표제지 1
목차 3
요약 13
1장 서론 17
1.1. 연구 배경 및 필요성 17
1.2. 연구 목표 19
2장 산 첨가 침전 방법을 이용한 리그닌의 분리 및 특성 연구 21
2.1. 크라프트 흑액에서 산 처리를 통한 리그닌의 분리 21
2.2. 고온·고압수 당화 잔사물에서 리그닌의 분리 22
2.3. 리그닌의 물리·화학적 특성 분석 22
2.3.1. 리그닌 수율 및 함량 분석 22
2.3.2. 리그닌의 분자량 분석 23
2.3.3. 리그닌의 화학구조 분석 23
2.3.4. 리그닌의 물리적 특성 분석 24
2.4. 결과 및 고찰 24
2.4.1. 리그닌 수율 및 함량 24
2.4.2. 리그닌의 분자량 25
2.4.3. 리그닌의 화학적 특성 27
2.4.4. 리그닌의 물리적 특성 30
2.5. 결론 30
3장 응집제 처리 방법을 이용한 리그닌의 분리 및 특성 연구 33
3.1. 크라프트 흑액에서 응집제 처리를 통한 리그닌의 분리 33
3.2. 응집제 처리 리그닌의 물리·화학적 특성 분석 34
3.2.1. 응집제 처리 리그닌 수율 분석 34
3.2.2. 응집제 처리 리그닌의 분자량 분석 34
3.2.3. 응집제 처리 리그닌의 화학적 특성 분석 35
3.2.4. 응집제 처리 리그닌의 물리적 특성 분석 36
3.2.5. 통계 분석 36
3.3. 결과 및 고찰 36
3.3.1. 응집제 처리 리그닌 수율 36
3.3.2. 응집제 처리 리그닌의 분자량 39
3.3.3. 응집제 처리 리그닌의 화학적 특성 40
3.3.4. 응집제 처리 리그닌의 물리적 특성 44
3.4. 결론 45
4장 갯버들 목분에서 이온성 액체를 이용한 리그닌 분리·정제 연구 47
4.1. 갯버들 목분에서 이온성 액체를 통한 리그닌의 분리 47
4.2. 갯버들 목분 ILL의 물리·화학적 특성 분석 47
4.2.1. 갯버들 목분 ILL의 분자량 분석 47
4.2.2. 갯버들 목분 ILL의 화학적 특성 분석 48
4.3. 결과 및 고찰 48
4.3.1. 갯버들 목분 ILL의 수율 48
4.3.2. 갯버들 목분 ILL의 분자량 51
4.3.3. 갯버들 목분 ILL의 화학적 특성 52
4.4. 결론 56
5장 신갈나무 목분에서 이온성 액체를 이용한 리그닌 분리·정제 연구 59
5.1. 신갈나무 목분에서 이온성 액체를 통한 리그닌의 분리 59
5.2. 신갈나무 목분 ILL의 물리·화학적 특성 분석 60
5.2.1. 신갈나무 목분 ILL의 분자량 분석 60
5.2.2. 신갈나무 목분 ILL의 화학적 특성 분석 61
5.3. 결과 및 고찰 61
5.3.1. 신갈나무 목분 ILL의 수율 61
5.3.2. 신갈나무 목분 ILL의 분자량 64
5.3.3. 신갈나무 목분 ILL의 화학적 특성 66
5.4. 결론 69
6장 리그닌의 염화지방산 에스터화 연구 71
6.1. 이온성 액체로 추출한 리그닌의 지방산 에스터화 리그닌 제조 71
6.2. 지방산 에스터화 리그닌의 물리·화학적 특성 분석 72
6.2.1. 지방산 에스터화 리그닌의 분자량 분석 72
6.2.2. 지방산 에스터화 리그닌의 화학적 특성 분석 72
6.3. 지방산 에스터화 리그닌을 이용한 캐스팅 필름 제조 72
6.4. 지방산 에스터화 리그닌을 이용한 캐스팅 필름의 특성 분석 72
6.5. 결과 및 고찰 73
6.5.1. 지방산 에스터화 리그닌의 분자량 73
6.5.2. 지방산 에스터화 리그닌의 화학적 특성 75
6.5.3. 지방산 에스터화 리그닌을 이용한 캐스팅 78
6.6. 결론 81
7장 리그닌을 활용한 전기전도성 소재 제조 연구 85
7.1. 리그닌/폴리피롤 공중합체 제조 85
7.2. 리그닌/폴리피롤 공중합체의 물리·화학적 특성 분석 86
7.3. 리그닌/폴리피롤 공중합체의 전기·화학적 특성 분석 86
