1. 이온성 액체

이온성 액체(이온 액체)는 ‘Ionic Liquids(ILs)’라고도 하며, 용융염(Molten salts)의 일종으로 상온에서 액상의 ‘염’으로 알려져 있다. 이온성 액체의 연구가 오늘날 급격히 확대된 것은 1990년대 초에 상온에서 취급할 수 있는 비클로로알루미네이트계의 상온 용융염이 등장한 것이 계기가 되었다.

이온성 액체는 이온만으로 이루어진 용매로서 물과 유기용매와는 다른 특징을 가지고 있어 ‘제3의 용매’라고도 한다. 또한 대기압에서 매우 낮은 증기압으로 존재하며 거의 휘발하지 않기 때문에 독성을 줄일 수 있어 green solvent라고도 한다.

일반적으로 불휘발성, 높은 열 안정성, 넓은 액체 온도 범위를 가지며 난연성, 높은 이온전도도 등의 폭넓은 특성을 가지고 있다. 또한 양이온과 음이온의 조합에 따라 다양한 특성을 만들어낼 수 있어 designer solvent라고도 한다. 용해력이 매우 우수하여 유기물, 무기물, 고분자를 다양하게 녹일 수 있으며 수소, 이산화탄소, 산소 등을 이용한 반응 및 분리에 유용한 용매로 사용할 수 있다. 이러한 기존 용매와 다른 독특한 특징을 가지며 이차전지, 전해질 커패시터, 염료감응 태양전지, 액추에이터, 바이오 센서, 전기화학 트랜지스터 등의 넓은 분야에 응용 전개가 기대되고 있다. 

 

이온성 액체는 음이온(anion)과 양이온(cation)의 조합으로 이루어지는 화합물이며, 조합에 따라 다수의 이온성 액체를 생각할 수 있다. 대표적인 양이온으로는 디알킬이미다졸륨이나 알킬피리디늄과 같은 방향족 아민계, 테트라알킬암모늄이나 방향족 피롤리디늄 등의 지방족 아민계, 포스포늄계 화합물이 알려져 있다. 대표적인 음이온으로는 Cl-, Br-, I-의 할로겐 음이온이나 BF4-, PF6-, CF3SO3-, (CF3SO2)2N-와 같은 불소 함유 음이온이 보고되어 있다. 

3. 구조와 물성

 

① 이온성 액체의 밀도는 1.3~1.7 정도이다. 이온성 액체의 분자량이 200이면 농도는 6mol/L 정도이며, 물과 비교해서 상당히 낮은 농도라고 할 수 있다.

 

② 이온성 액체는 양이온과 음이온으로 구성된 물질이므로 정전적 상호작용에서 예상되듯이 일반적으로 점도가 높다. 비교적 점도가 낮은 이온성 액체 1-ethyl-3-methylimi dazolium bis(trifluoroethyl sulfonyl) amide(Emim-TFSA로 약칭)에서도 28 mPas 정도로서 물보다 30배 정도 높은 점도이다. 또한 음이온 BF4 등의 이온성 액체는 흡수성이 높기 때문에 취급이나 점도의 측정에 주의가 필요하다.

 

③ 이온성 액체의 녹는점은 음이온 및 양이온의 구조와 밀접하게 관련되어 있다. 대표적인 염인 염화나트륨(NaCl)을 용융시키기 위해서는 800℃ 이상 가열이 필요하다. 그러나 800℃의 액체는 취급하기 어렵고 일반적인 환경에서는 사용할 수 없다. 그러므로 염의 녹는점을 낮추기 위해서는 염의 결정성을 억제하면 된다. 여기에 몇 가지 방법이 있는데 그중 하나가 이온 자체의 정전기적 상호 작용력을 약화시키는 방법이다. 정전기적 상호작용을 약화시키기 위해서는 구성 이온의 전하를 비 편재시키는 것이 가장 직접적인 방법인데, 단순히 이온의 질량을 늘리는 것만으로는 전하의 비 편재화를 달성하기 어렵다. π 공액계의 이온이나 전자 흡인성기를 붙인 음이온의 이용이 매우 효과적이다. 

