KR101293738B1 - 광 발광 탄소 나노점 제조 방법 - Google Patents

Abstract

광 발광 탄소 나노점 제조 방법이 개시된다.
상기 광 발광 탄소 나노점 제조 방법은, 시료를 준비하여 건조시키는 단계; 상기 시료를 회화하는 단계; 상기 회화된 시료를 용매로 추출하는 단계; 상기 추출된 시료를 여과하는 단계; 상기 여과된 시료를 농축하는 단계; 상기 시료를 물에 용해하는 단계; 및 상기 용해된 시료를 동결 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 시료는, 음식물 쓰레기 잔사 또는 동물 배설물인 것이 바람직하다.

Description

광 발광 탄소 나노점 제조 방법{FABRICATION OF PHOTO-LUMINISCENT CARBON NANO-DOTS}

본 발명은 광 발광 탄소 나노점 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 음식물 쓰레기 잔사 또는 동물의 배설물을 이용하여 광 발광 탄소 나노점을 제조하는 방법에 관한 것이다.

발광 나노 물질은 통상 나노점(nano dot)으로 불리고, 나노 미터(nm) 수준의 입자 크기에서 특정한 발광 현상을 나타내는 물질을 의미하며, 각각의 특성에 따라 감지용(sensing), 화상 형성용(imaging), 태양 전지용(solar), 광학 장치 등으로 이용되고 있고, 특히 세포 영상화에 기대가 큰 물질로서 향후 그 이용 가치가 더욱 커질 것으로 예측되고 있다.

현재 널리 사용되고 있는 CdS 또는 CdSe로 형성된 발광 나노 물질은 물질 자체의 중금속 독성 때문에, 생물용, 특히 의료용으로 사용하기에는 많은 문제가 있었다.

한편, 실리콘(Si) 반도체 양자점(quantum dots)의 경우, 생물학용 또는 의료용으로 사용할 때의 생물 독성에 대해서는 안전한 특성을 보였지만, 발광 안정성이 뛰어나지 못하다는 단점이 있었다.

다른 한편, 금(Au) 나노점(nano dots)이나 은(Ag) 나노점(nanoclusters)은 제조시의 비용과 관련한 경제적인 문제가 있었다.

즉, 생물학 용도로 사용할 수 있을 정도로 안전하고 장시간 발광 안정성을 나타내면서도 경제적으로 유리한 발광 나노 물질에 대한 수요가 있었다.

이와 관련하여, 발광성 탄소 나노점(carbon nanodots, 이하 C-DOT라고도 함)은 CdS 또는 CdSe로 형성되는 발광 나노점에 비하면 Φ값(광 발광 방출 스펙트럼 측정값)은 낮지만, 저렴한 가격과 화학적, 광학적, 생체적 안정 측면에서 주목받고 있다.

그러나, 종래 탄소 나노점을 획득하려는 경우, PEG(Poly Ethylene Glycol)와 같은 용매 또는 강산 등을 필요로 하거나, 고온 고압 불활성 기체 하에서의 레이저 박리(laser ablation) 기법 등을 필요로 하였다.

따라서, 더욱 경제적인 방법으로 더욱 간단하게 광 발광 탄소 나노점을 제조할 필요가 있었다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 발광 탄소 나노점 제조 방법과 관련한 배경 기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0059066호(2007년 06월 11일 공개)에 개시된 코팅된 수용성 나노 입자가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 생물학적으로 안전하고 발광 안정성이 우수하면서도 경제적으로 유리한 광 발광 탄소 나노점 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 발광 탄소 나노점 제조 방법은, 시료를 준비하여 건조시키는 단계; 상기 건조시킨 시료를 회화하는 단계; 상기 회화된 시료를 교반하면서 용매로 추출하는 단계; 상기 추출된 시료를 여과하는 단계; 상기 여과된 시료를 농축하는 단계; 상기 시료를 물에 용해하는 단계; 및 상기 용해된 시료를 동결 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 시료는, 음식물 쓰레기 잔사 또는 동물 배설물인 것이 바람직하다.

이때, 상기 시료의 건조는 햇빛에 의할 수 있다.

또한, 회화는, 300 ℃ ~ 600 ℃의 온도에서, 2 ~ 3 시간 동안 진행되는 것이 바람직하며, 교반은, 10 ~ 30 분간 진행되는 것이 바람직하다.

또한, 여과는, 필터지를 이용한 감압 여과에 의해서 수행될 수 있다.

