 고분자(P) 및 상기 대상 원자(A)들 각각을 식별하기 위하여 부여된 식별 번호라면 모두 사용될 수 있고, 이에 제한되지 아니한다.
S110 단계
S110 단계에서는 a) T1의 시각에서 전해질 막을 이루는 고분자(P1)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제1 대상 원자(A1)와 상기 고분자의 외부에 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1)가 미리 결정된 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있고, 또한, T1+Δt의 시각에서, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sa1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt) 및 전해질 막을 이루는 제2 고분자(P2)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우(Sa2), 상기 제1 대상 원자(A1)를 포함하는 상기 상기 제1 고분자(P1)에 부여되어 있는 식별 번호(NP1)를 수집한다.
상기 T1의 시각은 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가를 수행하기 위하여 미리 설정된 시각 중 어느 한 시점일 수 있고, 사용자가 평가를 수행하기 위한 시작 시각이라면 제한되지 아니하고 어떤 시각이든 가능하지만, 상기 T1의 시각은 제1 고분자(P1)의 골격에 존재하는 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1)가 미리 결정된 기준 거리(ds) 내에 존재하여, 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)에 흡착 상태로 존재하는 상태의 시각인 것이 바람직하다.
상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)에 흡착 상태로 존재하는 T1의 시각에서 Δt 시간이 흐른 뒤, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하는 상태, 즉 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)로부터 탈리 상태로 존재하는 경우나(Sa1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt) 및 전해질 막을 이루는 제2 고분자(P2)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하는 상태, 즉 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)와 매우 근접한 거리에 존재하는 제2 대상 원자(A2) 모두에 흡착 상태로 존재하는 경우(Sa2)에 T1의 시각에 상기 대응 이온(I)이 흡착된 상기 제1 대상 원자(A1)가 골격에 존재하는 상기 제1 고분자(P1)의 식별 번호(NP1)를 수집한다.
상기 T1+Δt의 시각은 상기 T1의 시각에서 Δt의 시각만큼 시간의 흐름이 지난 뒤의 시각을 의미하는 것으로, 상기 Δt는 분자동역학 시뮬레이션 내에서 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)와의 관계에서 상태 변화를 일으킬 수 있는 시간의 간격 이라면 제한 없이 설정 가능하고, 바람직하게는 0.1 내지 500 피코 초(picosecond), 더욱 바람직하게는 0.1 내지 10 피코 초일 수 있다.
S120 단계
S120 단계에서는 b) T1+Δt의 시각부터 T2의 시각까지 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2)가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sb1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2) 및 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있으며(Sb2), 또한, T2+Δt의 시각에서 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2+t)가 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우, 상기 제2 대상 원자(A2)를 포함하는 상기 제2 고분자(P2)에 부여되어 있는 식별 번호(NP2)를 수집한다.
상기 T1+Δt의 시각에서부터 T2의 시각까지 상기 대응 이온(I)은 상기 제1 대상 원자(A1)로부터 탈리 상태로 존재할 수 있다.
이와 같이, T1 의 시각에 상기 제1 대상 원자(A1)에 흡착된 상태로 존재하던 상기 대응 이온(I)이 대략 2t의 시각이 흐른 뒤인 T2의 시각까지, 상기 제1 대상 원자(A1)로부터 탈리 상태로 존재하고, T2+Δt의 시각에 제2 대상 원자와 흡착되는 경우에는 한번의 탈리로 인하여 상기 대응 이온(I)의 내부 이동 또는 외부 이동이 일어났을 것으로 예측할 수 있다.
또한, 상기 T1+Δt의 시각에서 상기 대응 이온(I)은 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 제1 대상 원자(A1)와 매우 밀접한 거리에 존재하는 상기 제2 대상 원자(A2)에 모두 흡착된 상태로 존재할 수 있다.
이와 같이, T1 의 시각에 상기 제1 대상 원자(A1)에 흡착된 상태로 존재하던 상기 대응 이온(I)이 대략 2t의 시각이 흐른 뒤인 T2의 시각까지, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 제2 대상 원자(A2)와 흡착 상태로 존재하고, T2+Δt의 시각에 제2 대상 원자와 흡착되는 경우에는 탈리 과정 없이 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)와 매우 근접해 있는 상기 제2 대상 원자(A2)로 이동, 즉 내부 이동이 일어났을 것으로 예측할 수 있다.