7.4. 결과 및 고찰 87
7.4.1. 리그닌/폴리피롤 공중합체 제조 87
7.4.2. 리그닌/폴리피롤 공중합체의 물리·화학적 특성 88
7.4.3. 리그닌/폴리피롤 공중합체의 전기·화학적 특성 89
7.5. 결론 92
8장 리그닌 기반 분말상 탄소 전극 소재 제조 연구 95
8.1. 리그닌-PAN 공중합체 기반 분말상 탄소 소재 제조 95
8.2. 리그닌-PAN 공중합체 기반 분말상 탄소 소재의 물리적·화학적 도핑 처리 97
8.3. 리그닌-PAN 공중합체 기반 분말상 탄소 소재의 특성 분석 97
8.3.1. 리그닌-PAN 공중합체의 특성 분석 97
8.3.2. 리그닌-PAN 공중합체 기반 분말상 탄소 소재의 구조적 특성 분석 98
8.3.3. 리그닌-PAN 공중합체 기반 분말상 탄소 소재의 전기·화학적 특성 분석 98
8.4. 결과 및 고찰 99
8.4.1. 리그닌-PAN 공중합체의 특성 99
8.4.2. 리그닌-PAN 공중합체 기반 탄소 소재의 구조적 특성 101
8.4.3. 리그닌-PAN 공중합체 기반 분말상 탄소 소재의 전기·화학적 특성 106
8.5. 결론 110
9장 고효율 에너지 저장용 리그닌 기반 나노탄소섬유시트 전극 소재화 연구 113
9.1. 리그닌-PAN 공중합체 기반 전기방사시트 제조 113
9.2. 리그닌-PAN 공중합체 기반 나노탄소섬유시트(KL-NCFS) 제조 114
9.3. 이종원소 도핑 KL-NCFS 제조 115
9.4. KL-NCFS 전극 소재의 특성 분석 117
9.4.1. KL-NCFS 전극 소재의 구조적 특성 분석 117
9.4.2. KL-NCFS 전극 소재의 전기·화학적 특성 분석 118
9.4.3. 코인셀 조립 조건에 따른 KL-NCFS 전극 소재의 전기·화학적 특성 분석 119
9.4.4. 통계 분석 120
9.5. 결과 및 고찰 121
9.5.1. 리그닌-PAN 공중합체 기반 전기방사시트 제조 121
9.5.2. 리그닌-PAN 공중합체 기반 나노탄소섬유시트(KL-NCFS) 제조 122
9.5.3. KL-KCFS 전극 소재의 구조적 특성 122
9.5.4. KL-NCFS 전극 소재의 전기·화학적 특성 123
9.5.5. 이종원소 도핑 KL-NCFS 제조 125
9.5.6. 이종원소 도핑 KL-NCFS의 구조적 특성 125
9.5.7. 이종원소 도핑 KL-NCFS 전극 소재의 전기·화학적 특성 126
9.5.8. 붕산 처리 농도에 따른 B-KL-NCFS의 제조 128
9.5.9. B-KL-NCFS 전극 소재의 구조적 특성 128
9.5.10. B-KL-NCFS 전극 소재의 전기·화학적 특성 130
9.5.11. 코인셀 조립 조건에 따른 KL-NCFS 전극 소재의 전기·화학적 특성 135
9.6. 결론 146
10장 참고문헌 149
국립산림과학원 연구보고 목록 162
판권기 180
뒷표지 182
표 2-1. 산의 종류 및 pH에 따른 크라프트 리그닌 수율 24
표 2-2. 산 순차 처리 침전법에 사용한 산의 종류 및 pH에 따른 리그닌 수율 25
표 2-3. 산의 종류 및 pH에 따른 크라프트 펄핑 리그닌과 당화잔사 리그닌의 분자량 분포 26
표 2-4. 산 순차 처리 침전법으로 회수한 리그닌의 분자량 26
표 2-5. 산의 종류 및 pH에 따른 크라프트 펄핑 리그닌과 당화잔사 리그닌의 원소함량 27
표 2-6. 산의 종류 및 pH에 따른 화학펄핑 리그닌과 당화잔사 리그닌의 수산기 함량 28
표 2-7. 산 순차 처리 침전법으로 회수한 리그닌의 수산기 함량 29
표 3-1. 40% 흑액과 물을 1:1로 희석한 흑액의 특성 33
표 3-2. 흑액에서 리그닌 응집 회수를 위한 응집제 처리 조건 34
표 3-3. 응집제 처리를 통해 분리한 리그닌 수율 37