 

표1에 각종 이온의 조합으로 얻어진 염의 녹는점을 정리하였다. NaCl의 양이온을 Cs+로 치환하는 것만으로도 녹는점은 150℃ 저하한다. 이것은 양이온 반경의 증대에 따른 표면 전하밀도의 저하가 정전 상호 작용력을 약화시키기 때문이다. 양이온을 유기물로 하면 입체장애 등의 효과도 부가할 수 있어, 한층 더 녹는점의 저하를 기대할 수 있다. 예를 들어 tetrapropyl ammoniumchloride의 녹는점은 241℃이다. π 공액 전자궤도를 이용하여 양전하를 분산시키기 위해 1-ethyl-3-methylimidazolium 양이온을 사용하여 chloride염(Emim-Cl)을 만들면 녹는점은 100℃보다 낮아진다. 그다음 Emim을 사용하여 음이온을 바꾸면 녹는점은 더욱더 내려간다.

 

예를 들어 Emim-Cl, Emim-PF6, Emim-BF4, Emim-TFSA의 녹는점을 표 2에 나타내었다. 각각 음이온 반경이​​ 커짐에 따라 녹는점이 낮아지는 것을 알 수 있다. 간단한 해석으로는 이온반경이​​ 클수록 양이온과 음이온의 쿨롱 상호작용이 작아지므로 점도와 녹는점 모두 작아진다고 할 수 있으나 이온반경만이 점도를 줄이는 요인은 아니다. 

 

④ 다른 연구에서 이온반경뿐만 아니라 이온의 비대칭성이 녹는점을 낮추는 중요한 요인임을 보고했다. 예를 들어 그림 5에 나타낸 대칭성 음이온 TFSA가 많이 사용됐지만, 비대칭 구조 FTA로 하면 녹는점이나 점도가 급격히 저하되는 것이 보고되어 있어 저점도 이온성 액체의 설계에 방향이 될 것으로 여겨진다.

 

 

⑥ 이미다졸륨 양이온의 2번째 프로톤이 알킬기로 치환되면 내환원성이 향상된다.(약 0.3~0.5V 정도) 

 

⑦ 이미다졸륨 양이온과 지방족 암모늄 양이온의 물성치를 비교하면 일반적으로 이미다졸륨 양이온이 점도, 융점은 낮고, 도전율은 높지만, 내환원성에 대해서는 지방족 암모늄 양이온이 우수하다(0.8V 정도). 

 

더욱이 음이온의 조합에 따라 구조와 물성치 관계는 좀 더 복잡해진다. 이와 같이 이온성 액체의 물성은 이온 분자 크기, 분자 구조, 분자 내 전하분포, 양이온과 음이온 분자 간의 정전적 상호작용 등 다양한 요인에 따라 변화하기 때문에 예측하기 어렵다. 

 

 

구조와 물성의 상관성에 관한 연구 보고가 늘어나고 있지만, 이들 장점을 모두 망라한 이온성 액체를 설계하는 것이 현재 쉽지는 않다. 따라서 목적에 맞는 이온성 액체의 특징을 살려서 설계하는 연구가 필요하다.

 

 

 

 

 

그러므로 이온성 액체는 이러한 낮은 휘발성, 열적 안정성, 높은 이온전도성, 넓은 전기화학적 안정성, 낮은 증기압 등의 특성을 가지고 여러 산업 분야에서 기존의 유기용매를 대체할 수 있는 안전하고 친환경적인 용매로 검토되고 있다.