본 발명의 상기 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법은 T1의 시각에서 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I)이 흡착 상태로 존재하고, T1의 시각으로부터 Δt의 시각이 흐른 뒤, 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)로부터 탈리되거나, 또는 상기 제1 대상 원자(A1) 및 상기 제2 대상 원자(A2)와 흡착되어 있으며, 이와 같은 상태가 T2의 시각까지 지속된 후에, 상기 대응 이온(I)이 T2+Δt의 시각에서 제2 대상 원자(A2)와 흡착되는 일련의 과정을 T1의 시각에서부터 T2+t의 시각까지 시간의 흐름에 따라 상기 대응 이온(I)이 흡착되는 고분자(P)들에 부여된 각각의 식별 번호(Np)를 식별함으로써 상기 대응 이온(I)의 이동 경향성을 스크리닝할 수 있다.
상기 T2의 시각은 상기 대응 이온(I)이 탈리 상태로 존재하는 상기 T1+Δt의 시각으로부터, 상기 대응 이온이 이동을 일으킬 수 있는 충분한 시간이 흐른 뒤일 수 있고, 상기 T2+Δt의 시각은 상기 T2의 시각으로부터 Δt의 시각만큼 시간의 흐름이 지난 뒤의 시각을 의미하는 것으로, 상기 Δt는 분자동역학 시뮬레이션 내에서 상기 대응 이온(I)이 상기 제2 대상 원자(A2)와의 관계에서 상태 변화를 일으킬 수 있는 시간의 간격 이라면 제한 없이 설정 가능하고, 바람직하게는 0.1 내지 500 피코 초, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 100 피코 초일 수 있다.
상기 S110 단계 및 상기 S120 단계에서의 상기 이격 거리(dT1), 이격 거리(dT1+Δt), 이격 거리(dT2) 및 이격 거리(dT2+Δt)는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여, T1, T1+ΔT2 및 T2+Δ 시간 프레임(단위 시간)마다 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I)의 위치 정보를 통해 산출될 수 있다.
상기 분자동역학 시뮬레이션을 이용하는 경우, 시간에 따른 전해질 막을 이루는 고분자(P)들의 골격에 대전된 상태로 존재하는 상기 대상 원자(A) 및 전해질 막의 외부에 존재하는 대응 이온(I)의 위치에 해당하는 값이 각각 산출될 수 있다. 이에 상기 분자동역학 시뮬레이션을 통해 산출된 상기 대상 원자(A) 및 상기 대응 이온(I)의 각각의 위치 값을 이용하여, 상기 전해질 막을 이루는 고분자(P)들의 골격에 대전된 상태로 존재하는 대상 원자(A)를 기준으로, 상기 전해질 막의 외부에 존재하는 대응 이온(I)과의 이격 거리(dT)가 결정될 수 있다.
또한, 상기 S110 단계 및 상기 S120 단계에서의 상기 기준 거리(ds)는 상기 대상 원자(A)와 상기 대응 이온(I) 간의 반데르발스 거리와, 상기 대상 원자(A) 및 상기 대응 이온(I)의 각각의 진동 거리의 합을 의미하고, 상기 컷오프 거리(dc)는 상기 전해질 막을 이루는 고분자(P)의 골격에 대전된 상태로 존재하는 상기 대상 원자(A) 및 상기 대상 원자(A)와 동일한 고분자(P)의 골격에 대전된 상태로 존재하는 동종의 다른 대상 원자(A) 간의 거리를 의미한다.
S130 단계
S130 단계에서는 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한지 여부를 판단한다.
이와 같이, T1의 시각에서부터 T2+Δt의 시각까지 시간의 흐름에 따라 상기 대응 이온(I)이 흡착되는 고분자(P)에 부여된 식별 번호(Np)를 식별하여 수집된 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)의 동일 여부를 판단함으로써, 상기 대응 이온(I)의 시간의 흐름에 따른 이동 경향성을 평가할 수 있다.
구체적으로, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우는 T1의 시각에서 일어난 흡착의 대상이 되는 제1 대상 원자(A1)가 존재하는 제1 고분자(P1)와, T2+Δt의 시각에서 일어난 흡착의 대상이 되는 제2 대상 원자(A2)가 존재하는 제2 고분자(P2)가 상이한 것으로, 상기 제1 고분자(P1) 및 상기 제2 고분자(P2) 간의 이동인 외부 이동이 일어난 것으로 평가될 수 있다.
또한, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우는 T1의 시각에서 일어난 흡착의 대상이 되는 제1 대상 원자(A1)가 존재하는 제1 고분자(P1)와, T2+Δt의 시각에서 일어난 흡착의 대상이 되는 제2 대상 원자(A2)가 존재하는 제2 고분자(P2)가 동일하거나, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 제2 대상 원자(A2)가 동일한 것으로, 상기 제1 고분자(P1) 내의 이동인 내부 이동이 일어난 것으로 평가될 수 있다.