상기 감압 여과 이후에, 막 여과기(membrane filter)를 이용한 여과 단계를 더 수행하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 막 여과기의 눈의 크기는 0.22 ㎛일 수 있다.

또한, 용매는, 물, 알코올, 에탄올, 에테르 중 하나인 것이 바람직하며, 알코올인 것이 가장 바람직하다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술되어 있을 수 있음을 알아야 한다.

이상과 같은 바람직한 본 발명의 실시예에 따르면, 생물학적으로 안전하고 발광 안정성이 우수하면서도 경제적으로 유리한 광 발광 탄소 나노점을 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 광 발광 탄소 나노점 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 얻은 광 발광 탄소 나노점 여과액의 실제 형광 실험 결과를 나타낸 사진으로, 도 2의 (a)는 가시 광선 하에서의 실험 결과를, 도 2의 (b)는 UV 파장(324 nm)에서의 실험 결과이다.
도 3은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 얻은 광 발광 탄소 나노점의 흡광 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 일반 음식물 쓰레기로부터 얻은 광 발광 탄소 나노점의 다양한 여기 파장에서의 광발광 반응 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 동물 배설물로부터 얻은 광 발광 탄소 나노점의 다양한 여기 파장에서의 광발광 반응 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 음식물 쓰레기 잔사는, 근래의 친환경 운동의 여파로, 분리 수거되고 있지만, 수거량이 상당히 많기 때문에 그 처리가 곤란한 실정에 처해 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 발광 탄소 나노점 제조 방법에서는, 원료 물질로서, 상기 처리 곤란인 음식물 쓰레기 잔사를 이용하고 있다는 점을 알아야 한다.

도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 광 발광 탄소 나노점 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 발광 탄소 나노점 제조 방법은, 시료 건조 단계(S100), 회화 단계(S110), 용매로 추출하는 단계(S120), 여과 단계(S130), 발광 확인 단계(S140), 농축 단계(S150), 물에 용해하는 단계(S160), 및 동결 건조하는 단계(S170)를 포함하고 있다.

시료 건조

시료 건조 단계(S100)는, 음식물 쓰레기 잔사를 전처리하는 단계에 해당하는 단계이다.

음식물 쓰레기 잔사에는 상당량의 수분이 존재하는 바, 이 수분은 부패를 촉진시키고 아울러 악취의 원인이 되며, 본 발명의 바람직한 실시예에서의 각종 반응에도 관여하기 때문에 일차적으로 건조시켜 두는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 음식물 쓰레기 잔사의 최초 80 %의 수분 함량이 최종적으로 1 % 미만이 될 때까지 건조시켰다.

건조에 들어가는 비용의 절감을 위해서, 햇빛에 의한 자연 건조를 수행하는 것이 가장 바람직하지만, 건조 방법으로는 가열 건조도 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 잘 알 것이다.

이때, 건조가 종료되면, 후속하는 단계에서의 처리를 용이하게 하기 위해서, 분쇄기를 사용하여 건조된 시료를 분쇄하여 두는 것이 바람직한데, 구체적인 시료의 분쇄는 시판 중인 분쇄기를 이용하는 것으로도 충분하다.

회화

회화 단계(S110)는, 가장 바람직하게는 600 ℃에서 2 ~ 3 시간 정도 수행하는 회화 단계를 말한다.

여기에서, 회화는 회화로를 이용하였다. 구체적으로는, 건조된 음식물 쓰레기 잔사를 300 내지 600 ℃, 바람직하게는 600 ℃에서 적어도 2 시간에서 길게는 3 시간 동안 대기 중 하소(calcination) 시킨 후, 상온까지 냉각시켰다.

상기 회화 온도가 300 ℃ 미만인 경우 회화가 적절하지 않을 수 있으며, 상기 회화 온도가 600 ℃를 초과하게 되면, 건조된 음식물 쓰레기 잔사가 타 버릴 우려가 있다.

용매로 추출

용매로 추출하는 단계(S120)는, 상기 하소 후에 냉각시킨 음식물 쓰레기 잔사에 알코올을 투입하고, 적어도 10 분 동안 교반시키는 단계이다.

이때, 투입되는 알코올의 양(기준: L)은 음식물 쓰레기 잔사의 양(기준: g) 대비 5 배 내지 10 배 정도가 바람직하다.