 

4.1 바이오매스 정제(refinery)에 사용

 

지금까지 바이오매스에서 가장 큰 생산물인 바이오에탄올은 옥수수와 사탕수수 등 전분계 식용 바이오매스에서 생산되고 있었지만 식량 자원이라는 문제에 직면하여, 셀룰로오스로 대표되는 목재 등의 비식용 바이오매스의 이용이 주목받고 있다. 그러나 셀룰로오스는 셀로비오스(글루코오스가 2분자 결합한 분자)가 직쇄상으로 결합한 고분자이며, 그 고분자 사슬들이 수소결합에 의해 결합된 결정구조를 형성하고 있어 가수분해가 쉽게 이루어지지 않는다. 따라서 먼저 결합을 완화하는 전처리 작업이 필요하다. 

 

또한 셀룰로오스계 바이오매스의 경우 셀룰로오스 외에 다당류 헤미셀룰로오스나 리그닌도 복잡하게 얽힌 상태로 고분자 복합체를 형성하고 있다. 셀룰로오스계 바이오매스는 이들 3성분이 약 95%를 차지하고 있기 때문에 리그노셀룰로오스계 바이오매스라고도 한다. 이들 성분은 식물 세포벽을 구성하고 있어 이 화학결합을 전처리하여 완화하는 것이 중요하다. 

 

지금까지 보고되고 있는 바이오매스의 당화 전처리의 대부분은 고온·고압이나 강산, 강염기 등을 사용하여 소비되는 에너지 비용이나 환경 부하에 문제가 지적되어 왔다. 이러한 문제를 해결하는 기술의 하나로 이온성 액체를 이용한 전처리 기술이 주목받고 있다.

 

이온성 액체가 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 용해한다는 많은 보고가 있다. 이온성 액체를 구성하는 이온이 비교적 크고 자유도가 있는 분자 구조를 가지므로 바이오매스 처리에 적합한 다양한 종류의 이온성 액체가 합성되고 시험 되었다. 또한 이온성 액체는 증기압이 거의 없어 열적으로도 안정성이 있기 때문에 현재의 가격으로 초기 투자는 약간 크지만, 반복 사용이 가능하고 공정 전체로는 저비용으로 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 정제를 실현할 가능성을 가지고 있다. 

 

이온성 액체를 이용한 바이오매스 처리에 관해서는 주로 이미다졸륨계 이온성 액체를 사용한 보고 예가 많다. 또한 최근에는 글루코오스에서 에탄올로 발효할 때 요구되는 효모에 대한 저독성 이온성 액체인 콜린을 양이온으로 이용한 이온성 액체의 이용도 증가하고 있다. 음이온으로는 높은 글루코오스 당화율과 효모에 대한 낮은 독성을 얻은 아세트산콜린이 주목받고 있다.

 

아세트산콜린은 이미다졸륨계 이온성 액체에 비하여 원료가 저렴하며, 또한 전처리 후에 바이오매스로부터 이온성 액체를 제거할 때 바이오매스에 부착되는 경우도 적기 때문에 세정수 처리량을 억제할 수 있는 장점도 있다. 리그노셀룰로오스 정제공정 일련의 예를 그림 8에 나타내었다.

 

이 과정에서 특히 이온성 액체의 재사용 방법과 분리에 의해 얻어진 리그닌 성분의 이용이 중요하다. 셀룰로오스로부터 글루코오스로의 효소 당화 반응이나, 그 후의 에탄올로의 발효 기술에 관해서는 많은 연구가 진행되고 있지만, 그 잔류물로서 최종적으로 회수되는 리그닌 활용에 대해서도 더욱 연구가 필요하다.

 

리그닌은 그림 9에서 보는 바와 같이 페닐프로판을 기본 골격으로 하여 천연에 풍부하게 존재하는 방향족 자원이며, 분자량이 수만에 이르는 거대 고분자이다. 현재 리그닌은 셀룰로오스 펄프 산업에서 흑액으로 대량 발생하고 있지만, 연료로 주로 사용되기 때문에 화학 자원으로의 이용은 거의 없다. 그러나 향후 바이오에탄올의 생산이 진행됨에 따라 부산물로서 리그닌이 대량으로 얻어질 것이기 때문에 리그닌의 효과적인 활용이 고려되어야 한다. 