S140 단계
S140 단계에서는 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산하거나, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 시에 나타날 수 있는 T1의 시각에서부터 T2+Δt의 시각까지 상기 대상 원자(A)들과 상기 대응 이온(I)의 이동을 모식도로 나타낼 수 있으나, 여기에서 제시된 식별 번호(N)는 단순히 본 발명의 일 실시예를 설명하기 위한 것에 불과하다.
구체적으로, T1의 시각에서 대응 이온(I)은 전해질 막을 이루는 제1 고분자(P1)의 골격에 대전된 상태로 존재하는 식별 번호 4가 부여된 제1 대상 원자(A1)와 흡착되어 있고(T1의 시각의 상태 I), 상기 T1의 시각으로부터 Δt 만큼 흐른 뒤(예를 들면 T1으로부터 1 피코 초가 흐른 뒤)에 상기 제1 대상 원자(A1)로부터 탈리되거나(T1+Δt 시각의 상태 Ⅲ), 상기 제1 대상 원자(A1) 및 제2 대상 원자(A2)에 모두 흡착된 후(T1+Δt 시각의 상태 Ⅴ), 이와 같은 상태가 T2의 시각까지 유지되고, T2+Δt의 시각에 제1 고분자(P1) 또는 제2 고분자(P2)의 골격에 대전된 상태로 존재하는 제2 대상 원자(A2)와 흡착될 수 있다.
이때, 상기 제2 대상 원자(A2)는 상기 제1 대상 원자(A1)와 동일한 식별 번호가 부여 되어 있는 4번 일 수 있고(T2+Δt의 시각의 상태 I), 상기 제1 대상 원자(A1)와 동일한 고분자(P1) 내에 존재하는 5번 일 수 있으며(T2+Δt의 시각의 상태 Ⅱ), 상기 고분자(P1)과 상이한 고분자(P2) 내에 존재하는 9번 일 수 있다(T2+Δt의 시각의 상태 Ⅳ).
상기 T2+Δt의 시각의 상태 I 및 T2+Δt의 시각의 상태 Ⅱ는 제1 고분자(P1) 내의 이동인 내부 이동으로 평가될 수 있고, 상기 T2+Δt의 시각의 상태 Ⅳ는 제1 고분자(P1)에서 제2 고분자(P2) 간의 이동인 외부 이동으로 평가될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법을 도시한 흐름도로, e1) 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수의 합산치는 고분자 간의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법을 도시한 흐름도로, e2) 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치는 고분자 내의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 단계(S160)를 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법을 도시한 흐름도로, 본 발명의 상기 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법은 고분자 간의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 단계(S150) 및 고분자 내의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 단계(S160)를 모두 포함할 수 있다.
상기 환산은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값을 산출할 수 있고, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값을 산출할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법을 이용하여, 불소계 수지인 당량중량(equivalent weight; EW) 1100의 특성을 갖는 나피온 이오노머(Nafion Ionomer) 기반 전해질막의 측쇄(side chain)의 반복 단위 및 전해질 막이 가질 수 있는 다양한 자유체적(free volume)에 따른 하이드로늄 이온의 이동 경향성을 평가한 결과로, 전해질 막의 자유체적(free volume)에 따른 차이 없이 전해질 막의 측쇄의 반복 단위가 0개에서 7개로 증가될수록 내부 이동(intra-movement)이 일어나는 비율에 증가되는 반면, 외부 이동(inter-movement)이 일어나는 비율이 감소되는 것을 확인하였다. 이를 통해, 외부 이동이 최대로 일어나면서, 내부 이동의 비율이 최대가 되도록 하는 전해질 막의 구조를 효과적으로 예측할 수 있다.본 발명은 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치를 제공한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치를 도시한 블록구성도로, 이하 이온의 이동 경향성 평가 장치의 각 구성을 구체적으로 설명한다.
