KR101391323B1 - Cotton fibers with conductivity and the fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전도성을 갖는 면섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기적 특성이 없는 부도체인 천연 면섬유에 요도드를 도핑하여 전도성과 전자파 차폐성을 부여한 면섬유 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cotton fiber having conductivity and a method for producing the same. More particularly, the present invention relates to a cotton fiber which is an insulator having no electrical characteristics and which is imparted with conductivity and electromagnetic wave shielding property by doping iodide in a natural cotton fiber, and a manufacturing method thereof.

Description

전도성을 갖는 면섬유 및 이의 제조 방법 {Cotton fibers with conductivity and the fabrication method thereof} TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a cotton fiber having conductivity and a method of manufacturing the same,

본 발명은 전도성을 갖는 면섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기적 특성이 없는 부도체인 면섬유에 비금속 물질을 도핑하여 전도성과 전자파 차폐성을 부여한 면섬유 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cotton fiber having conductivity and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a cotton fiber having conductivity and electromagnetic wave shielding property by doping a non-metallic material to a non-conductive cotton fiber.

고분자 물질 내의 전하 수송 특성을 이해하기 위해, 고분자 내의 전기 전도 특성은 과거 20년 동안 광범위하게 연구되어 왔다. 또한 전하 주입 및 전하 이동 과정을 밝히는 것은 이 물질들의 향후 사용 가능성을 위해서도 필수적이다. 전도 메커니즘은 전하 운반 밀도(charge carrier density) 및 전하 운반 유동성(charge carrier mobility)와 같은 주로 수송 파라미터에 의해 특징지어진다. In order to understand the charge transport properties in polymeric materials, the electrical conductivity properties in polymers have been extensively studied for the past 20 years. Identification of charge injection and charge transfer processes is also essential for future use of these materials. The conduction mechanism is characterized primarily by transport parameters such as charge carrier density and charge carrier mobility.

본 발명에서 고분자의 수송 특성에 대한 도핑 효과는 주목할 만한 것이었다. 화학적, 광화학적 또는 전기화학적 도핑은 고유 전하 운반체를 유기 반도체 내로 도입하는 데 사용되어 왔다. 거대고분자 매트릭스와 반응하는데 있어서, 도핑 물질은 이들의 화학 구조와 방식에 따라 폴리머의 비저항을 감소시키는 정도가 다르다. 또한 이러한 특성은 천연 면 섬유에 다양한 가능성을 제공한다. In the present invention, the doping effect on the transport properties of the polymer was noteworthy. Chemical, photochemical, or electrochemical doping has been used to introduce intrinsic charge carriers into organic semiconductors. In reaction with the macromolecular matrix, the doping materials differ in their degree of reducing the specific resistance of the polymer depending on their chemical structure and manner. These properties also provide various possibilities for natural cotton fibers.

셀룰로오스 섬유(CFs)는 입자 크기는 더 작으며, 입자의 경계부분은 비교적 큰 폴리크리스탈 물질로 간주될 수 있다. 더욱이, 셀룰로오스 섬유는 가공 조건에 따라 다양한 형태(morphology)를 가질 수 있다. 또한 이들은 동일한 화학 단위로 구성되어 있는 경우라도,

Figure 112012005847753-pat00001
,
Figure 112012005847753-pat00002
Figure 112012005847753-pat00003
과 같은 내부 수소 결합의 수는 셀룰로오스 섬유에 있어 정렬도(ordering)를 결정한다. (Abhishek S, Samir OM, Annadurai V, Gopalkrishne Urs R,Mahesh SS, Somashekar R (2005) Eur Polym J 41:2916)Cellulosic fibers (CFs) are smaller in particle size, and the boundaries of the particles can be regarded as relatively large polycrystalline materials. Moreover, the cellulose fibers can have various morphologies depending on the processing conditions. Also, even if they are composed of the same chemical unit,
Figure 112012005847753-pat00001
,
Figure 112012005847753-pat00002
And
Figure 112012005847753-pat00003
The number of internal hydrogen bonds, such as < RTI ID = 0.0 > S, < / RTI > determines the ordering in the cellulose fibers. (Abhishek S, Samir OM, Annadurai V, Gopalkrishne Urs R, Mahesh SS, Somashekar R (2005) Eur Polym J 41: 2916)