 

리그닌의 응용 방법으로는 2가지 방향이 있다. 하나는 리그닌의 원래 구조를 살려 고분자 재료로 사용하는 방법이다. 다른 하나는 어떤 방법으로든 저분자화하여 방향족화합물로서 회수하는 방법이다.

 

전자의 고분자로써 사용하는 방법으로는, 예를 들면 페놀수지나 에폭시 수지의 원료로 사용하는 방법이 있다. 공항 활주로 아스팔트에는 에폭시 수지가 50% 정도 섞여 있으며, 이러한 용도로 리그닌 유래 에폭시 수지를 사용하는 것이 중국에서 이루어지고 있다. 리그닌 유래의 에폭시 수지를 사용하면 내후성이 향상된다고 한다. 특히 일반적인 유기용매에 녹지 않는 고분자량의 리그닌 반응을 이온성 액체에 용해시키면 가능할 수 있다. 

 

두 번째 저분자화로는 바닐린산, 카테콜이나 퀴논류의 생성이 있다. 리그닌을 저분자화할 때의 문제점은 얻어진 여러 종류의 방향족 혼합물을 어떻게 사용할지이다. 한가지 해결 방법으로 펄프 공장 폐액에서 분리된 토양세균을 이용하여 디카르복실산을 생성하는 것이 제안되었다. 이 디카르복실산을 원료로 한 바이오 base 고분자(폴리아미드, 폴리에스터, 폴리우레탄 등)가 제조되고 있다. 

 

향후 바이오매스 정제를 실현시키기 위해서는 리그닌의 화학 자원으로의 효과적인 사용에 대한 중요성이 더욱 커질 것이다. 이온성 액체 처리에서 회수되는 리그닌은 강산·강염기에 의해 처리된 것과 분자 구조가 다르고 천연에 가까운 상태의 리그닌이 회수되기 때문이다. 따라서 리그닌을 재료로 사용할 때 새로운 응용 예를 찾아낼 수 있을 것이다.

바이오매스 처리에 이온성 액체를 이용했을 경우 한가지 문제점은 이온성 액체의 재활용이다. 사용 후의 이온성 액체에는 리그닌 성분이나 당류가 용해되어 용매 추출 등에 의해서도 분리할 수 없는 경우가 많다. 이런 경우에는 이온교환막을 이용하여 이온성 액체와 리그닌 또는 당 성분을 분리할 수 있다(그림 10). 이온성 액체의 크기에 따라 분리속도는 다르지만 대략 30분~60분 정도로 분리가 가능하다.

 

4.2 리튬 이차전지 전해질에 사용

 

이온성 액체는 양이온과 음이온 사이의 높은 전기적 인력으로 인해 다른 유기용매에 비하여 보통 높은 점도를 갖는다. 여기서 리튬 이차전지 전해액으로써 리튬 전도성을 갖기 위해서는 반드시 전해액 내에 리튬 염(LiPF6, LiBF4, LiTFSI, LiFSI 등)을 용해시켜야 하며, 추가된 리튬 염은 이온성 액체의 점도를 더 높이게 된다. 주로 이들의 농도는 일반적으로 점도와 전도도를 고려하여 0.1~0.5M 사이로 제어되어야 한다. 

 

일반적 용매들은 염이 없는 상황에서 전도도를 갖지 않지만, 이온성 액체는 용매 자체가 높은 전도도를 갖는다. 그러나 리튬 이차전지의 전해액으로 사용되기 위해서는 높은 리튬이온 전도도만이 의미를 가지는데, 이온성 액체의 리튬 이동도는 보통 30% 미만이다. 리튬 이동도를 높이기 위하여 이온성 액체가 고정되어 있는 고분자 시스템이 제안되었지만, 이는 전체 전해액의 전도도(Li염 + 이온성 액체 전도도)가 낮은 문제점이 있어 실제로 적용되기 어려운 상황이다. 