상기 전해질 막은 연료 전지 내에서 산화극과 환원극을 물리적으로 분리할 뿐만 아니라, 전해질 막을 이루는 제1 고분자(P1) 및 제2 고분자(P2)와 같은 고분자(P)들의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 대상 원자(A)들, 예를 들면 제1 대상 원자(A1) 및 제2 대상 원자(A2) 등으로 지칭될 수 있는 대상 원자(A) 들이 포함됨으로써, 산화극에서 생성된 상기 대상 원자(A)들이 대전된 전하와 반대의 전하를 띈 대응 이온(I)이 환원극으로 전달될 수 있도록 유도하는 통로 역할을 수행할 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 상기 전해질 막을 이루는 고분자(P)들은 대상 원자(A) 함유 음전하 관능기로 말단화 되어 있는 불소계 수지를 포함하는 것일 수 있고, 상기 대상 원자(A) 함유 음전하 관능기는, 대상 원자(A)인 황 원자를 함유하는 술폰산기(-SO3 -)인 것일 수 있다.
상기 불소계 수지는 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene) 유래의 반복단위 및 퍼플루오르화 비닐 에테르(perfluorinated vinyl ether) 유래의 반복단위를 포함하는 공중합체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄화수소계 수지는 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene) 유래의 반복단위 및 퍼플루오르화 알킬 비닐 에테르(perfluorinated alkyl vinyl ether) 유래의 반복단위를 포함하는 공중합체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 대응 이온(I)은 상기 대상 원자(A)와 반대되는 전하로 대전된 전하, 즉 양전하를 띄는 것일 수 있으며, 예를 들어 상기 대응 이온(I)은 양전하를 띄는 하이드로늄(H3O+) 이온일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전해질 막을 이루는 불소계 고분자의 외부에 존재하는 하이드로늄 일 수 있다.
상기 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가를 수행하기 이전에, 상기 고분자(P)들과 상기 고분자(P)들의 말단화 되어 있는 음으로 대전된 관능기에 함유된 상기 대상 원자(A)들에는 식별 번호(N)가 각각 부여되어 있을 수 있다.
상기 식별 번호(N)에 대하여, 전해질 막을 이루는 수 많은 고분자(P) 중 일부에 해당하는 제1 고분자(P1) 및 제2 고분자(P2)를 기준으로 설명하면, 제1 고분자(P1)에는 식별 번호(NP1)인 A가 미리 부여되어 있고, 제2 고분자(P2)에는 식별 번호(NP2)인 B가 미리 부여되어 있는 것일 수 있다. 또한, 식별 번호(NP1) A가 부여된 상기 고분자(P1)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제1 대상 원자(A1)에는 상기 고분자(P)들에 부여된 식별 번호와는 다른 식별 번호, 예를 들면, 1 내지 5의 식별 번호가 부여된 것일 수 있고, 식별 번호(NP2) B가 부여된 상기 고분자(P2)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제2 대상 원자(A2)에는 상기 고분자(P)들에 부여된 식별 번호와는 다른 식별 번호, 예를 들면, 6 내지 12의 식별 번호가 부여된 것일 수 있다(도 3 참고). 그러나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 단순한 예시에 불과하므로 상기 고분자(P) 및 상기 대상 원자(A)들 각각을 식별하기 위하여 부여된 식별 번호라면 모두 사용될 수 있으며, 이에 제한되지 아니한다.
상기 이온의 이동 경향성 평가 장치는 버스(B)를 통해 연결되는 프로세서(110), 메모리(120), 입력장치(130), 출력장치(140), 스토리지(150) 및 네트워크 인터페이스(160)를 포함한다.
프로세서(110)는 이온의 이동 경향성이 평가될 수 있도록 실행될 수 있다. 상기 프로세서(110)는 중앙처리장치(CPU)로 구현될 수 있다. 또한 상기 프로세서(110)는 메모리(120)나, 스토리지(150)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치 등으로 구현될 수 있다.
프로세서(110)는 제1 수집 모듈(111), 제2 수집 모듈(112), 판단 모듈(113) 및 합산 모듈(114)이 포함된다.
제1 수집 모듈(111)
제1 수집 모듈(111)은 T1의 시각에서 전해질 막을 이루는 고분자(P1)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제1 대상 원자(A1)와 상기 고분자의 외부에 상기 대상 원자와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1)가 미리 결정된 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있고, 또한,
T1+Δt의 시각에서, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sa1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt) 및 전해질 막을 이루는 제2 고분자(P2)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우(Sa2), 상기 제1 대상 원자(A1)를 포함하는 상기 상기 제1 고분자(P1)에 부여되어 있는 식별 번호(NP1)를 수집한다.
상기 T1의 시각은 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가가 수행되도록 하기 위하여 미리 설정된 시각 중 어느 한 시점일 수 있고, 사용자가 평가를 수행하기 위한 시작 시각이라면 제한되지 아니하고 어떤 시각이든 가능하지만, 상기 T1의 시각은 제1 고분자(P1)의 골격에 존재하는 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1)가 미리 결정된 기준 거리(ds) 내에 존재하여, 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)에 흡착 상태로 존재하는 상태의 시각인 것이 바람직하다.
