KR101301146B1 - 무용매 무기 나노구조체-유체 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무용매 무기 나노구조체-유체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 특정 화학식으로 표시되는 이온성 액체를 도입하여 용매 없이도 상온에서 유체거동을 갖는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제공할 수 있는 발명에 관한 것으로서, 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 대량 생산이 가능하고, 장기 분산성, 전기적, 광학적 특성이 우수한 바, 디스플레이, 전기, 전자 등의 소재·부품 등으로 폭 넓게 응용이 가능하다.
Description
본 발명은 상온에서 액체거동을 갖는 무용매 무기 나노구조체-유체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 우수한 장기 분산안정성을 갖을 뿐만 아니라, 이를 이용하여 매우 우수한 광학적 및/또는 전기적 성질을 갖는 전기 광학적 잉크 및/또는 필름 등의 디스플레이, 전기, 전자용 소재· 부품을 제공할 수 있는 발명에 관한 것이다.
부가적인 용매의 첨가 없이도 이온성 액체(ionic liquids, 이하 IL로 정의한다.)에 의해 안정화되어 상온에서 액체거동을 보이는 무용매나노입자 유체는 전기, 광학 그리고 바이오 성질을 기반으로 하는 다양한 기능성 나노 재료로써 각광을 받고 있다.
상온에서 유동성을 보이는 기존의 나노입자 유체는 전하를 띠는 나노입자 (SiO2, Fe3O4, TiO2) 표면에 벌키(bulky)한 유기층을 정전기적으로 접목시킨 후, 음이온 교환 등의 5 단계를 거치는 복잡한 합성법을 통해 제작되어 왔다(J.AM.CHEM.SOC. 2006, 128, 12074-12075, Scott C. Warren et al.).
이러한 나노입자 유체를 제작하기 위해서 사용되어 오던 벌키한 유기, 고분자 등의 리간드는 상온에서 고체상태로 존재하던 나노입자들이 액체의 거동을 가질 수 있도록 한다. 하지만, 벌키한 이온 그룹의 리간드를 이용한 기존의 무용매나노입자 유체는 나노입자와 나노입자 간의 거리를 줄이는 데에 한계가 있기 때문에 나노입자가 가지고 있는 그들의 다양한 기능성을 조절하거나 향상시키는데 어려움이 있었다. 예를 들면, 여러 연구 그룹에서 보고 한 대부분의 금속나노입자 조립 공정은 벌키한리간드를 안정제로 하는 나노입자를 사용해 왔기 때문에 입자와 입자들간의 거리를 줄이는데 한계가 있었고, 따라서 상온에서 상대적으로 높은 면저항 값을 보였다(>105 Ω/㎠). 결과적으로, 기존의 금속 나노입자 조립에서 10-3 Ω/㎠ 이하의 낮은 면저항을 얻기 위해서는 250℃ 이상의 부가적인 열처리 공정이 필요한 문제가 있었다.
또한, 기존의 나노입자 유체 내에 도입된 나노입자들은 대부분 물 또는 알코올 등의 극성용매에서 합성되어 왔는데, 일반적으로 극성 용매에서 합성된 나노입자는 톨루엔(toluene) 혹은 헥세인(hexane) 등의 무극성 용매에서 합성된 나노입자에 비해 나노입자의 질이나 생산성 측면에서 좋지 않은 문제가 있었다.
최근 나노 스케일(nano-scale)에서 나타나는 새로운 물리화학적 성질을 갖는 금속 혹은 양자점(Quantum Dot) 등의 무기 나노입자는 전기, 광학 분야에서 매우 중요한 나노 재료로써 각광받고 있기 때문에, 나노 입자의 높은 생산성뿐만 아니라 높은 질 및 기능성을 갖는 나노입자 유체를 만들 수 있는 방법을 발전시키는 것이 매우 중요한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 상온에서 대량생산이 가능한 나노입자 유체의 제조방법을 제공하고자 하며, 또한 본 발명은 상온에서 장기간 높은 분산안정성을 갖을 뿐만 아니라, 균일한 사이즈, 높은 결정화도를 갖는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은 상온에서 별도의 용매 첨가 없이도 유체거동을 갖는 무용매 무기 나노구조체-유체에 관한 것으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체 및 무기 나노구조체를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, A 및 B는 독립적인 것으로서, 수소원자, 탄소수 1 ~ 3의 알킬기 또는 탄소수 1 ~ 5의 티올(thiol)기이며, 상기 R1 및 R2는 독립적인 것으로서, 수소원자 또는 탄소수 1 ~ 3의 알킬기이며, 상기X는 할로겐 원소이고, 다만, 상기 A 및 B 중 어느 하나는 탄소수 1 ~ 5의 티올기다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 상기 화학식 1에 있어서, A는 수소원자 또는 메틸기이고, B는 탄소수 2 ~ 4의 티올기며, 상기 R1 및 R2는 독립적인 것으로서, 수소원자 또는 메틸기인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체에 있어서, 상기 무기 나노구조체는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 무기나노입자인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서,본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체에 있어서, 상기 무기 나노구조체는양자점(quantum dot)인 것을 특징으로 할 수 있으며, 또한, 상기 양자점은 코어는 카드뮴-셀레늄(CdSe), 카드뮴-텔레늄(CdTe) 또는 구리-인듐-황(CuInS2)을 포함하고, 쉘은 아연-황(ZnS), 카드뮴-황(CdS) 또는 아연-셀레늄(ZnSe)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 상온(10℃ ~ 35℃)하에서, 전단점성율이 5×100 ~ 1×104 Pa.s인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 상기 이온성 액체 30 중량% ~ 99.9 중량% 및 상기 무기 나노구조체 0.1 중량% ~ 70중량%로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 무용매 무기 나노구조체-유체의 제조방법에 관한 것으로서, 소수성 안정화제, 무기 나노구조체 및 무극성 용매를 함유한 혼합액; 및 하기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체;를 상전환 반응을 수행하여 앞서 설명한 다양한 형태의 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, A 및 B는 독립적인 것으로서, 수소원자, 탄소수 1 ~ 3의 알킬기 또는 탄소수 1 ~ 5의 티올(thiol)기이며, 상기 R1 및 R2는 독립적인 것으로서, 수소원자 또는 탄소수 1 ~ 3의 알킬기이며, 상기X는 할로겐 원소이고, 다만, 상기 A 및 B 중 어느 하나는 탄소수 1 ~ 5의 티올기다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 제조방법에 있어서, 상전환 반응은 10℃ ~ 35℃ 및 대기압 하에서 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 상기 제조방법에 있어서, 소수성 안정화제는 탄소수 8 ~ 20을 함유한 카르복실산(carboxylic acid) 및 4급 암모늄 브로마이드(ammonium bromide) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 상기 제조방법에 있어서, 무극성 용매는 벤젠(benzene), 헥세인(hexane), 톨루엔(toluene), 이황화탄소(CS2), 사염화탄소(CCl4), 클로로포름(CHCl3), 디클로로메탄(CH2Cl2) 및 옥타데센(Octadecene) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 상기 제조방법에 있어서, 상기 상전환 반응은 수회 반복 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양은 전기 광학적 잉크에 관한 것으로서, 앞서 설명한 다양한 형태의 무용매 무기 나노구조체-유체를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 태양은 필름에 관한 것으로서, 앞서 설명한 다양한 형태의 무용매 무기 나노구조체-유체를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 필름은 층상자기조립(layer-by-layer assembly)된 다층박막필름인 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 별도의 용매 사용 없이도 상온에서 액체거동을 갖는 무기 나노구조체-유체를 균일한 사이즈, 높은 결정화도, 높은 농도로 대량생산을 할 수 있으며, 본 발명의 무기 나노구조체-유체를 이용하여 우수한 광학적 및/또는 전기적 성질을 갖는 디스플레이용, 전기용, 전자용 소재 및/또는 부품을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하기 위한 상전환 반응의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 실험예 1에서 실시한 실시예 5의 TFI-IL-AgNPs을 SEM 측정한 사진이다.