 

이와 같이 상온 이온성 액체는 높은 전도도를 갖지만, 실제 상용 전지에 사용되는 리튬 염을 포함한 이온성 액체의 리튬 이온전도도는 상용 유기 전해액 전도도의 1/10 미만이다. 낮은 전도도로 인한 높은 고저항을 배제하더라도 이온성 액체의 높은 점도로 고밀도 전극에 적용 시 전극 내 wetting이 저하되어 전지 내 전해질 저항을 높이는 제한 요소로 작용한다.

 

 

이러한 이온성 액체가 갖는 원천적 문제들로 인하여 저점도와 고전도도를 갖는 imidazolium 계열의 양이온들이 리튬 이차전지용 전해액의 후보로서 검토가 되어 왔다. 이 물질은 다른 이온성 액체에 비해 전기화학적 안전성이 크게 나쁘지는 않지만, C-2 위치에 있는 수소가 매우 acidic하여 흑연 표면에서 쉽게 분해되는 문제점을 가지며, 이로 인해 1V vs. Li/Li+에서 전해질 반응이 좋지 않은 것으로 알려져 있다. 또한 전기화학적 안전성이 높아지기는 해도 실제 전지에 사용될 정도로 높은 안전성을 지니고 있지 못한다. 이와 같이 imidazolium 계열의 낮은 환원 안전성으로 인하여 흑연이나 리튬 금속 표면에서 좋은 SEI를 형성하지 못하고 계속적인 부반응이 존재한다. 이때 TFSI나 FSI 음이온이 리튬 금속 표면의 SEI 막에서 이온성 액체 내 리튬 금속의 안전성을 향상시킬 수 있다. 

 

음극의 경우, 이온성 액체는 불안정한 환원 전위창으로 인해 기존의 저전압 소재와 구동에서 성능이 좋지 않지만, 높은 전압에서 작동하는 음극 시스템과 조합에서는 우수한 전지 특성을 보였으며, 특히 TiO2, Li4Ti5O12와 같은 전극 소재와 결합했을 경우 우수한 성능을 나타내었다. 일반 전해액은 전기화학적 안전성이 높음에도 불구하고 열 안전성이 낮아 고온(>120℃)에서 심각한 전해액 부반응을 야기한 반면, piperidinium과 pyrrolidinium의 경우 고온에서도 상대적으로 안정적인 전기화학 특성을 보였다. 

 

전지의 주요 음극 소재인 흑연 표면에서 대부분의 이온성 액체는 SEI를 잘 형성하지 못하며, pyrrolidinium 및 piperidinium뿐만 아니라 trimethyl-N-hexylammonium과 같은 선형 4차 암모늄이온들도 흑연층 내로 co-intercalation 되는 문제를 안고 있다. 이를 위해 흑연 표면에 SEI를 유도할 수 있는 EC나 VC와 같은 첨가제를 사용하거나, 또는 FSI와 같은 특수한 염을 가진 경우에는 초기 충·방전 과정 중에 흑연에 우수한 SEI를 형성하여 전해액으로 사용이 가능하게 한다.

 

이온성 액체는 높은 전기용량 값과 이온전도도를 가지고 있어 이차전지, 태양전지, 바이오 센서 및 슈퍼 커패시터(capacitor) 등의 다양한 전기화학 소자에 응용되고 있다. 이온성 액체를 직접 소자에 적용하기에는 상태가 액체이기 때문에 누액의 위험성이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 이온성 액체에 3차원의 network을 형성하는 고분자를 첨가하여 이온성 액체와 고분자가 갖는 우수한 물성들을 보유한 고체 이온 겔 형태 고분자전해질을 만들 수 있다. 

 

이를 위해서 화학적 가교를 이용한 방법과 물리적 방법이 있으며, 제조된 고분자전해질은 이온성 액체의 높은 전기전도성과 고분자가 지니는 기계적 특성을 유지하면서 열적, 화학적, 전기화학적으로 높은 안정성을 보인다. 그리고 이온성 액체 기반의 고분자전해질을 슈퍼 커패시터에 도입하였을 때, 높은 전기용량과 높은 이온전도도 특성 및 우수한 기계적 특성을 보유한 에너지 저장 소자를 제조할 수 있다. 또한 물성 외에 공정 측면에서도 전기화학 소자의 상업화 및 저비용 소자 제작을 위한 연구가 활발하게 진행 중이다.

