In this study, nanofiltration performance of an ultrathin graphene oxide (GO) membrane (<20 nm thickness) was significantly improved by optimizing the surface morphology of polycarbonate (PC) support via ion beam treatment. Ion beam can precisely generate and control the dimensions of the wrinkled structure by adjusting the exposure time. The wrinkle formation can be attributed to an increased degree of polymer cross-linking and heat generation by the penetrating $Ar^+$ ions that result in a stiff skin layer. Upon filtration testing, the water flux of the GO membrane with 20 nm thickness was enhanced by 6.4 times with the use of a wrinkled PC support structure. The root mean square (RMS) of the height was 0.83 nm for the flat PC and 11.5 nm for the wrinkled PC. A high rejection rate (greater than 90%) was also observed with dye molecules of sub-nanometer size. The influence of support morphology on the water flux was found to be especially significant when the thickness of the GO membrane was below 10 nm, which enhances the water flux from $4.21 L m^{−2} h^{−1} bar^{−1}$ at an RMS of 0.827 nm to $26.9 L m^{−2} h^{−1} bar^{−1}$ at an RMS of 11.5 nm. These results indicate that the support morphology is a critical parameter that determines the performance of ultrathin graphene-based membranes.
본 연구에선 폴리카보네이트 지지체의 표면 구조 조절을 통하여 초박막 산화 그래핀 분리막의 성능을 조절하였다. 이온 빔을 이용하여 정밀하게 주름진 구조를 조절 가능하다. 지지체의 주름 구조는 폴리머의 cross-linking과 이온 빔으로 인한 열 발생으로 인하여 생성된다. 얻어진 분리막은 성능 테스트에서 그래핀 분리막과 지지체 사이의 공극으로 인하여 최대 6.4배까지 수투과도가 증가하였으며 염료 분자에 대하여 90% 이상의 높은 선택성을 확인할 수 있었다. 그래핀 분리막의 두께가 얇을수록 지지체의 표면 구조의 효과가 더 크게 작용하였고, 초박막 그래핀 분리막에서 지지체의 구조가 성능에 큰 역할을 함을 확인하였다.