또한 다른 가공 조건을 적용함에 따라, 그 결과 얻어지는 셀룰로오스 섬유의 형상도 달라질 수 있다. 또한 이것은 그 결과 얻어지는 생성물의 물리적 특성의 변화를 유도하게 된다. 섬유와 매트릭스간의 다양한 화학 처리, 그래프팅, 커플링 및 고분자 슬리브에 의한 섬유의 물리적 범위 등의 다양한 시도를 통하여 많은 연구자 그룹이 이들의 변화에 관해 연구하여 왔다. 그런데, 대부분의 연구가 전도성 면 섬유를 생산하는 데 있어, 물질의 파괴가 필요하지 않고, 상당한 전도성을 제공하는 인시츄(in-situ) 중합에 집중되어 왔다. (Oh KW, Hong KH, Kim SH (1999) J Appl Polym Sci 74:2094) Also, by applying different processing conditions, the shape of the resultant cellulose fibers may also vary. This also leads to a change in the physical properties of the resulting product. Many research groups have been studying these changes through various attempts, such as various chemical treatments between fibers and matrices, grafting, coupling, and physical range of fibers by polymeric sleeves. However, most studies have focused on in-situ polymerization, which does not require the destruction of materials and provides significant conductivity, in producing conductive cotton fibers. (Oh KW, Hong KH, Kim SH (1999) J Appl Polym Sci 74: 2094)

면 섬유에 적절한 불순물을 도핑하면 전기 전도도 및 전하-저장 능력은 큰 영향을 받는다. 이들 섬유는 정전기 소멸 및 전자기 방해 차폐와 같은 가정 및 상업적 응용 제품 분야뿐만 아니라 필터와 같은 산업적 응용 제품에도 사용된다. 또한 이들 섬유의 마이크로파 흡수 특성 또한 매우 바람직하므로, 스텔스 기술의 위장 및 레이더 보호 섬유제품과 같은 군사적 용도에도 사용될 수 있다.The conductivity and charge-storage capability of the cotton fiber are greatly affected by doping with appropriate impurities. These fibers are used in industrial applications such as filters as well as in home and commercial applications such as electrostatic discharge and electromagnetic interference shielding. The microwave absorption properties of these fibers are also highly desirable and can be used in military applications such as camouflage and stealth technology in stealth technology.

본 발명은 합성섬유에 비해서 피부접촉성이 우수하며, 친밀감이 뛰어나서 피부와의 밀착성이 뛰어난 친환경물질이며 또한 열적 안정성도 우수하여 고온세탁이 가능하면서 전도성을 유지하는 면섬유를 제작하는 것이다.The present invention relates to a cotton fiber which is excellent in skin contact property, excellent in intimacy, excellent in adhesion to skin and excellent in thermal stability, and capable of washing at high temperature while maintaining conductivity, compared with synthetic fibers.

또한 본 발명은 유해 전자파를 발산시키는 각종 전자 제품이나 부품 등에 부착하여 유해 전자파를 흡수하거나 차폐시키는 기능을 부여할 수 있는 면섬유를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a cotton fiber which can be attached to various electronic products or parts that emit harmful electromagnetic waves to absorb or shield harmful electromagnetic waves.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, In order to solve the above technical problem,

본 발명은 (1) 천연 면섬유를 NaOH 용액에 담갔다가 세척하는 단계; (2) 상기 NaOH 처리된 면섬유를 알코올에 용해된 요오드 용액에 담그는 단계; 및 (3) 상기 요오드 용액에서 면섬유를 꺼내어 건조시키는 단계;를 포함하는 요오드가 도핑된 전도성 면섬유의 제조 방법을 제공한다. (1) immersing and washing the natural cotton fiber in a NaOH solution; (2) immersing the NaOH-treated cotton fiber in an iodine solution dissolved in alcohol; And (3) removing the cotton fiber from the iodine solution and drying the cotton fiber. The present invention also provides a method for producing an iodine-doped conductive cotton fiber.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 사용되는 NaOH 용액의 농도는 10 - 40 부피% 인 것이 바람직하고, NaOH 용액에 면섬유를 담그는 과정은 15 ℃이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. According to an embodiment of the present invention, the concentration of the NaOH solution used is preferably 10-40 vol%, and the process of soaking the cotton fiber in the NaOH solution is preferably performed at a temperature of 15 ° C or lower.

또한 본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 요오드 용액의 농도는 3 - 15 부피% 일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 응용되는 제품에 따라 달라진다. 또한 면섬유의 건조 과정은 60 - 90 ℃ 에서 수행될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the concentration of the iodine solution may be 3-15 vol%, but it is not limited thereto and varies depending on the applied product. Also, the drying process of the cotton fiber can be performed at 60 - 90 캜.