 

4.4 산업공정에 적용

 

지금까지 녹는점이 높은 본래 이온성 액체의 공업적 응용으로는 알루미늄 금속과 같은 비철금속의 전해 제련이었으나 최근 저융점 이온성 액체는 더욱 다양한 분야로 응용이 검토되고 있다. 이와 같이 이온성 액체가 현재 활발해진 것은 친환경 화학물질이라는 개념의 등장과 시기를 같이 한 것이 하나의 요인으로 생각된다. 발암성이나 지구 온난화 계수가 높아 환경 부하를 가지고 있는 기존의 유기용매를 대신하여 사용함으로써 제조공정에서 그 부담을 줄일 수 있기 때문에 새로운 반응이나 추출용매로서 이온성 액체의 응용 연구가 활발해진 것으로 추측된다. 

 

이 반응의 부산물로 생성되는 염화암모늄염은 디알콕시페닐포스핀 중에 현탁되어 점도가 높아 교반하기 어려운 슬러리를 만들어 반응수율이 저하되었다. 이 때문에 반응에 의해 생성되는 염화수소를 중화하기 위해 사용하고 있는 트리알킬아민을 N-메틸이미다졸 C1im로 변경하여 암모늄염으로서 이온성 액체인 염화 N-메틸이미다졸륨 C1imHCl(녹는점 75℃)이 생성하도록 하였다. 이에 의해 생성물은 상분리된 액상이 되어 쉽게 분리할 수 있었다.

 

 

이 계에서 음이온은 클로로알루민산 음이온이다. CatCl과 AlCl3의 몰비가 1:1인 중성욕에서는 AlCl4-이온의 형태로 존재하며, 이 음이온으로부터 알루미늄을 환원 석출시킬 수 없다. 음극에서는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 등 유기 양이온의 환원이 일어난다. AlCl3가 1:1보다 과잉으로 존재하는 산성욕(浴)에서 음이온은 AlCl4-이온에 AlCl3 분자가 염소 원자를 통해 가교 결합하여 2량체 음이온인 Al2Cl7-의 형태로 존재하며, 이 계의 음극에서 이 음이온의 환원에 의한 금속 알루미늄의 전석으로 양이온의 환원에 의해 소중한 2V의 전위가 일어난다.

 

이와 같이 상온에서 비교적 평활한 전석이 가능하고, 하지(下地)금속과 합금화가 일어나지 않는 것, 평활성을 향상시키기 위한 첨가제로서 유기계도 포함해 선택의 폭넓은 점이 이온성 액체의 특징이다. 사용하는 이온성 액체가 흡습성으로 가수분해를 받기 쉽다는 점 등의 취급이 어려운 점이 있지만 이온성 액체를 전해질로 이용하여 공업화가 가능한 공정으로서 유망하다고 보인다.

 

4.5 기능재료로의 응용

 

이온성 액체의 기능재료의 응용 전개로는 이미 일부 실용화되고 있는 대전방지제, 윤활제 및 액추에이터의 composite 전해질 등을 들 수 있다. 

 

물질은 전자(-)와 양자(+)로 이루어진 원자로 구성되어 보통은 전기적으로 중성의 상태로 유지되고 있다. 두 물질이 서로 접근해 접촉하면 한 물질에서 전자가 튀어나와 다른 쪽 물질로 이동하며, 그 결과 접촉면에서 전하의 편향이 발생한다. 고분자와 같은 절연재료에서는 이 편향이 해소되지 않아 물질이 떨어지면 정전기 방전이 일어난다. 이 정전기는 먼지의 부착이나 정전 파괴, 도장 인쇄 불량, 생산효율 저하, 발화 원인 등 다양한 문제를 일으킨다. 대전방지제는 이 정전기의 축적을 방지하고 도전성을 높이는 재료이다.