상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)에 흡착 상태로 존재하는 T1의 시각에서 Δt 시간이 흐른 뒤, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하는 상태, 즉 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)로부터 탈리 상태로 존재하는 경우나(Sa1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+t) 및 전해질 막을 이루는 제2 고분자(P2)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하는 상태, 즉 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)와 매우 근접한 거리에 존재하는 제2 대상 원자(A2) 모두에 흡착 상태로 존재하는 경우(Sa2)에 T1의 시각에 상기 대응 이온(I)이 흡착된 상기 제1 대상 원자(A1)가 골격에 존재하는 제1 고분자(P1)의 식별 번호(NP1)를 수집한다.
상기 T1+Δt의 시각은 상기 T1의 시각에서 Δt의 시각만큼 시간의 흐름이 지난 뒤의 시각을 의미하는 것으로, 상기 t는 분자동역학 시뮬레이션 내에서 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)와의 관계에서 상태 변화를 일으킬 수 있는 시간의 간격 이라면 제한 없이 설정 가능하고, 바람직하게는 0.1 내지 500 피코 초(picosecond), 더욱 바람직하게는 0.1 내지 10 피코 초일 수 있다.
제2 수집 모듈(112)
제2 수집 모듈(112)은 T1+Δt의 시각부터 T2의 시각까지 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2) 가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sb1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2) 및 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있으며(Sb2), 또한, T2+Δt의 시각에서 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2+Δt)가 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우, 상기 제2 대상 원자(A2)를 포함하는 상기 제2 고분자(P2)에 부여되어 있는 식별 번호(NP2)를 수집한다.
상기 T1+Δt의 시각에서부터 T2의 시각까지 상기 대응 이온(I)은 상기 제1 대상 원자(A1)로부터 탈리 상태로 존재할 수 있다.
이와 같이, T1 의 시각에 상기 제1 대상 원자(A1)에 흡착된 상태로 존재하던 상기 대응 이온(I)이 대략 2t의 시각이 흐른 뒤인 T2의 시각까지, 상기 제1 대상 원자(A1)로부터 탈리 상태로 존재하고, T2+Δt의 시각에 제2 대상 원자와 흡착되는 경우에는 한번의 탈리로 인하여 상기 대응 이온(I)의 내부 이동 또는 외부 이동이 일어났을 것으로 예측할 수 있다.
또한, 상기 T1+Δt의 시각에서 상기 대응 이온(I)은 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 제1 대상 원자(A1)와 매우 밀접한 거리에 존재하는 상기 제2 대상 원자(A2)에 모두 흡착된 상태로 존재할 수 있다.
이와 같이, T1 의 시각에 상기 제1 대상 원자(A1)에 흡착된 상태로 존재하던 상기 대응 이온(I)이 대략 2t의 시각이 흐른 뒤인 T2의 시각까지, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 제2 대상 원자(A2)와 흡착 상태로 존재하고, T2+Δt의 시각에 제2 대상 원자와 흡착되는 경우에는 탈리 과정 없이 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)와 매우 근접해 있는 상기 제2 대상 원자(A2)로 이동, 즉 내부 이동이 일어났을 것으로 예측할 수 있다.
본 발명의 상기 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법은 T1의 시각에서 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I)이 흡착 상태로 존재하고, T1의 시각으로부터 Δt의 시각이 흐른 뒤, 상기 대응 이온(I)이 상기 제1 대상 원자(A1)로부터 탈리되거나, 또는 상기 제1 대상 원자(A1) 및 상기 제2 대상 원자(A2)와 흡착되어 있으며, 이와 같은 상태가 T2의 시각까지 지속된 후에, 상기 대응 이온(I)이 T2+Δt의 시각에서 제2 대상 원자(A2)와 흡착되는 일련의 과정을 T1의 시각에서부터 T2+Δt의 시각까지 시간의 흐름에 따라 상기 대응 이온(I)이 흡착되는 고분자(P)들에 부여된 각각의 식별 번호(Np)를 식별함에 따라 상기 대응 이온(I)의 이동 경향성을 시간의 흐름에 따라 스크리닝할 수 있다.