도 3a ~ 도 3c 각각은 실험예 2에서 실시한 TFI-IL-AgNPs의 유변학적 특성 측정 결과이다.
도 4는 실험예 3-1에서 실시한 TFI-IL- AgNPs의 전기적 특성 측정 실험 결과이다.
도 5a ~ 도 5c 각각은 실시예 7 ~ 실시예 9에서 제조한 TFI-IL- QDs의 사진이다.
도 6a ~ 도 6c 각각은 실험예 4-1에서 실시한 TFI-IL- QDs의 광학적 성질 측정 실험 결과이다.
도 7은 실험예 4-2에서 실시한 TFI-IL- QDs의 광학적 성질 측정 실험 결과이다.
도 8 은 실험예 5에서 실시한 TFI-IL- QDs의 장기 분산안정성 측정 실험을 위해 찍은 사진이다.
도 9a ~ 도 9c 각각은 실험예 6에서 실시한 다층박막필름의 QCM(quartz crystal microbalance) 측정 실험 결과이다.
도 2는 실험예 1에서 실시한 실시예 5의 TFI-IL-AgNPs을 SEM 측정한 사진이다.
도 3a ~ 도 3c 각각은 실험예 2에서 실시한 TFI-IL-AgNPs의 유변학적 특성 측정 결과이다.
도 4는 실험예 3-1에서 실시한 TFI-IL- AgNPs의 전기적 특성 측정 실험 결과이다.
도 5a ~ 도 5c 각각은 실시예 7 ~ 실시예 9에서 제조한 TFI-IL- QDs의 사진이다.
도 6a ~ 도 6c 각각은 실험예 4-1에서 실시한 TFI-IL- QDs의 광학적 성질 측정 실험 결과이다.
도 7은 실험예 4-2에서 실시한 TFI-IL- QDs의 광학적 성질 측정 실험 결과이다.
도 8 은 실험예 5에서 실시한 TFI-IL- QDs의 장기 분산안정성 측정 실험을 위해 찍은 사진이다.
도 9a ~ 도 9c 각각은 실험예 6에서 실시한 다층박막필름의 QCM(quartz crystal microbalance) 측정 실험 결과이다.
본 발명에서 사용하는 용어인 '나노구조체'는 구 형태, 와이어 형태, 막대 형태, 판상 형태 등의 다향한 구조를 폭 넓게 포함하는 나노크기의 구조체를 의미하는 것이다. 또한, 본 발명에서 사용하는 용어인 '이온성 액체(IL, ionic liquids)'는 상온에서 액체 거동을 갖는 물질 또는 화합물을 의미한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명을 한다.
본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 하기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체(이하, TFI-IL로 정의한다.)를 무기 나노구조체를 연결하는 리간드로서 도입한 것을 특징으로 할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, A 및 B는 독립적인 것으로서, 수소원자, 탄소수 1 ~ 3의 알킬기 또는 탄소수 1 ~ 5의 티올(thiol)기이며, 바람직하게는 A또는 B 중 어느 하나는 수소원자 또는 메틸기이고, 다른 하나는 탄소수 2 ~ 4의 티올기인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 A또는 B 중 어느 하나는 메틸기이고, 다른 하나는 탄소수 2 ~ 4의 티올기인 것이 좋다. 다만, 상기 A 및 B 중 어느 하나는 반드시 티올기다. 여기서, 상기 티올기가 탄소수 5를 초과하면 리간드 역할을 하는 TFI-IL(Thiolfuntionalizedimidazolium-type ionic liquid)의 부피가 너무 커져서 분산 안정성이 떨어지고, 전기적 특성 및/또는 광학적 특성이 감소할 수 있는 문제가 있을 수 있다.
또한, 상기 화학식 1에 있어서, 상기 R1 및 R2는 독립적인 것으로서, 수소원자 또는 탄소수 1 ~ 3의 알킬기이며, 바람직하게는 수소원자 또는 메틸기인 것을 특징으로 할 수 있다. 이때, 상기 R1 및/또는 R2가 탄소수가 4를 초과하는 알킬기인 경우, 이온성 액체의 부피가 너무 커져서 전기적 특성이 감소할 수 있을 뿐만 아니라 입체장애로 인해 TFI-IL의 합성이 용이하지 않은 문제가 있으므로 상기 범위 내의 알킬기인 것이 좋다. 그리고, 상기 X는 할로겐 원소이고, 바람직하게는 염소(Cl) 또는 불소(F)인 것이 좋다.
그리고, 상기 TFI-IL 자체는 상온(10℃ ~ 35℃)에서 액체거동을, 구체적으로는 뉴톤(Newtonian) 거동을 갖는다.
본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체에 있어서, 상기 무기 나노구조체는 다양한 형태의 나노크기를 갖는 구조체를 포함하며, 바람직하게는 무기나노입자 및 양자점(quantum dot, Qd)을 포함할 수 있다.
