고분자 전해질을 연구하는데 있어서 전해질의 이온전도 거동과 물성을 향상시키는 연구는 중요한 과제의 하나이다. 본 연구에서는 이를 위하여 PVC/PMMA 고분자 브랜드와 아크릴로 니이트릴(AN)과 메틸메타아크릴레이트(MMA)를 공중합시킨 고분자를 전해질의 호스트 폴리머(host polymer)로 사용한 두 형태의 가소화된 고분자 전해질에 대하여 실시하였다. PVC와 PAN은 가소제인 에틸렌카보네이트(EC)나 프로필렌카보네이트(PC)와 상온에서 상용성이 좋지 않으나, PMMA는 쉽게 용해되는 상용성이 좋은 물질이다. 각 고분자와 가소제로 사용하는 EC나 PC의 이러한 상용성 차이를 이용하면 전해질의 상분리 모폴로지(morphology)를 야기시키며, 이러한 모폴로지 차이는 전해질의 이온 전도 거동에 깊은 관계가 있다.
PVC/PMMA 브랜드를 호스트 폴리머로 사용한 가소화된 고분자 전해질은 가소제인 EC나 PC와의 상용성 차이로 가소제가 많은상(PMMA)과 PVC가 많은상으로 분리된다. PVC/PMMA 전해질 시스템에서 PVC는 전해질의 물성을 향상시키는 작용을 하여 물성을 크게 개선시켰다. 이온전도는 PMMA의 비율을 증가시킴에 따라 증가하였다. 이러한 거동은 전해질의 모폴로지로 설명할 수 있다. 즉 가소제와 상용성이 좋은 PMMA상에는 PVC상 보다 가소제가 많이 함유되면서 이온의 이동이 주로 PMMA 상을 통하여 이루어지게 된다. PMMA 비율과 가소제 함량을 증가시키면 이온전도 매체가 증가됨으로써 이온 이동이 빠르게된다.
AN과 MMA의 공중합체(P(AN-co-MMA))를 호스트 폴리머로 사용한 가소화된 전해질 시스템에서는 MMA는 EC나 PC와 상용성이 좋은반면, PAN은 상용성이 좋지 않았다. 따라서 P(AN- co-MMA) 공중합체로 제조한 전해질의 기계적 성질은 이 두 물질의 중간 성질을 보여주었다. 공중합체에서 AN 함량을 증가시킴에 따라 전해질의 물성은 딱딱해 지면서 접착성이 저하는 성질을 보였다. 한편 액체 전해질과 고분자 전해질에 대하여 DSC에 의한 열적 특성을 분석한 결과 PAN을 호스트 폴리머로 제조한 전해질과 유사한 거동을 보여주었다. PAN과 PMMA를 호스트 폴리머로 사용한 전해질의 모폴로지는 큰 차이를 보였다. 즉 전해질을 냉동 건조하여 가소제를 제거한 후 SEM으로 분석한 모폴로지 관찰 결과 PAN 전해질은 서브마이크론(submicron) 정도의 작은 기포가 형성된 반면, PMMA를 사용한 전해질은 수 마이크론 크기의 큰 기포가 형성되는 차이를 보였다. 이러한 전해질의 모폴로지 차이는 물성과 이온 전도 거동에 직접적인 영향을 주는 것으로 밝혀졌다. 이러한 열적 거동과 모폴로지 차이는 가소제인 EC/PC와 고분자인 PAN과 PMMA간의 상용성 차이에 기인된 결과이다. P(AN-co-MMA) 공중합체를 호스트 폴리머로 사용한 전해질에서 이온전도는 AN=83%의 공중합체를 사용하여 제조한 전해질이 가장 높은 전도 특성을 보여주었다. 이 원인은 이온전도에 있어서 상반된 특성을 나타내는 이온전도 매체 증가 비율과 마이크로 비스코시티(microviscosity) 증가간의 최적조건에 관계되는 결과이다. 가소제 함량이 증감에 따라 이온 전도도가 높았는데 이는 상 분리된 전해질내에서 상대적으로 이온을 전달시키는 매체의 분율이 증가하고 마이크로 비스코시티가 감소하기 때문이다.
폴리머 브랜드와 공중합체를 가소화된 고분자 전해질의 호스트 폴리머로 사용한 두 시스템으로부터 가소제와 각 고분자 성분간의 상분리를 적절히 조정하여 물성과 전도도를 동시에 향상시킬 수 있다는 결과를 얻게 되었다.
본 연구의 기본 아이디어였던 상분리 유도에 의한 이온 전도도와 물성의 두 가지 중요한 특성을 개선하려는 목적이 주효했던 것으로 판단할 수 있다. 그러므로 가소화된 고분자 전해질 시스템에서 높은 이온전도와 기계적 성질이 우수한 전해질을 제조하는데는 전해질의 모폴로지가 중요한 작용을 한다는 결론을 얻게되었다. 가소화된 전해질은 높은 이온전도 특성을 갖고 갖고있기 때문에 고분자 전해질을 이용한 리튬이차 전지에의 응용에 가장 실용화의 가능성이 큰 분야로 판단된다.