 

대전방지제로는 주로 계면활성제, 무기 필러, 도전성 고분자가 사용되고 있다. 각 대전방지제의 성능 발현 메커니즘을 그림14에 나타내었다. 계면활성제의 경우 수지 표면에 계면활성제가 bleed out하고, 대기 중의 수분을 흡착하여 수분 막을 형성한다. 이 막의 내부에 있는 자유전자에 의해 전하가 중화 및 지연되어 대전 전위가 낮게 억제된다. 단점으로는 습도 의존성과 닦여 나가기 때문에 성능 지속이 어렵다. 무기 필러와 도전성 고분자의 경우는 수지 내에 연속상 또는 network 형성에 의한 도전체 거동으로 대전 전위가 낮게 억제된다. 단점으로서 무기 필러의 경우는 투명성을 손상시켜 외관 불량, 도전성 고분자 경우는 첨가량이 많기 때문에 수지 성능을 유지하기 어려운 문제점이 있다. 이러한 문제에 의해 기존의 대전방지제로는 고성능 요구에 대해 적용의 한계에 부딪힌다.

 

한편, 대전 방지 성능이 우수한 이온성 액체로 고성능이 요구되는 전자부품에 대해 적용할 수 있다. 이온성 액체는 이온만으로 구성되어 분자성 용매의 첨가 없이 높은 이온전도성을 발휘하는 우수한 전기적 특성을 가지고 있다. 이온성 액체의 대전 방지 성능의 발현은 기존 대전방지제의 메커니즘과는 달라서, 수지와의 상용성 정도를 조정하여 수지 표면 부근에 이온성 액체 농도를 편재시키고 수지 표면에 발생한 전하의 편향을 중화함으로써 성능을 발현한다. 이 메커니즘으로 계면활성제의 단점이었던 대전 방지 성능의 습도 의존성을 개선할 수 있다. 또한 수지와의 상용성을 조정함으로써 투명성을 유지하면서 대전 방지 성능을 발현할 수 있으므로 무기 필러나 도전성 고분자의 단점도 개선할 수 있다.

 

일반 윤활유는 유기물질의 분자성 액체이며 고온에서는 증발, 인화 위험성이 있다. 또한 점도를 낮추기 위해 분자량을 작게 하면 증기압이 올라가 필요한 액량을 확보할 수 없는 경우가 있다. 이온성 액체는 분자성 액체의 수십 배에 이르는 강한 이온 간 상호작용에 의해 비휘발성, 난연성이 뛰어나 기존 윤활유가 가진 단점을 극복할 가능성이 있다. 또한 액체 온도 영역이 넓고 증기압이 없어 높은 진공, 우주 등 특수 환경하에서의 용도도 기대할 수 있다. 

 

액추에이터(actuator)는 에너지를 주입하여 신축, 굴신(屈伸), 선회 등 단순한 운동을 하는 디바이스이며, 모터나 엔진 등 지속적으로 동력을 발생시키는 것과는 구별된다. 예를 들어 일정한 조건 하에 시트상태 겔 전해질을 제작하고, 양면에 금속을 증착하여 블로킹 전극으로 하며 시트 수직 방향으로 전압을 가하면 시트의 굴곡이 일어나는 경우가 있다. 전압의 극성을 뒤집으면 반대쪽으로 완곡한다. 운동 메카니즘에는 전해질의 양이온, 음이온의 크기나 수율이 관계하고 있다고 하나 완전히 해명되어 있지는 않다. 이 전해질로서 테트라플루오로붕산부틸메틸이미다졸륨 등의 이온성 액체를 사용하여 전압 응답성이 좋은 액츄에이터가 개발되고 있다. 