표 3-4. 응집제 처리 조건에 따라 회수된 리그닌의 중량 38
표 3-5. 염산 처리 전·후의 응집제 처리 리그닌의 질량 변화 39
표 3-6. 응집제 처리 리그닌의 분자량 40
표 3-7. 염산 처리 후의 응집제 처리 리그닌의 원소 조성 41
표 3-8. ³¹P NMR 분석에 따른 응집제 처리 리그닌의 수산기 함량 41
표 3-9. 응집제 처리 리그닌과 KL의 FT-IR 피크 주파수 정보 43
표 4-1. 갯버들 목분 ILL의 분자량 52
표 4-2. 갯버들 목분 ILL과 Klason 리그닌에서 나타나는 FT-IR 피크의 주파수 정보 53
표 4-3. 갯버들 목분 ILLs의 메톡실기 함량 55
표 4-4. 갯버들 목분 ILLs의 관능기 특성 55
표 5-1. [EMIM]Ac 용매에서 추출온도에 따른 ILL의 분자량과 분산도 65
표 5-2. 140℃ 추출온도에서 이온성 액체에 따른 ILL의 분자량과 분산도 65
표 5-3. 신갈나무 목분 ILL과 크라프트 리그닌에서 나타나는 FT-IR 피크의 주파수 정보 66
표 5-4. [EMIM]Ac를 사용하여 120℃와 140℃에서 추출한 ILL의 메톡실기 함량 69
표 5-5. ILL의 수산기 및 메톡실기 함량 69
표 6-1. KL과 지방산 에스터화 KL의 분자량과 분산도 74
표 6-2. KL과 지방산 에스터화 ILL의 분자량과 분산도 74
표 8-1. 리그닌-PAN 공중합체와 MeKL의 분자량 100
표 8-2. KL-PAN 탄소 소재의 물리·화학적 활성화 처리 조건에 따른 비표면적 102
표 8-3. KL, KOH로 활성화 처리한 KL과 요오드(I2) 도핑한 KL의 EDS 분석 105
표 8-4. KL-KA7의 요오드 및 황 도핑 처리에 따른 중량 변화 108
표 8-5. 요오드 및 황 도핑한 KL-KA7의 EDS 분석 109
표 8-6. 요오드 및 황 도핑한 KL-KA7의 전기전도도와 비저항 109
표 9-1. XPS 분석 조건 118
표 9-2. KL-NCFS와 Act-KL-NCFS 표면 원소 조성 123
표 9-3. 열안정화 시트, KL-NCFS와 Act-KL-NCFS의 전기전도도와 비저항 측정 결과 124
표 9-4. B-KL-NCFS I, II, III 및 P-KL-NCFS의 표면 원소 조성 126
표 9-5. B-KL-NCFS II와 P-KL-NCFS의 전기전도도 및 비저항 측정 결과 127
표 9-6. SEM-EDS를 이용한 붕산 처리 농도별 나노탄소섬유시트의 표면 원소 조성 129
표 9-7. 붕소 처리 농도에 따른 B-KL-NCFS 전극의 비축전용량, 에너지밀도, 전력밀도 135
표 9-8. 슈퍼커패시터 종류 및 특성 136
표 9-9. 수계 전해질(1 M Na₂SO₄)에서 분리막과 스페이서 조합에 따른 비축전용량 137
표 9-10. 유기용매 전해질에서 분리막과 스페이서 조합에 따른 비축전용량 139
표 9-11. 동일 시트로 제조한 KL-NCFS와 B-KL-NCFS 코인셀 전극의 두께와 무게 142
표 9-12. 유기용매 전해질에서 분리막과 스페이서 조합에 따른 최대 비축전용량 143
그림 2-1. 산 순차 처리 침전 방법을 이용한 리그닌 분리·회수 모식도 21
그림 2-2. 산 종류 및 pH에 따른 리그닌의 열 특성 30
그림 3-1. 응집제 처리 조건에 따른 pH 별 침전된 리그닌 회수량 37
그림 3-2. 응집제 처리 조건에 따른 상등액의 COD 감소율 38
그림 3-3. 응집제 처리 리그닌(a)과 Ac-KL(b)의 GPC 크로마토그램 40
그림 3-4. 응집제 처리 리그닌의 ³¹P NMR 스펙트라 42
그림 3-5. 응집제 처리 리그닌과 KL의 FT-IR 스펙트라 43