그리고, 무기나노입자는 구형, 와이어형, 막대형, 판상형 등을 갖는 금속나노입자를 사용하는 것이, 바람직하게는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 1종 이상을, 바람직하게는 금(Au), 은(Ag) 및 백금(Pt) 중에서 선택된 금속나노입자를 사용할 수 있다.
또한, 상기 양자점은 코어-쉘(core-shell) 구조의 양자점으로서, 코어는 카드뮴-셀레늄(CdSe), 카드뮴-텔레늄(CdTe) 및 구리-인듐-황(CuInS2)를 포함하고, 쉘은 아연-황(ZnS), 카드뮴-황(CdS) 및 아연-셀레늄(ZnSe)을 포함하는 것을, 바람직하게는 코어가 CdSe를 포함하고, 쉘이 ZnS를 포함하는 양자점을 사용할 수 있다.
본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 앞서 설명한 바와 같이 상온에서 액체 거동을 갖는 TFI-IL과 무기나노구조체의 결합된 형태로서, 결합된 무기 나노구조체-유체 또한 상온에서 액체거동, 바람직하게는 비뉴톤유체(non-newtonian fluid) 거동을 갖는 성질이 있으며, 바람직하게는 상온(10℃ ~ 35℃) 하에서, 5×00 ~ 1×104 Pa.s의 전단점성율(shear viscosity)를, 바람직하게는 1×101 ~ 5×103 Pa.s의 전단점성율을 갖을 수 있다.
그리고, 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 전체 중량 중 상기 TFI-IL 20 ~ 99.9 중량% 및 상기 무기 나노구조체 0.1 ~ 80 중량%를, 바람직하게는 TFI-IL 30 ~ 99.9 중량% 및 상기 무기 나노구조체 0.2 ~ 70 중량%를 포함할 수 있다.
특히, 상기 무용매 무기 나노구조체-유체의 무기 나노구조체가 양자점인 경우, 전체 중량 중 상기 TFI-IL 50 ~ 99.9 중량% 및 상기 양자점 0.1 ~ 50 중량%를, 바람직하게는 상기 TFI-IL 52 ~ 99.9 중량% 및 상기 양자점 0.1 ~ 48중량% 포함할 수 있다. 또한, 상기 무용매 무기 나노구조체-유체의 무기 나노구조체가 금속나노입자인 경우에는, 전체 중량 중 상기 TFI-IL 20 ~ 99.9 중량% 및 상기 금속나노입자를 0.1 ~ 80 중량%를 포함할 수 있으며, 무기나노구조체가 양자점인 경우 보다는 금속나노입자인 경우가 전체 조성 중 무기나노구조체를 더 많이 함유할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체의 제조방법에 대하여 설명을 한다.
본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 여러 공정을 거쳐서 제조한 기존 제조방법과 달리 도 1에 나타낸 바와 같이 단일공정의 상전환(Phase transfer) 반응공정을 통해서 대량으로 무기 나노구조체-유체를 제조할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 소수성 안정화제, 무기 나노구조체 및 무극성 용매를 함유한 혼합액; 및 하기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체를 상전환 반응을 수행하여 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조할 수 있는데, 상기 혼합액은 도 1의무극성 용매상(nonpolar solvent phase)에 해당하며, 상기 이온성 액체는 도 1의 TFI-IL상(TFI-IL phase)에 해당한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, A 및 B는 독립적인 것으로서, 수소원자, 탄소수 1 ~ 3의 알킬기 또는 탄소수 1 ~ 5의 티올(thiol)기이며, 바람직하게는 A또는 B 중 어느 하나는 수소원자 또는 메틸기이고, 다른 하나는 탄소수 2 ~ 4의 티올기인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 A또는 B 중 어느 하나는 메틸기이고, 다른 하나는 탄소수 2 ~ 4의 티올기인 것이 좋다. 다만, 상기 A 및 B 중 어느 하나는 반드시 티올기다. 여기서, 상기 티올기가 탄소수 5를 초과하면 리간드 역할을 하는 TFI-IL(Thiolfuntionalizedimidazolium-type ionic liquid)의 부피가 너무 커져서 분산 안정성이 떨어지고, 전기적 특성 및/또는 광학적 특성이 감소할 수 있는 문제가 있을 수 있다.
또한, 상기 화학식 1에 있어서, 상기 R1 및 R2는 독립적인 것으로서, 수소원자 또는 탄소수 1 ~ 3의 알킬기이며, 바람직하게는 수소원자 또는 메틸기인 것을 특징으로 할 수 있다. 이때, 상기 R1 및/또는 R2가 탄소수가 4를 초과하는 알킬기인 경우, 이온성 액체의 부피가 너무 커져서 전기적 특성이 감소할 수 있을 뿐만 아니라 입체장애로 인해 TFI-IL의 합성이 용이하지 않은 문제가 있으므로 상기 범위 내의 알킬기인 것이 좋다. 그리고, 상기 X는 할로겐 원소이고, 바람직하게는 염소(Cl) 또는 불소(F)인 것이 좋다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 혼합액 성분인 상기 소수성 안정화제는 탄소수 8 ~ 20을 함유한 카르복실산(carboxylic acid) 및 4급 암모늄 브로마이드(ammonium bromide) 중에서 선택된 1종 이상을, 바람직하게는 팔미트산(palmitic acid), 올레익산(oleic acid) 및 테트라옥틸암모늄 브로마이드(tetraoctyl ammonium bromide)를 사용하는 것이 좋다. 여기서, 상기 소수성 안정화제로서 탄소수 8 미만인 카르복실산을 사용하면 나노입자들이 용매 내에서 분산이 잘 되지 않는 문제가 있을 수 있고, 탄소수 20을 초과하는 카르복실산을 사용하면 나노입자 표면에서 안정제의 구조적 엔트로피(conformational entropy)가 감소에 따라 나노입자의 표면을 두껍게 감싸게 되어 분산성을 떨어뜨리는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위 내의 탄소수를 갖는 카르복실산을 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 혼합액 성분인 상기 무극성 용매는 벤젠(benzene), 헥세인(hexane), 톨루엔(toluene), 이황화탄소(CS2), 사염화탄소(CCl4), 클로로포름(CHCl3), 디클로로메탄(CH2Cl2) 및 옥타데센(Octadecene) 중에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 벤젠, 헥세인, 톨루엔, 클로로포름(CHCl3) 및 옥타데센(Octadecene) 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 좋다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 상전환 반응은 상온(10℃ ~ 35℃) 및 대기압 하에서 수행할 수 있는데, 상온에서 상전환 반응 수행이 가능한 것은 TFI-IL이 상온에서 액체 거동을 갖을 수 있기 때문이다.