상기 T2의 시각은 상기 대응 이온(I)이 탈리 상태로 존재하는 상기 T1+Δt의 시각으로부터, 상기 대응 이온이 이동을 일으킬 수 있는 충분한 시간이 흐른 뒤일 수 있고, 상기 T2+Δt의 시각은 상기 T2의 시각으로부터 t의 시각만큼 시간의 흐름이 지난 뒤의 시각을 의미하는 것으로, 상기 Δt는 분자동역학 시뮬레이션 내에서 상기 대응 이온(I)이 상기 제2 대상 원자(A2)와의 관계에서 상태 변화를 일으킬 수 있는 시간의 간격 이라면 제한 없이 설정 가능하고, 바람직하게는 0.1 내지 500 피코 초, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 100 피코 초일 수 있다.
상기 제1 수집 모듈 및 제2 수집 모듈에서의 상기 이격 거리(dT1), 이격 거리(dT1+Δt), 이격 거리(dT2) 및 이격 거리(dT2+Δt)는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여, T1, T1+Δt, T2 및 T2+Δt 시간 프레임(단위 시간)마다 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I)의 위치 정보를 통해 산출될 수 있다.
상기 분자동역학 시뮬레이션을 이용하는 경우, 시간에 따른 전해질 막을 이루는 고분자(P)들의 골격에 대전된 상태로 존재하는 상기 대상 원자(A) 및 전해질 막의 외부에 존재하는 대응 이온(I)의 위치에 해당하는 값이 각각 산출될 수 있다. 이에 상기 분자동역학 시뮬레이션을 통해 산출된 상기 대상 원자(A) 및 상기 대응 이온(I)의 각각의 위치 값을 이용하여, 상기 전해질 막을 이루는 고분자(P)들의 골격에 대전된 상태로 존재하는 대상 원자(A)를 기준으로, 상기 전해질 막의 외부에 존재하는 대응 이온(I)과의 이격 거리(dT)가 결정될 수 있다.
또한, 상기 제1 수집 모듈 및 제2 수집 모듈에서의 상기 기준 거리(ds)는 상기 대상 원자(A)와 상기 대응 이온(I) 간의 반데르발스 거리와, 상기 대상 원자(A) 및 상기 대응 이온(I)의 각각의 진동 거리의 합을 의미하고, 상기 컷오프 거리(dc)는 상기 전해질 막을 이루는 고분자(P)의 골격에 대전된 상태로 존재하는 상기 대상 원자(A) 및 상기 대상 원자(A)와 동일한 고분자(P)의 골격에 대전된 상태로 존재하는 동종의 다른 대상 원자(A) 간의 거리를 의미한다.
판단 모듈(113)
판단 모듈(113)은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한지 여부를 판단한다.
이와 같이, T1의 시각에서부터 T2+Δt의 시각까지 시간의 흐름에 따라 상기 대응 이온(I)이 흡착되는 고분자(P)에 부여된 식별 번호(Np)를 식별하여 수집된 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)의 동일 여부를 판단함으로써, 상기 대응 이온(I)의 시간의 흐름에 따른 이동 경향성을 평가할 수 있다.
구체적으로, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우는 T1의 시각에서 일어난 흡착의 대상이 되는 제1 대상 원자(A1)가 존재하는 제1 고분자(P1)와, T2+Δt의 시각에서 일어난 흡착의 대상이 되는 제2 대상 원자(A2)가 존재하는 제2 고분자(P2)가 상이한 것으로, 상기 제1 고분자(P1) 및 상기 제2 고분자(P2) 간의 이동인 외부 이동이 일어난 것으로 평가될 수 있다.
또한, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우는 T1의 시각에서 일어난 흡착의 대상이 되는 제1 대상 원자(A1)가 존재하는 제1 고분자(P1)와, T2+Δt의 시각에서 일어난 흡착의 대상이 되는 제2 대상 원자(A2)가 존재하는 제2 고분자(P2)가 동일하거나, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 제2 대상 원자(A2)가 동일한 것으로, 상기 제1 고분자(P1) 내의 이동인 내부 이동이 일어난 것으로 평가될 수 있다.
합산 모듈(114)
합산 모듈(114)은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산하거나, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산한다.
제1 환산 모듈(115) 및 제2 환산 모듈(116)
상기 프로세서(110)는 제1 환산 모듈(115)이 더 포함될 수 있다.
상기 제1 환산 모듈(115)은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수의 합산치는 고분자 간의 이동 경향성의 결과로서 환산되도록 한다.
상기 프로세서(110)는 제2 환산 모듈(116)이 더 포함될 수 있다.
상기 제2 환산 모듈(116)은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치는 고분자 내의 이동 경향성의 결과로서 환산되도록 한다.