그림 3-6. 응집제 처리 리그닌과 KL의 TGA(좌) 및 DTG(우) 써모그램 44
그림 4-1. 아세톤/물 용매의 가용분의 색상 변화 49
그림 4-2. 이온성 액체 처리온도에 따른 아세톤/물 (1/1, v/v) 용매에서 가용분 수율 49
그림 4-3. 아세톤/물 (1/1, v/v) 용매에서 처리시간에 따른 가용분 수율 50
그림 4-4. 처리온도가 갯버들 목분 ILL 수율에 미치는 영향 50
그림 4-5. 처리시간이 갯버들 목분 ILL 수율에 미치는 영향 51
그림 4-6. 갯버들 목분의 GPC 크로마토그램 52
그림 4-7. 갯버들 목분 ILLs와 Klason 리그닌의 FT-IR 스펙트라 53
그림 4-8. 갯버들 목분 ILLs의 1H-NMR 스펙트라 54
그림 4-9. GC/FID를 이용한 메톡실기 정량 분석을 위한 내부표준물질의 검량선 55
그림 5-1. 이온성 액체 추출에 의한 리그닌 단리 모식도 60
그림 5-2. 이온성 액체 처리온도에 따른 아세톤/물 (1/1, v/v) 용매에서 가용분 수율 62
그림 5-3. [EMIM]Ac에서 추출온도에 따른 ILL의 수율 변화 63
그림 5-4. 이온성 액체 종류에 따른 ILL의 수율 변화 63
그림 5-5. 크라프트 리그닌과 추출온도에 따른 신갈나무 목분 ILLs의 GPC 크로마토그램 64
그림 5-6. 이온성 액체 종류에 따른 신갈나무 목분 ILLs의 GPC 크로마토그램 65
그림 5-7. [EMIM]Ac을 이용하여 추출한 신갈나무 목분 ILL과 KL의 FT-IR 스펙트라 67
그림 5-8. 이온성 액체 종류에 따른 신갈나무 목분 ILL의 FT-IR 스펙트라 67
그림 5-9. [EMIM]Ac를 사용하여 추출한 ILL의 1H-NMR 스펙트라 68
그림 6-1. 3 종류의 염화지방산을 이용한 에스터화 KL 제조 71
그림 6-2. KL과 지방산 에스터화 KL의 GPC 크로마토그램 73
그림 6-3. KL과 지방산 에스터화 ILL의 GPC 크로마토그램 74
그림 6-4. KL과 지방산 에스터화 KL의 FT-IR 스펙트라… 75
그림 6-5. KL과 지방산 에스터화 ILL의 FT-IR 스펙트라… 76
그림 6-6. 무처리 KL과 지방산 에스터화 KL의 ¹H-NMR 스펙트라 77
그림 6-7. 세 종류의 염화지방산(0.5eq)으로 에스터화 된 KL과 0.5와 0.7eq PC-C₁₆으로 에스터화 된 KL의 ¹H-NMR 스펙트럼 77
그림 6-8. 세 종류의 염화지방산(0.5eq)으로 에스터화 된 ILL의 ¹H-NMR 스펙트럼 78
그림 6-9. KL과 PLA 및 PBS를 혼합하여 제조한 캐스팅 필름 78
그림 6-10. KL/PLA/LC-C₁₂ 에스터화 KL을 이용하여 제조한 캐스팅 필름 79
그림 6-11. neat PLA, KL/PLA(1/9), KL/PLA(3/7) 필름의 SEM 사진 79
그림 6-12. PLA, KL/PLA(1/9), KL/PLA(3/7)과 KL/PLA/지방산 에스터화 KL(9:90:1) 캐스팅 필름의 AFM 사진 80
그림 6-13. neat PLA, KL/PLA (1/9), KL/PLA (3/7) 필름의 인장강도, 탄성률, 신장률 80
그림 6-14. PLA, KL/PLA(1:9), 지방산 에스터화 KL의 TGA 써모그램 81
그림 7-1. 2F-KL/PPy 공중합체 합성 모식도 86
그림 7-2. 2F-KL/PPy 공중합체 (a)공중합 반응 전 (b)공중합 반응 후… 87
그림 7-3. KL, 2F-KL과 2F-KL/PPy 공중합체의 FT-IR 스펙트라 88
그림 7-4. KL, 2F-KL과 2F-KL/PPy 공중합체의 TGA 써모그램 89
그림 7-5. 2F-KL/PPy와 요오드 도핑 2F-KL/PPy 코인셀의 다양한 주사 속도(5~100 mV·s⁻¹)에서 측정한 CV 곡선 90