그리고, 무용매 무기 나노구조체-유체에 있어서, 상전환 반응은 반복 수행함으로써, 무기 나노구조체의 농도를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 다양한 형태의 무용매 무기 나노구조체-유체를 포함하는 필름에 관한 것이다. 상기 필름은 층상자기조립(layer-by-layer assembly)된 다층박막필름 형태로 제조할 수 있다.
기존에는 필름의 면저항을 감소시키기 위해 250℃ 이상의 부가적인 열처리 공정을 실시하였던 것과는 달리, 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체를 포함하는 필름은 200℃ 보다 낮은 온도인 175℃ 이상으로 열처리함으로써, 1×10-3 Ω/㎠ 이하까지 면저항을 감소시켜서 전기적 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 이는 본 발명의 짧은 체인과 낮은 분자량의 갖는 상기 TFI-IL의 리간드가 나노구조체와 나노구조체 간의 거리를 최소화시켜서 밀집된 나노구조체의 네트워크를 형성시킴으로써, 상온에서 매우 효과적으로 전기전도도를 향상시킬 수 있기 때문이다.
이와 같은 특징을 갖는 상기 TFI-IL를 리간드로 도입함으로써, 무용매 무기 나노구조체-유체의 무기 나노구조체의 함량, 바람직하게는 양자점의 함량을 조절함으로써, 무용매 무기 나노구조체-유체의 광학적 성질을 손쉽게 조절할 수 있으며, TFI-IL의 이미다졸 그룹 내에 있는 서로 다른 질소 원자 두 개 사이의 양전하 준위의 분배는 부가적인 이온염의 첨가 없이도 무기 나노구조체-유체 내부 물질 간의 정전기적 척력을 줄여줄 수 있다. 이러한 특성을 갖는 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체를 이용하여 우수한 전기적, 광학적 특성을 갖는 전기 광학적 잉크를 제조할 수도 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[
실시예
]
준비예1
:이온성 액체(
TFI
-
IL
)의 제조
아르곤(Ar) 기체 및 80℃ 하에서, 1-메틸이미다졸(1-methylimidazole, 3.09 g, 37.67 mmol) 및 3-클로로-1-프로페인티올(3-chloro-1-propanethiol, 5g, 45.20 mmol)을 72 시간 동안 환류시켜서 하기 반응식 1과 같은 반응을 통해 하기 화학식 2로 표시되는 TFI-IL(중량평균분자량=192.7 g/mol)을 제조하였다.
[반응식 1]
준비예
2
아르곤(Ar) 기체 및 80℃ 하에서, 1-메틸이미다졸(1-methylimidazole, 3.09 g, 37.67 mmol) 및 3-클로로-1-펜테인티올(3-chloro-1-pentanethiol, 6.27g, 45.20 mmol)을 72 시간 동안 환류시켜서 하기 화학식 3으로 표시되는 TFI-IL을 제조하였다.
[화학식 3]
비교준비예
1
아르곤(Ar) 기체 및 80℃ 하에서, 1-메틸이미다졸(1-methylimidazole, 3.09 g, 37.67 mmol) 및 3-클로로프로페인-1-아민(3-chloropropan-1-amine, 4.23 g, 45.20 mmol)을 72 시간 동안 환류시켜서 하기 화학식 4로 표시되는 TFI-IL을 제조하였다.
[화학식 4]
비교준비예
2
아르곤(Ar) 기체 및 80℃ 하에서, 1-메틸이미다졸(1-methylimidazole, 3.09 g, 37.67 mmol) 및 3-클로로-1-펜테인티올(3-chloro-1-heptanethiol, 7.54 g, 45.20mmol)을 72 시간 동안 환류시켜서 하기 화학식 5로 표시되는 TFI-IL을 제조하였다.
[화학식 5]
실험예
1
준비예 1에서 제조한 TFI-IL의 열분석 실험(Thermogravimetric analysis, TGA) 실험을 수행한 결과, TFI-IL의 분해온도(degradation temperature, Td)는 175℃였다. 그리고, 유변학적 분석을 통해 25?에서 TFI-IL의 점성계수(viscous modulus, G``)가 탄성계수(elastic modulus, G`)보다 높은 값을 가짐을 확인하였으며, 이를 통하여 준비예 1에서 제조한 TFI-IL이 상온(10℃ ~ 35℃)에서 액체거동을 갖는 것을 확인하였다. 그러나, 비교준비예 1에서 제조한 TFI-IL은 상온에서 액체거동을 갖지 못했으며, 60℃ 이상에서부터 액체거동을 보였다.
[
TFI
-
IL
-
Ag
NPs
의 제조]
실시예
1-1
(1) 팔미트산(소수성 안정화제, 이하 PA로 정의함) 2.8 g, 초산은(AgNO3) 1.8 g 및 트리에틸렌아민(Triethylene amine, TEA) 40 mL를 혼합 및 80℃ 에서 2시간 반응을 시킨 후, 정제 과정을 실시하여 최종적으로 평균입경 8 nm를 갖는 소수성 안정화제를 포함하는 PA-AgNPs(Palimitic acid-AgNPs)를 금속나노입자를 제조하였다. 다음으로 이를 톨루엔에 분산시켜서, 혼합액(무극성 용매상)을 제조하였다.
(2) 25℃ 하에서, 1L 비이커에 상기 준비예 1에서 제조한 TFI-IL 1 g을 투입한 후, 상기 혼합액 0.1 g을 투입한 다음, 1 시간 동안 교반하여 도 1에 나타낸 것과 같은 상전환 반응을 수행하여 PA-AgNPs의 PA를 TFI-IL로 상전환시켜서, TFI-IL 91 중량% 및 은 나노입자 9 중량%를 포함하는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하였다.
실시예
1-2
상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하되, 상기 팔미트산(PA) 대신 올레익산(OA, Oleic acid) 3 g을 소수성 안정화제로 사용하여, 은 나노입자 10 중량%를 포함하는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하였다.
실시예
1-3
상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하되, 상기 팔미트산(PA) 대신 테트라옥틸암모늄브로마이드(TOABr, Tetraoctylammonium bromide) 1.2 g을 소수성 안정화제로 사용하여 은 나노입자 8 중량%를 포함하는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하였다.
