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본 발명은 이산화탄소 분리 성능이 향상된 나노복합 중공사 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 다공성 지지체 내부에 poly(1-vinyl imidazolium) (PVI)을 함침한 후, 계면중합(interfacial polymerization)을 이용하여 이온성 액체 기능화 양자점(ionic liquid-functionalized quantum dots, IL-QDs)과 개질 그래핀 산화물(modified graphene oxide, mGO)을 layer-by-layer 방식으로 적층하여 나노복합 분리막을 제조하였다. 또한, 150 ℃ 열처리를 통해 PVI를 triazine 구조로 전환시켜 고분자 사슬 재배열을 유도함으로써 자유부피(free volume) 및 이산화탄소 흡착 부위를 증가시켜 이산화탄소의 용해 및 확산 특성을 향상시켰다. 아울러, IL-QDs는 mGO 층간의 비가역적 π–π 적층을 억제하는 nano-spacer 역할을 수행하여 연속적인 이산화탄소 친화적 전달 경로를 형성하였다. 그 결과, 본 발명의 분리막은 높은 이산화탄소 투과도 및 우수한 CO₂/N₂ 선택도를 나타내었으며, 다양한 공급 압력 조건에서도 안정적인 촉진수송(facilitated transport) 특성을 유지하였다. 따라서 본 발명은 저압 조건에서 연속 운전이 가능한 고효율 탄소포집용 분리막 기술을 제공할 수 있다.