5 배 미만인 경우에는 음식물 쓰레기 잔사 중에서 용매인 알코올로 추출되는 비율이 낮아지고, 10 배 초과인 경우에는 용매인 알코올만 불필요하게 많이 소모하게 된다.

구체적인 예를 들면, 하소 전 건조한 쓰레기 잔사 200 g에 대해서, 하소 후 알코올 투입 양은 1 ~ 2 L를 첨가하는 것이 가장 바람직하다.

교반 시간은 하소된 쓰레기 잔사가 충분히 교반될 수 있도록 적어도 10 분간 수행하는 것이 바람직하며, 에너지 소비를 감안하였을 때 상기 교반 시간은 최대 30 분 정도가 바람직하다.

상기 용매로는, 물, 알코올, 에탄올, 에테르 중 하나를 사용할 수 있으며, 상술한 바와 같이, 알코올을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

여기에서, 추출에 사용되는 용매는 그 특성상 극성을 가진 물부터 비극성을 가진 에테르 등으로 나눌 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 C-DOT를 제조할 때 이들 용매 모두를 사용할 수 있다.

다만, 여러 가지 용매 중, 알코올은 손쉽게 구입할 수 있고 극성과 비극성의 성향을 동시에 가지기 때문에, 가장 많은 C-DOT을 얻을 수 있으므로, 용매로서는 알코올을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

여과

여과 단계(S130)는, 용매로 교반된 음식물 쓰레기 잔사에 대해서, 필터지를 사용하여 감압 여과하는 단계, 및 막 여과기(membrane filter)를 이용한 여과 단계를 포함한다.

먼저, 필터지를 사용한 감압 여과는, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 알 수 있는 기술이라 판단되어 그 설명을 생략한다.

다음으로, 막 여과기를 이용한 여과 단계에서는, 0.22 ㎛ 규격의 막 여과기를 사용하였다. 상기 막 여과기의 여과 눈의 크기는 더 작은 것을 사용하여도 되지만, 눈의 크기가 0.22 ㎛ 이상인 막 여과기를 사용하는 것은 바람직하지 않다.

발광 확인

발광 확인 단계(S140)는, 이와 같이, 막 여과기를 사용하여 여과한 음식물 쓰레기 잔사 여과액에 대해서 UV 램프(파장: 324 nm)를 사용하여 발광하는지를 확인하는 단계이다.

이에 대해서는, 도 2를 참조하여 후술한다.

농축

농축 단계(S150)는, 상기 여과액을 회전식 농축 장치(Rotary Evaporator)(모델명: R1110, 제조사: Eyela, 제조국: 일본)를 사용하여 농축하는 단계이다.

본 농축 단계에서는 용액 상태의 상기 여과액 내의 C-DOT을 고체화시키기 위하여, 상기 여과액 내의 용매를 모두 제거하는 것이 바람직하다.

물에 용해

물에 용해하는 단계(S160)는, 상기 농축되어 고체화된 시료에 물, 바람직하게는 증류수를 첨가하여 녹이는 단계이다.

여기에서, 시료를 물에 녹이는 이유는 상기 농축되어 고체화된 시료를 후속하는 동결 건조 단계에서 동결 건조하기 위한 것임을 알아야 한다.

본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 동결 건조시 물 이외의 다른 용매를 사용하게 되면 동결 건조용 진공 펌프에 문제를 야기시킬 수 있다는 점을 잘 알 것이며, 따라서 후술하는 동결 건조를 위해서 물 이외에 다른 용매의 사용은 제한될 수 있다는 것에 대해서도 잘 알 것이다.

동결 건조

동결 건조하는 단계(S170)는, 동결 건조기를 사용하여, 상기 시료 내의 수분을 모두 제거하고, 분말상의 탄소 나노점을 합성하는 단계이다.

본 동결 건조 단계에서의 동결 건조 조건은, 온도는 -45 ℃ 이하, 이때의 진공 압력은 19 Pa 이하인 경우가 가장 바람직하다.

마지막으로, 이와 같이 동결 건조된 탄소 나노점(C-DOT)에 대해서, 재차 UV 램프(파장: 324 nm)를 이용하여 발광 여부를 확인해 두는 것이 바람직하다.

이에 대해서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.

도 2의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 얻은 광 발광 탄소 나노점 여과액의 실제 형광 실험 결과를 나타낸 사진으로, 도 2의 (a)는 가시 광선 하에서의 실험 결과를, 도 2의 (b)는 UV 파장(324 nm)에서의 실험 결과이다.