상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-3을 통하여, 탄소수 8 ~ 20을 갖는 카르복실산 및 4급 암모늄브로마이드를 소수성 안정화제로 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
실시예
2
상기 실시예 1-1에서 제조한 무용매 무기 나노구조체-유체(은 나노입자 9 중량% 함유)를 이용하여, 상기 실시예 1-1과 동일한 상전환 반응을 3회 반복수행하여, TFI-IL 79 중량% 및 은 나노입자 21 중량%를 포함하는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하였다.
실시예
3
상기 실시예 1-1에서 제조한 무용매 무기 나노구조체-유체를 이용하여, 상기 실시예 1-1과 동일한 상전환 반응을 5회 반복수행하여, TFI-IL 68 중량% 및 은 나노입자 32 중량%를 포함하는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하였다.
실시예
4
상기 실시예 1-1에서 제조한 무용매 무기 나노구조체-유체를 이용하여, 상기 실시예 1-1과 동일한 상전환 반응을 10회 반복수행하여, TFI-IL 52 중량% 및 은 나노입자 48 중량%를 포함하는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하였다.
실시예
5
상기 실시예 1-1에서 제조한 무용매 무기 나노구조체-유체를 이용하여, 상기 실시예 1-1과 동일한 상전환 반응을 15회 반복수행하여, TFI-IL 37 중량% 및 은 나노입자 63 중량%를 포함하는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하였다.
실시예
6
상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 은 나노입자 9 중량%를 포함하는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하되, 준비예 1 대신 준비예 2에서 제조한 화학식 3으로 표시되는 TFI-IL을 이용하여 TFI-IL-AgNPs 을 제조하였다.
비교예
1
(1) 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 혼합액을 무극성 용매상으로서 제조하였다.
(2) 25℃ 하에서, 1L 비이커에 상기 비교준비예 1에서 제조한 TFI-IL 1 g을 투입한 후, 상기 혼합액 0.1 g을 투입한 다음, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 상전환 반응을 실시하고자 했다.
그러나, 비교준비예 1에서 제조한 티올 그룹이 아닌 아민그룹을 갖는 TFI-IL은 상온(25℃)에서 액체거동을 갖지 않는 관계로, 상전환 반응이 일어나지 않았다.
비교예2
상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 은 나노입자 9 중량%를 포함하는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조하되, 준비예 1 대신 비교준비예 2에서 제조한 화학식 5로 표시되는 TFI-IL을 이용하여 TFI-IL-AgNPs 을 제조하였다.
실험예
1 :디지털 이미지(
Digital
image
) 확인
상기 실시예 5에서 제조한 TFI-IL-AgNPs(은 나노입자 63 중량% 함유)의 25℃에서 디지털 이미지를 확인하였으며, 이를 도 2에 나타내었다.
도 2의 디지털 이미지를 살펴보면, 무용매 무기 나노구조체-유체가 상온인 25℃에서 점성을 갖는 것을 볼 수 있으며, 이를 통해서 액체거동을 보임을 시각적으로 확인할 수 있었다.
또한, 은 나노입자들이 매우 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 이는 짧은 체인과 낮은 분자량을 갖는 적은 부피의 리간드(TFI-IL)을 도입함으로써, 무용매 무기 나노구조체-유체의 적정한 분산성을 갖게 하였기 때문인 것으로 판단된다.
실험예2
:
TFI
-
IL
-
Ag
NPs
의
유변학적
특성 측정 실험
상기 실시예 2 ~ 실시예 5에서 제조한 무용매 무기 나노구조체-유체의 전단점성율 및 전단응력을 하기와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 도 3a 내지 도 3c에 그래프로 나타내었다. 그리고, 준비예 1에서 제조한 TFI-IL 자체를 대조군으로 하였다.
전단점성율(shear viscosity), 전단응력(shear stress)는 MCR-301(Anton Paar사 제품)을 사용하여 측정하였으며, 고정된 각진동수(1s-1) 및 변형율(strain amplitude, 10%) 하에서, 25℃ ~ 80℃까지 10℃/분 속도로 온도변화를 주면서, 탄성계수 및 점성계수를 포함하는 TFI-IL-AgNPs의 모듈러스 값을 측정하였다.
도 3a를 살펴보면, 은나노입자의 함량이 증가함에 따라 TFI-IL-AgNPs의 전단속도(shear rate)에 따른 전단점성율(shear viscosity)이 증가함을 확인할 수 있었다.
그리고, 도 3b를 살펴보면, 전단속도 10 s-1에서 TFI-IL-AgNPs의 전단점성율이 은나노입자의 함량에 선형적으로 비례하며 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
또한, 도 3c를 살펴보면, 대조군인 TFI-IL의 전단응력(shear stress)이 전단속도에 따라 선형적으로 증가함을 확인할 수 있는데, 이러한 현상은 TFI-IL자체가 유변학적으로 뉴톤(Newtononian) 거동을 보인다는 것을 의미한다. 반면, 은나노입자를 48 중량% 함유한 실시예 4의 TFI-IL-AgNPs는 전단 속도가 증가함에 따라 항복강도(yield stress) 보다 높은 값에서부터 시작하여 점진적으로 전단 응력이 증가하는 전단유동화 거동(shear thinning behavior) 즉, 비뉴톤(non-Newtonian) 거동을 보임을 확인할 수 있었다.
실험예 2를 통하여, TFI-IL 및 TFI-IL-AgNPs 모두 상온에서 액체거동을 갖으며, 상온에서 TFI-IL은 뉴톤(Newtononian) 거동을 그리고, 이를 이용하여 제조한 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 비뉴톤(non-Newtonian)거동 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
제조예
1 ~ 5 및
비교제조예1
:
TFI
-
IL
-
Ag
NPs
함유 시트의 제조
상기 실시예 1 ~ 5에서 제조한 TFI-IL- AgNPs 및 준비예 1의 TFI-IL 각각을 독터블레이드(Doctorblade) 기법을 이용하여 유리기판 위에 시트로 제조하여 제조예 1 ~ 5 및 비교제조예 1을 실시하였다.
제조예
6 및
비교제조예
2
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 시트를 제조하되, 상기 제조예 1과 다른 TFI-IL로 제조한 TFI-IL-AgNPs를 사용하여 시트를 제조하였다.