상기 프로세서(110)는 제1 환산 모듈(115) 및 제2 환산 모듈(116)이 더 포함될 수 있다.
상기 제1 환산 모듈은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값이 환산되도록 한다.
상기 제2 환산 모듈은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값이 환산되도록 한다.
메모리(120)는 ROM(Read Only Memory)(121) 및 RAM(Random Access Memory)(122)를 포함하는 것으로, 상기 프로세서를 동작시키기 위한 프로그램이 저장될 수 있고, 입/출력되는 데이터들이 임시로 저장될 수도 있다.
입력장치(130)는 사용자의 조작에 따른 데이터를 발생시킨다. 상기 입력장치는 키패드, 터치패드 또는 조그 스위치 등에 의해 사용자 인터페이스로 구현될 수 있다.
출력장치(140)는 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치의 동작에 따라 발생되는 다양한 데이터가 출력될 수 있도록 한다. 상기 출력장치는 디스플레이, 스피커 등의 출력수단으로 구성될 수 있다.
스토리지(150)는 상기 메모리와 같이 다양한 종류의 휘발성 또는 비-휘발성 저장매체가 포함된다. 상기 스토리지는 인터넷 상에서 메모리의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지로 구현될 수 있다.
네트워크 인터페이스(160)는 네트워크를 통해 다른 단말기와 유무선 통신이 수행 가능하도록 한다. 상기 네트워크 인터페이스는 무선 인터넷, 이동통신, 근거리 통신 등의 통신기술 등일 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 청구범위에 속함은 당연한 것이다.
110: 프로세스
111: 제1 수집 모듈
112: 제2 수집 모듈
113: 판단 모듈
114: 합산 모듈
115: 제1 환산 모듈
116: 제2 환산 모듈
120: 메모리
121: ROM
122: RAM
130: 입력 장치
140: 출력 장치
150: 스토리지
160: 네트워크 인터페이스
111: 제1 수집 모듈
112: 제2 수집 모듈
113: 판단 모듈
114: 합산 모듈
115: 제1 환산 모듈
116: 제2 환산 모듈
120: 메모리
121: ROM
122: RAM
130: 입력 장치
140: 출력 장치
150: 스토리지
160: 네트워크 인터페이스
Claims (28)
- a) T1의 시각에서 전해질 막을 이루는 제1 고분자(P1)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제1 대상 원자(A1)와 상기 고분자의 외부에 상기 제1 대상 원자(A1)와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1)가 미리 결정된 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있고, 또한
T1+Δt의 시각에서, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sa1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt) 및 전해질 막을 이루는 제2 고분자(P2)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우(Sa2),
상기 제1 대상 원자(A1)를 포함하는 상기 제1 고분자(P1)에 부여되어 있는 식별 번호(NP1)를 수집하는 단계;
b) T1+Δt의 시각부터 T2의 시각까지 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2) 가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sb1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2) 및 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있으며(Sb2), 또한,
T2+Δt의 시각에서 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2+Δt)가 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우,
상기 제2 대상 원자(A2)를 포함하는 상기 제2 고분자(P2)에 부여되어 있는 식별 번호(NP2)를 수집하는 단계;
c) 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한지 여부를 판단하는 단계; 및
d) 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산하거나, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산하는 단계;를 포함하는, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 Δt는 0.1 내지 100 피코 초(picosecond)인 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 고분자(P1) 및 제2 고분자(P2)는 각각 상기 제1 대상 원자(A1) 함유 음전하 관능기 및 제2 대상 원자(A2) 함유 음전하 관능기로 말단화 되어 있는 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지를 포함하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 불소계 수지는 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene) 유래의 반복단위 및 퍼플루오르화 알킬 비닐 에테르(perfluorinated alkyl vinyl ether) 유래의 반복단위를 포함하는 공중합체를 포함하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 탄화수소계 수지는 폴리스티렌계, 폴리아릴렌 에테르계 및 폴리페닐렌계으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 제1 대상 원자(A1) 함유 음전하 관능기 및 제2 대상 원자(A2) 함유 음전하 관능기는 각각 황 원자를 함유하는 술폰산기인 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 대응 이온(I)은 하이드로늄 이온인 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 이격 거리(dT1), 이격 거리(dT1+Δt), 이격 거리(dT2) 및 이격 거리(dT2+Δt)는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여, T1, T1+Δt, T2 및 T2+Δt 시간 프레임에서 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온의 위치 정보를 통해 산출된 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 기준 거리(ds)는 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리와, 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리의 합인 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 컷오프 거리(dc)는 상기 전해질 막에서 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 상기 제2 대상 원자(A2); 및 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 상기 제2 대상 원자(A2)와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리인 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 1에 있어서,
e1) 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수의 합산치는 고분자 간의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 단계를 더 포함하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 1에 있어서,