 

전압 응답성을 향상시키기 위해 이온을 흡수하는 호스트 물질과 복합화시킨 도전성 폴리머를 전극으로 하는 연구가 이루어지고 있다. 이온성 액체가 비휘발성이기 때문에 용매 고갈을 막기 위한 밀봉이 필요하지 않은 것이 장점으로 생각된다. 특수 환경하에서의 작업 로봇 등으로 응용이 기대되며, 그밖에 열유체나 컴프레서 등의 응용도 검토되고 있다.

 

4.6 기기분석으로의 응용

 

 

그림 20은 리튬이온 전지용 세퍼레이터의 단면 가공·관찰 예이다. 다공질 형태의 절연재료라도 이온성 액체 중에 침지하여 내부까지 이온성 액체를 침투시킬 수 있다. 이 상태에서 FIB(focused ion beam) 가공을 하면 충전 없이 단면 가공 및 SEM 관찰을 할 수 있다. 리튬 전지용 세퍼레이터의 관찰에서 데미지 없이 FIB 가공과 SEM 관찰을 할 수 있다.

 

CO2의 분리·회수는 CO2가 환경으로 방출되는 양을 감소하거나 CO2를 자원화하는데 있어서 매우 중요한 기술이다. CO2를 분리·회수하는 기술은 많은 연구기관이나 기업이 개발하며 여러 가지 방법이 제안되고 있다. 

 

일반적으로 사용되는 아민 수용액을 이용한 화학 흡수법은 실온에서 흡수시킨 CO2를 회수하기 위해 120℃ 가까이 가열할 필요가 있어 흡수액 재생에 큰 에너지 비용이 드는 것이 문제였다. 이 문제를 해결할 수 있는 흡수액으로서 기대되고 있는 용매의 하나가 이온성 액체이다. 이온성 액체는 실온에서 액체가 되도록 분자 구조가 고안된 염으로 유기용매와 달리 휘발성이 매우 낮고 난연성 용매이다. 

 

CO2 분리·회수 공정 설계에 중요한 CO2 회수량에 주목하여, CO2와 용매가 화학 반응하지 않는 물리 흡수에서는 CO2와 흡수액의 상호작용(엔탈피 효과)뿐만 아니라 흡수액 용액 구조의 변화(엔트로피 효과)를 고려한 분자설계가 중요하다. 예를 들어 음이온 전하를 비 편재화하고 이온 간 정전기 상호작용을 약화시킨 테트라시아노보레이트염은 기존 이온성 액체에 비해 엔트로피적인 우위를 나타낸다. 

 

그 CO2 물리 흡수량은 기존 이온성 액체 중에서 가장 많아 CO2 회수량이 상용 물리 흡수액보다 뛰어난 것이 확인되었다. 한편, CO2와 용매가 화학 반응하는 화학 흡수에서는 CO2의 분리·회수를 온도 swing으로 실시한다. 그 때문에 CO2와 흡수액이 반응한 착화합물의 열역학적 안정성을 제어하여 CO2 흡수량의 온도의존성을 크게 하는 것이 중요하다. 이와 같이 이온성 액체의 설계기술을 활용하여 기존의 고분자막 보다 CO2 선택률이 높고, CO2 분리속도가 빠른 이온 액체막을 개발하는 것이 가능하다. 

 

5. 맺음말

 

이온성 액체의 연구개발이 활발해진 지 벌써 4반세기를 지나고 있으며, 그동안 많은 기초연구, 응용 연구가 축적되어 그 특이적인 구조나 물성에 대해 다양한 지식이 쌓아져 왔다. 낮은 증기압, 우수한 열특성, 전기화학적 안정성, 높은 전기용량과 이온전도도를 가지고 여러 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 향후 응용에 관한 연구 분야도 비약적으로 확대될 것으로 기대된다. 

 

현재까지는 우수한 물성과 응용 잠재성에도 불구하고 산업적으로는 그 사용량에 있어서 실용화가 다소 더디게 진행되고 있다. 향후 이온성 액체가 큰 시장을 형성하기 위해서는 제조공정에서의 저비용화가 과제가 될 것으로 생각된다.