제조예 6은 실시예 6에서 제조한 TFI-IL-AgNPs를 그리고, 비교제조예 2는 비교예 2에서 제조한 TFI-IL-AgNPs를 사용하여 시트를 제조하여 제조예 6 및 비교제조예 2를 각각 실시하였다.
실험예
3-1 :
TFI
-
IL
-
Ag
NPs
의 전기적 특성 측정 실험
상기 제조예 1 ~ 제조예 5 및 비교제조예 1에서 제조한 시트의 면저항값을 측정함으로써, TFI-IL-AgNPs의 전기적 특성 측정 실험을 하였으며, 그 결과를 하기 표 1 및 도 4에 그래프로 나타내었다. 그리고, 준비예 1에서 제조한 TFI-IL 자체를 대조군으로 하였다.
| 구분 | 면저항값(sheet resistance, Ω/㎠) |
| 제조예 1 | 1,288 |
| 제조예 2 | 501 |
| 제조예 3 | 101 |
| 제조예 4 | 40 |
| 제조예 5 | 39 |
| 비교제조예 1 | 600,000 |
상기 표 1 및 도 4의 그래프를 살펴보면, 은 나노입자의 함량이 증가할수록, TFI-IL-AgNPs 함유 시트의 면저항이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만,은 나노입자를48 중량% 이상 함유한 제조예 4 및 제조예 5에서 제조한 시트 각각의 면저항 값은 부가적인 열처리 공정 없이도 약 40 Ω/㎠의 낮은 저항 값으로 일정하게 측정되었다. 전자의 흐름은 나노입자 간의 가까워진 거리 혹은 입자 간의 터널링 (tunneling) 현상에 의해 가능한 것인데, 상기 제조예 4 및 제조예 5와 같이, 면저항 값이 일정하게 측정된다는 것은 짧은 체인과 낮은 분자량의 TFI-IL 리간드에 의해 은 나노입자와 은 나노입자 간의 거리가 은 나노입자 48 중량% 이상에서부터 최소가 되었음을 의미하는 것이다.
상기 비교제조예 1과 제조예 1 ~ 5에 대한 전기적 특성 비교를 통해, 본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체의 전기전도도가 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.
실험예
3-2 :
TFI
-
IL
-
Ag
NPs
의 전기적 특성 측정 실험
상기 제조예 6 및 비교제조예 2에서 제조한 시트의 각각 면저항값을상기 실험예 3-1과 동일한 방법으로 TFI-IL-AgNPs의 전기적 특성 측정 실험을 추가적으로 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 여기서, 측정은 4포인트 프로브(창민테크사의 CMT-SR2000N)를 사용하여 측정하였다.
| 구분 | 면저항값(sheet resistance, Ω/㎠) |
| 제조예 1 | 1,288 |
| 제조예 6 | 1,156 |
| 비교제조예 2 | 1,352 |
상기 제조예 1 및 제조예 6은 낮은 면저항값을 보이나, TFI-IL의 티올기의 탄소수가 5를 초과한 것을 사용한 비교제조예 2의 경우, 제조예 1 및 제조예 6 과 비교할 때, 면저항값이 증가하는 하는 결과를 보였다. 이는 은 나노입자들을 연결하는 리간드 역할을 하는 TFI-IL의 체인이 길어짐으로써, 은 나노입자들 간의 간격이 멀어진 결과로 판단되며, 이를 통하여 TFI-IL의 티올기 탄소수가 5 이하인 것을 사용하는 것이 전기적 특성 면에 적합한 것을 확인할 수 있었다.
[
TFI
-
IL
-
QDs
의 제조]
실시예7
(1) 카드뮴 옥사이드(CdO) 1 mmol과 아연 아세테이트(Zn(acetate)2) 2 mmol을 올레익산(oleic acid, OA) 5 mL와 함께 100 mL 플라스크에 넣고 진공 하에 150℃에서 30분 동안 반응시켰다. 다음으로, 1-옥타데센(1-octadecene) 25 mL를 상기 플라스크에 넣은 후, 질소가스(N2) 분위기 하에 300℃로 가열했다. 동일 온도에서 셀레늄(Se) 0.2 mmol, 트리옥틸포스파인(trioctylphosphine, TOP) 0.2 mL를 빠르게 주입을 하고, 2분 30초 후에 도데칸 티올(dodecanethiol) 0.3 mL를 1 mL/min의 속도로 천천히 주입하였다. 다음으로, 셀레늄, TOP, 도데칸티올의 주입을 위 순서대로 반복적으로 수행함에 따라 우리가 원하는 614nm 파장에서 적색을 발광하는 양자점을 합성할 수 있다. 이후 정제 과정을 실시한 후, 톨루엔에 분산시킴으로써 OA-QDs(Oleic acid-Quantum Dot)를 포함하는 혼합액을 무극성 용매상으로서 제조하였다 (코어 평균입경 : 3nm, 쉘 평균두께 : 1 nm).
(2) 25℃ 하에서, 1L 비이커에 상기 준비예 1에서 제조한 TFI-IL 1 g을 투입한 후, 상기 혼합액 1 g을 투입한 다음, 1시간 동안 교반을 통한 상전환 반응을 수행하여 OA-QDs의 OA를 TFI-IL로 상전환시켜서, TFI-IL 52 중량% 및 CdSe-ZnS QDs 48 중량%를 포함하는 무용매 무기 나노구조체-유체인 TFI-IL-QDs를 제조하였다.
실시예
8
상기 실시예 7과 동일한 방법으로 TFI-IL- QDs(QDs 48 중량% 함유)를 제조하되, 실시예 7의 양자점과 다른 양자점인 CdSe 코어 및 ZnS 쉘을 갖는 양자점(코어 평균입경: 4nm, 쉘 평균두께: 1nm, 528 nm파장에서 녹색으로 발광)을 사용하여 TFI-IL 52 중량% 및 QD 48 중량%를 포함하는 TFI-IL- QDs를 제조하였다.
실시예
9
상기 실시예 7과 동일한 방법으로 TFI-IL-QDs(QD 48 중량% 함유)를 제조하되, 실시예 7및 실시예 8의 양자점과 다른 양자점인CdSe 코어 및 ZnS쉘을 갖는 양자점(코어 평균입경: 5nm, 쉘 평균두께: 1.5nm, 461 nm파장에서 청색으로 발광)을 사용하여 TFI-IL 52 중량% 및 QD 48 중량%를 포함하는 TFI-IL-QDs를 제조하였다.