e2) 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치는 고분자 내의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 단계를 더 포함하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 환산은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값을 환산하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 환산은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값을 환산하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 방법. - T1의 시각에서 전해질 막을 이루는 제1 고분자(P1)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제1 대상 원자(A1)와 상기 고분자의 외부에 상기 제1 대상 원자(A1)와 반대되는 전하를 띄면서 존재하는 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1)가 미리 결정된 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있고, 또한
T1+Δt의 시각에서, 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sa1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt) 및 전해질 막을 이루는 제2 고분자(P2)의 골격에 전하를 띄면서 존재하는 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT1+Δt)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우(Sa2),
상기 제1 대상 원자(A1)를 포함하는 상기 제1 고분자(P1)에 부여되어 있는 식별 번호(NP1)를 수집하는 제1 수집 모듈;
T1+Δt의 시각부터 T2의 시각까지 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2)가 상기 기준 거리(ds)를 초과하고 미리 설정된 컷오프 거리(dc) 이내에 존재하고 있거나(Sb1), 또는 상기 제1 대상 원자(A1)와 상기 대응 이온(I)간의 이격 거리(dT2) 및 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2)가 모두 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있으며(Sb2), 또한,
T2 + Δt의 시각에서 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온(I) 간의 이격 거리(dT2+t)가 상기 기준 거리(ds) 내에 존재하고 있는 경우, 상기 제2 대상 원자(A2)를 포함하는 상기 제2 고분자(P2)에 부여되어 있는 식별 번호(NP2)를 수집하는 제2 수집 모듈;
상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한지 여부를 판단하는 판단 모듈; 및
상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산하거나, 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수를 합산하는 합산 모듈;을 포함하는, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 Δt는 0.1 내지 100 피코 초(picosecond)인 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 제1 고분자(P1) 및 상기 제2 고분자(P2)는 각각 상기 제1 대상 원자(A1) 함유 음전하 관능기 및 상기 제2 대상 원자(A2) 함유 음전하 관능기로 말단화 되어 있는 불소계 수지 또는 탄화수소계 수지를 포함하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 17에 있어서,
상기 불소계 수지는 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene) 유래의 반복단위 및 퍼플루오르화 알킬 비닐 에테르(perfluorinated alkyl vinyl ether) 유래의 반복단위를 포함하는 공중합체를 포함하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 17에 있어서,
상기 탄화수소계 수지는 폴리스티렌계, 폴리아릴렌 에테르계 및 폴리페닐렌계으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 제1 대상 원자(A1) 함유 음전하 관능기 및 상기 제2 대상 원자(A2) 함유 음전하 관능기는 각각 황 원자를 함유하는 술폰산기인 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 대응 이온(I)은 하이드로늄 이온인 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 이격 거리(dT1), 이격 거리(dT1+Δt), 이격 거리(dT2) 및 이격 거리(dT2+Δt)는 분자동역학 시뮬레이션을 이용하여, T1, T1+Δt, T2 및 T2+Δt 시간 프레임에서 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온의 위치 정보를 통해 산출된 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 기준 거리(ds)는 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온 간의 반데르발스 거리와, 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 상기 제2 대상 원자(A2)와 상기 대응 이온의 각각의 진동 거리의 합인 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 컷오프 거리(dc)는 상기 전해질 막에서 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 상기 제2 대상 원자(A2); 및 상기 제1 대상 원자(A1) 또는 상기 제2 대상 원자(A2)와 동일한 전하를 띄면서 존재하는 동종의 다른 원자 간의 거리인 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수의 합산치는 고분자 간의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 제1 환산 모듈을 더 포함하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 15에 있어서,
상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치는 고분자 내의 이동 경향성의 결과로서 환산되는 제2 환산 모듈을 더 포함하는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 25에 있어서,
상기 환산은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값이 환산되는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치. - 청구항 26에 있어서,
상기 환산은 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 합산치를 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 상이한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수와 상기 식별 번호(NP1)와 상기 식별 번호(NP2)가 동일한 경우의 상기 대응 이온(I)의 수로 나눔으로써 유효 이온 이동 경향성을 가지는 값이 환산되는 것인, 전해질 막에서의 이온의 이동 경향성 평가 장치.
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