그림 7-6. 2F-KL/PPy와 요오드 도핑 2F-KL/PPy 코인셀의 주사 속도에 따른 비축전용량 91
그림 7-7. 정전류 충·방전 곡선 (a)2F-KL/PPy 코인셀 (b)요오드 도핑 2F-KL/PPy… 92
그림 8-1. 리그닌-PAN 공중합체 제조 모식도 96
그림 8-2. 리그닌 기반 분말상 탄소 소재 제조 모식도 97
그림 8-3. 리그닌-PAN 공중합체 탄소 전극의 voltammetry cell 제조 과정 99
그림 8-4. MeKL과 리그닌-PAN 공중합체의 GPC 크로마토그램 100
그림 8-5. 리그닌-PAN 공중합체와 MeKL, PAN의 FT-IR 스펙트라 101
그림 8-6. KL 및 KL-KA6~9의 질소 흡·탈착 그래프 103
그림 8-7. KL 및 KL-KA6~9의 BJH 그래프 104
그림 8-8. KL과 KL-KA6~9의 MP와 NLDFT 그래프 104
그림 8-9. KL과 KL-KA6~9의 SEM 사진 106
그림 8-10. KL-KA6~9의 순환 전압-전류(CV) 곡선 107
그림 8-11. 탄화 및 활성화 처리한 리그닌-PAN 공중합체 탄소 전극의 CV 곡선과 충·방전 곡선 107
그림 8-12. 요오드 및 황 도핑한 KL-KA7의 SEM 사진 108
그림 9-1. 리그닌 기반 에너지 저장 소재 연구개발 모식도 113
그림 9-2. 전기방사법을 이용한 리그닌-PAN 공중합체 전기방사시트 제조 114
그림 9-3. 활성화 처리한 KL-NCFS 제조 과정 115
그림 9-4. 이종원소 도핑 KL-NCFS 제조 실험 모식도 116
그림 9-5. B-doped KL-NCFS 제조 과정 117
그림 9-6. KL-NCFS를 전극으로 사용한 coin cell 제조 과정 119
그림 9-7. 코인셀 조립에 사용한 전해질, 스페이서, 분리막 종류 120
그림 9-8. a)정상적인 전기방사시트 표면과 b)뭉쳐진 방울이 떨어진 전기방사시트 표면 121
그림 9-9. KL-NCFS 제조 과정 중 시트의 치수 변화 122
그림 9-10. KL-NCFS와 Act-KL-NCFS의 SEM 사진 123
그림 9-11. KL-NCFS와 Act-KL-NCFS의 CV 곡선과 충·방전 곡선 124
그림 9-12. B-KL-NCFS I, II, III 및 P-KL-NCFS의 SEM 사진 125
그림 9-13. B-KL-NCFS II와 P-KL-NCFS의 CV 곡선과 충·방전 곡선 127
그림 9-14. SEM-EDS를 이용한 붕산 처리 농도별 나노탄소섬유시트의 SEM 사진 128
그림 9-15. 붕소 도핑 나노탄소섬유시트의 XPS 스펙트럼 130
그림 9-16. 붕소 도핑 나노탄소섬유시트 표면의 붕소-탄소, 붕소-질소 결합 에너지를 나타낸 XPS 스펙트럼 130
그림 9-17. 붕소 처리 농도에 따른 B-KL-NCFS 전극의 TEABF₄ 전해질에서의 CV 곡선과 충·방전 사이클 곡선 133
그림 9-18. 붕소 처리 농도에 따른 B-KL-NCFS 전극의 LiPF₆ 전해질에서의 CV 곡선과 충·방전 사이클 곡선 134
그림 9-19. 수계 전해질(1 M Na₂SO₄)에서 분리막 및 스페이서 조건에 따른 CV 곡선 138
그림 9-20. 유기계 전해질에서 분리막 및 스페이서 조건에 따른 CV 곡선 140
그림 9-21. 코인셀 전극용으로 재단한 KL-NCFS 전극 사진 141
그림 9-22. 유기계 전해질(LiPF₆)에서 CV 곡선 및 충·방전 시험 143
그림 9-23. 리그닌 기반 탄소 전극의 에너지밀도와 충·방전 횟수에 따른 효율 성능 비교 144
그림 9-24. 에너지밀도와 전력밀도에 대한 Ragone plot에서 B-KL-NCFS 전극의 성능 145