실시예
10-1 및
실시예
10-2
상기 실시예 7과 동일한 방법으로 TFI-IL-QDs를 제조하여 실시예 10-1 및 실시예 10-2를 각각 실시하되, QDs를 21 중량% 및 32 중량% 함유한 TFI-IL-QDs를 각각 제조하였다.
실험예
4-1 :
TFI
-
IL
-
QDs
의 광학적 성질 측정 실험.
우선, 실시예 7 ~ 실시예 9를 통해 TFI-IL을 이용하여 TFI-IL-QDs를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 TFI-IL-QDs 또한, TFI-IL- AgNPs와 마찬가지로 비뉴톤유체 거동을 갖음을 확인할 수 있었고, 이는 도 5a ~ 도 5c의 사진을 통해서 알 수 있다.
실시예 7 ~ 실시예 9의 광학적 성질 측정 중 PL 스펙트라는 형광스펙트라메타(fluorescence spectroscopy, Perkin Elmer LS 55)를 사용하여 측정하였으며,그 결과를 도 6a ~ 도 6c 각각에 나타내었다.
도 6a ~ 도 6c의 OA-QDs는 소수성 안정화제인 올레익산과 상기 실시예 7 ~ 실시예 9에서 사용된 각각의 QDs로 구성된 상전환 반응 전의 양자점(OA-QDs)을 측정한 것이다.
도 6a ~ 도 6c 측정결과를 살펴보면, 실시예의 TFI-IL-QDs은 모두 OA-QDs와 비교해 볼 때, 파장이 20 ~ 30 nm정도 큰 적색편이(Red-shift) 현상을 확인할 수 있는데, 이를 통해서 리간드인TFI-IL가 OA보다 짧은 탄소체인을 갖고, 그 결과, OA-QDs 보다 TFI-IL-QDs의 QDs 간 거리가 짧고 더욱 밀집 형태를 갖는다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 이러한 적색편이 현상은 QDs 간 거리가 가까워짐에 따라 나타나는 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의한 액시톤(exciton) 에너지 이동 현상에 기인한 것이다.
실험예
4-2 :
TFI
-
IL
-
QDs
의 광학적 성질 측정 실험.
상기 실험예 4-1 과 동일한 방법으로 OA-QDs, 실시예 7, 실시예 10-1 및 실시예 10-2에서 제조한 TFI-IL-QDs과 OA-QDs의 PL 스펙트라를 측정함으로써, QDs 농도 변화에 광학적 성질 측정을 하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7을 살펴보면, QDs의 농도가 높아질수록 적색편이가 되는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해서 QDs의 농도 조절을 통해 TFI-IL-QDs의 발광세기 등의 광학적 성질을 조절할 수 있음을 확인할 수 있었다.
그리고, TFI-IL-QDs의 양자점 함량은 48 중량% 이상으로 증가시킬 수 없기 때문에 양자점의 함량뿐만 아니라 형광피크의 적색편이 현상이 약 48 중량%의 양자점 함량에서 포화됨을 알 수 있었다. 이러한 현상은 TFI-IL 리간드가 상온에서 액체 거동을 보이기 때문에 나노입자와 나노입자 간의 거리를 효과적으로 줄일 수 있음을 뒷받침하는 것이다.
실험예
5 :
TFI
-
IL
-
QDs
의 장기 분산안정성 측정 실험
TFI-IL-QDs(TFI-IL 52 중량%, QDs 48중량% 함유)을 DI 물(DI water)와 혼합하여, TFI-IL-QDs 를 각각 0.2 중량%, 1 중량% 및 3 중량%의 농도로 포함하는 수용액을 제조한 다음 2달간 방치하였다.
2 달간 방치한 각각의 수용액은 도 8에 나타내었으며, 365 nm 파장의 UV를 쬐여주면 수용액 전체적으로 녹색 형광을 보임을 확인할 수 있는데, 이를 통하여 2달 이상의 긴 기간이 지났음에도 용액 내에서 TFI-IL-QDs간 뭉침 없이 매우 좋은 분산성을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
[
층상자기조립법으로
다층박막필름의
제조]
제조예
7 ~
제조예
9
상기 실험예 5에서 제조한 TFI-IL-QDs 를 각각 0.2 중량%, 1 중량% 및 3 중량%의 농도로 포함하는 TFI-IL-QDs 수용액을 이용하여 다층박막필름을 제조하였으며, 다층박막필름은 음전하를 띠는 재료인 PSS(poly(sodium, 4-styrenesulfonate)와 함께 정전기적 인력을 기반으로 하는 층상자기조립법으로 제작하였다.
구체적으로 설명하면, PSS분산액은 0.2 M NaCl을 첨가하여, 1 ㎎/㎖ 농도로 준비하였으며, 층상자기조립 전에 실리콘기질(silicon substrates)를 RCA 용액(물:암모니아:과산화수소= 5:1:1 부피비)으로 세척하였다. 다음으로 TFI-IL-QDs 를 각각 0.2 중량%, 1 중량% 및 3 중량%의 농도로 포함하는 상기 TFI-IL-QDs 수용액 각각을 세척한 상기 기질에 10분 동안 적가한 다음, DI 물로 2회 세척했다.
다음으로 TFI-IL-QDs 가 코팅된 실리콘 기질 각각에 상기 PSS 분산액을 10 분 동안 적가한 다음 DI 물로 세척했다.
다음으로, 다시 TFI-IL-QDs 수용액 (0.2 중량%, 1중량% 및 3 중량% 농도) 각각을 상기 기질 각각에 10분 동안 적가하였다.
이러한 적가 사이클을 수회 반복하여, 다층박막필름을 제조하여 제조예 7 ~ 제조예 9를 실시하였으며, 다층박막필름의 각각 PSS 층의 두께는 1.5 nm 이하가 되도록 제조하였다.
실험예6
:
다층박막필름의
QCM
(
quartz
crystal
microbalance
) 측정 실험
상기 제조예 7 ~ 9에서 제조한 다층박막필름의 QCM 측정하였다. QCM 측정은 SRS사의 QCM20을 사용하여 각 흡수단계 후의 흡착된 물질의 질량을 측정하였으며, QCM 전극의 공명진동수(resonance frequency)는 5 MHz로 했다. TFI-IL-QDs 및 PSS 흡착량, ?은 하기 수학식 1의 사우어브레이 방정식(sauerbrey equation)을 사용하여 QCM 진동수(?)에 변화를 주면서 측정하였으며, 아르곤 가스를 사용하여 흡착된 층을 충분히 말린 후에 측정하였다. 그리고, 측정 결과는 도 9a ~ 도 9c에 각각 나타내었다.