도 2의 (a)는 가시 광선 하에서의 탄소 나노점 여과액 사진으로 단순히 노란색을 띠고 있음을 알 수 있다.

이에 반해서, 도 2의 (b)는 자외선 램프(파장: 324 nm)하에서의 상기 탄소 나노점 여액의 형광 사진으로, 선명한 형광을 나타내고 있음을 알 수 있다.

다음으로, 도 3은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 얻은 광 발광 탄소 나노점의 흡광 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 3으로부터, 자외선 파장 영역(200 nm ~ 800 nm)에서의 탄소 나노점의 흡광 특성을 볼 수 있으며, 특징적으로 200 ~ 250 nm 사이에서 흡광함을 알 수 있다.

이는, 기존의 다른 C-DOT에 비해 낮은 파장에서의 흡광이라는 것을 알아야 한다.

도 4는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 일반 음식물 쓰레기로부터 얻은 광 발광 탄소 나노점의 다양한 여기 파장에서의 광발광 반응 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4로부터, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 일반 음식물 쓰레기 잔사로부터 얻은 광 발광 탄소 나노점은, 흡광하는 파장에 따라서 다양한 파장에서 발광하는 것을 알 수 있는데, 이는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 일반 음식물 쓰레기로부터 얻은 광 발광 탄소 나노점 물질 내부에 다양한 구조의 물질이 존재한다는 것을 시사하는 것이지만, 그 구체적인 내용은 본 발명의 범위를 벗어나므로 이에 대한 설명은 생략한다.

마지막으로, 도 5는, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 동물 배설물로부터 얻은 광 발광 탄소 나노점의 다양한 여기 파장에서의 광발광 반응 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5에서 사용한 동물 배설물은, 일반 음식물 쓰레기 잔사로부터 얻은 광 발광 탄소 나노점과는 조금 다른 특성을 나타내지만, 그 획득 방법은 일반 음식물 쓰레기 잔사로부터 얻은 광발광 탄소 나노점과 동일하다는 점에 주의하여야 한다.

도 5의 실험 결과는, 흡광 파장을 250 ~ 350 nm까지 20 nm 간격으로 실험한 결과이다. 이때, 430 nm 정도에서 가장 강한 발광이 발생을 확인할 수 있었다.

도 4에서의 실험 결과와는 달리, 도 5에서는 흡광 파장이 상이함에도 불구하고, 발광 파장은 거의 동일하게 430 nm 정도로 나타난 것이 특징적이다.

따라서, 430 nm 정도에서의 발광이 필요한 경우, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 동물 배설물로부터 얻은 광 발광 탄소 나노점을 사용하는 것을 고려해 볼 수 있다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

S100 : 시료 건조 단계
S110 : 회화 단계
S120 : 용매로 추출하는 단계
S130 : 여과 단계
S140 : 발광 확인 단계
S150 : 농축 단계
S160 : 물에 용해하는 단계
S170 : 동결 건조하는 단계

Claims (9)

1. 음식물 쓰레기 잔사 또는 동물 배설물 시료를 준비하여 수분 함량이 1 % 미만이 되도록 건조시키는 단계;
   상기 건조시킨 시료를 300 ℃ ~ 600 ℃의 온도에서, 2 ~ 3 시간 동안 회화하는 단계;
   상기 회화된 시료를 교반하면서 용매로 추출하는 단계;
   상기 추출된 시료를 여과하는 단계;
   상기 여과된 시료를 농축하는 단계;
   상기 시료를 물에 용해하는 단계; 및
   상기 용해된 시료를 -45 ℃ 이하의 온도에서, 19 Pa 이하의 진공 압력에서 동결 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   광 발광 탄소 나노점 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 시료의 건조는 햇빛에 의한 것을 특징으로 하는,
   광 발광 탄소 나노점 제조 방법.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 교반은, 10 ~ 30 분간 진행되는 것을 특징으로 하는,
   광 발광 탄소 나노점 제조 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 여과는, 필터지를 이용한 감압 여과에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는,
   광 발광 탄소 나노점 제조 방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   막 여과기를 이용한 여과 단계를 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는,
   광 발광 탄소 나노점 제조 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 막 여과기는, 눈의 크기가 0.22 ㎛인 것을 특징으로 하는,
   광 발광 탄소 나노점 제조 방법.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 용매는, 물, 알코올, 에탄올, 에테르 중 하나인 것을 특징으로 하는,
   광 발광 탄소 나노점 제조 방법.

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