[수학식 1]
ΔF(Hz) = -56.6 ×ΔmA (여기서, ΔmA는 ㎍·cm- 2 로서, QCM의 단위 면적 당 질량변화 값이다.)
도 9a의 측정 결과를 보면, TFI-IL-QDs수용액의 TFI-IL-QDs 농도가 증가함에 따라 음전하인 PSS 층 위에 적층되는 TFI-IL-QDs의 흡착량이 증가하였고, 이것은 층상자기조립법에서 나타나는 전형적인 흡착 등온 거동임을 확인할 수 있었다.또한 QCM 전극 위에 적층되는 한 층에서의 TFI-IL-QD 흡착량은 10분 이내에 포화됨을 확인할 수 있었다.
제조예 9의 다층박막필름(3 중량% 농도 TFI-IL-QDs 수용액/PSS) 에 대한 QCM 측정 결과인 도 9b를 보면, 각 층당 적층되는 TFI-IL-QDs의 평균 흡착량은 약 2.803±0.175 ㎍·cm-2이고, 필름의 두께는 약 50 nm 임을 확인할 수 있다.이 경우, TFI-IL-QDs는 이온염 첨가 또는 수소이온농도의 조절 없이 PSS와 층상조립하였는데, TFI-IL-QDGreen이 4nm CdSe 코어(밀도 : 5.81 g·cm-3)와 1nm ZnS쉘(밀도 : 3.89 g·cm-3)로 구성되어 있기 때문에, 층당 적층된 TFI-IL-QDGreen의 표면 흡착밀도는 약 45%임을 계산할 수 있고, 이것은 QDs가 약 1.0×1012 cm-2 적층 되었음을 알 수 있다. 이를 통하여 TFI-IL-QDs 용액의 농도를 증가시키면 흡착밀도는 더욱 증가될 수 있음을 확인할 수 있었다.
일반적으로, 이온염 첨가 혹은 수소이온농도에 따른 이온강도(ionic strength) 조절이 없을 경우, 나노입자 용액의 농도가 증가하면 같은 전하를 띠는 나노입자들 간에 발생하는 정전기적 척력이 강하게 발생하기 때문에 낮은 흡착밀도를 보인다. TFI-IL 리간드는 강한 전해질임에도 불구하고 공명 구조를 갖는 이미다졸 링에 의해 양전하의 힘이 분배가 되어 입자 간의 척력이 작게 발생하기 때문에 TFI-IL-QDs의 높은 흡착이 가능한 것으로 판단된다. 수소이온농도에 의존하는 약 전해질에서와는 달리, TFI-IL-QDs의 흡착량은 용액의 수소이온농도에 의한 영향을 받지 않는 것으로 판단되며, 이는 도 9c를 통해서 확인할 수 있었다.
상기 실시예 및 실험예를 통하여 이온성 액체(TFI-IL)를 금속 나노입자 및양자점 등의 무기나노구조체의 리간드로 도입함으로써, 상온에서 액체 거동을 갖는 무용매 무기 나노구조체-유체를 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다. 그리고,본 발명의 무용매 무기 나노구조체-유체는 TFI-IL이라는 특이한 리간드에 의해 양전하를 띠는 나노입자용액으로 이용될 수 있고, 따라서 층상자기조립법에 적용시켜 기능성 다층박막필름을 제작할 수 있었다. 뿐만 아니라 티올 그룹과 친화도가 높은 나노와이어 등의 다양한 기능성 나노 재료에 도입할 수 있을 것이라 기대한다. 또한, 본 발명을 통하여 다양한 전기적 소자의 제작을 위한 잉크젯 프린팅, 스크리닝프린팅 등의 공정 방법에 적용시킬 수 있을 뿐만 아니라 소자의 활성층 (active layer)으로써 이용될 수 있을 것이라 기대된다.
Claims (15)
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- 소수성 안정화제, 무기 나노구조체 및 무극성 용매를 함유한 혼합액; 및
하기 화학식 1로 표시되는 이온성 액체;
를 상전환 반응을 수행하여 제조하는 것을 특징으로 하는 무용매 무기 나노구조체-유체의 제조방법;
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, A 및 B는 독립적인 것으로서, 수소원자, 탄소수 1 ~ 3의 알킬기 또는 탄소수 1 ~ 5의 티올(thiol)기이며, 상기 R1 및 R2는 독립적인 것으로서, 수소원자 또는 탄소수 1 ~ 3의 알킬기이며, 상기X는 할로겐 원소이고, 다만, 상기 A 및 B 중 어느 하나는 탄소수 1 ~ 5의 티올기다. - 제8항에 있어서,
상기 상전환 반응은 10℃ ~ 35℃ 및 대기압 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 무용매 무기 나노구조체-유체의 제조방법. - 제8항에 있어서, 상기 소수성 안정화제는
탄소수 8 ~ 20을 함유한 카르복실산(carboxylic acid) 및 4급 암모늄 브로마이드(ammonium bromide) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무용매 무기 나노구조체-유체의 제조방법. - 제8항에 있어서, 상기 무극성 용매는
벤젠(benzene), 헥세인(hexane), 톨루엔(toluene), 이황화탄소(CS2), 사염화탄소(CCl4), 클로로포름(CHCl3), 디클로로메탄(CH2Cl2) 및 옥타데센(Octadecene) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무용매 무기 나노구조체-유체의 제조방법. - 제8항에 있어서, 상기 상전환 반응을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 무용매 무기 나노구조체-유체의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| CN107501188A (zh) * | 2017-07-18 | 2017-12-22 | 浙江工业大学 | 卤化‑1‑（4‑巯基丁基）‑3‑甲基咪唑离子液体及其制备方法与应用 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20110082452A (ko) * | 2010-01-11 | 2011-07-19 | 광 석 서 | 이온성 액체로 캡핑된 양자점 및 이의 제조방법 |
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2013
- 2013-03-06 KR KR1020130023790A patent/KR101301146B1/ko active IP Right Grant
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|---|---|---|---|---|
| CN107501188A (zh) * | 2017-07-18 | 2017-12-22 | 浙江工业大学 | 卤化‑1‑（4‑巯基丁基）‑3‑甲基咪唑离子液体及其制备方法与应用 |
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