궁극적으로 본 발명은 천연 면섬유에 요오드가 도핑된 것을 특징으로 하는 전도성과 전자파 차폐성을 갖는 면섬유를 제공한다.Ultimately, the present invention provides a cotton fiber having conductivity and electromagnetic wave shielding property, characterized by iodine-doped natural cotton fiber.

본 발명에서는 전기적 부도체인 천연 면섬유에 요오드를 도핑하여 우수한 전도성을 부여하였다. 요오드-도핑된 셀룰로오스 섬유의 광전도도는 본 발명에서 최초로 밝혀내었으며, 순수한 셀룰로오스 섬유 및 도핑된 셀룰로오스 섬유의 전도도를 조사하여, i) 여러 가지 농도의 도펀트가 도핑되는 경우, 고분자 매트릭스의 전도 특성 변화에 관계된 도펀트 분자의 거동, ⅱ) 온도 및 전기장 모두에 의존하는 전하 운반 이동 메커니즘, 및 ⅲ) 광물리적 특성에 미치는 도핑의 효과 등을 밝혀낼 수 있었다. 또한 이러한 요오드 도핑을 통하여, 고분자 물질에 절연물질부터 금속 유사 물질에 이르는 넓은 범위에 걸쳐 다양한 전기전도도를 부여할 수 있었다. In the present invention, iodine is doped in an electrically non-conductive natural cotton fiber to impart excellent conductivity. The photoconductivity of iodine-doped cellulosic fibers was first disclosed in the present invention and the conductivity of pure cellulosic fibers and doped cellulosic fibers was investigated to find that the i) , (Ii) the charge transport mechanism depending on both the temperature and the electric field, and (iii) the effect of doping on the photophysical properties. Through such iodine doping, various electrical conductivities can be imparted over a wide range from an insulating material to a metal-like material in a polymer material.

본 발명에 따른 면섬유는 합성섬유에 비해서 피부접촉성이 우수하며, 친밀감이 뛰어나서 피부와의 밀착성이 뛰어난 친환경물질이며 또한 열적안정성도 우수하여 고온세탁이 가능하면서 전도성과 전자파 차폐성을 보유할 수 있다. 또한 기존의 합성 섬유에 코팅이나 도금 등의 방식이 아닌 내부의 화학적 결합을 통해서 제조되었기 때문에 씻기거나 벗겨지지 않아 오랜 시간 동안 특성유지가 가능하다. 또한 섬유의 유연성을 그대로 갖고 있기 때문에 형태변화시 안정성이 뛰어나며, 공정이 간단하기 때문에 대량생산에도 유리하고, 금속물질이 표면에 코팅되는 방식이 아니기 때문에 표면 산화 등의 문제도 없다는 장점이 있다.The cotton fiber according to the present invention is superior to synthetic fibers in skin contact, has excellent intimacy, is an environment-friendly material having excellent adhesion with skin, and has excellent thermal stability, so that it can be washed at high temperature and can have conductivity and electromagnetic wave shielding. In addition, since the existing synthetic fibers are manufactured by chemical bonding, not by coating or plating, they are not washed or peeled, so that the characteristics can be maintained for a long time. In addition, since it has the flexibility of fiber, it is excellent in stability in shape change, and is advantageous in mass production because the process is simple, and there is no problem of surface oxidation because metal material is not coated on the surface.

또한 본 발명은 기존의 전도성 섬유와는 달리 전기적 타입(electric type)이 존재하기 때문에 입는 태양전지의 제작도 가능하고, 섬유 자체가 태양 전지가 될 수 있으므로 국방용이나 민간분야에 널리 사용할 수 있을 것이다.In addition, unlike conventional conductive fibers, the present invention can be used for military and civilian applications since an electric type can be used to manufacture a solar cell, and the fiber itself can be a solar cell .

도 1은 비도핑된 셀룰로오스 섬유 및 요오드 도핑된 셀룰로오스 섬유에 대한 누설 전류 대 온도의 아레니우스(Arrhenius) 그래프이다.
도 2는 비도핑된 셀룰로오스 섬유 및 요오드 도핑된 셀룰로오스 섬유에 대한 log I-V 그래프로서, 누설 전류의 전압 의존성을 보여준다.
도 3은 비도핑된 셀룰로오스 섬유 및 요오드 도핑된 셀룰로오스 섬유에 대한 V1/2의 함수로서의 log I를 나타낸다.
도 4는 암흑 상태 및 UV 조명하에서 측정된 요오드 도핑된 셀룰로오스 섬유에 대한 I-V 특성 곡선을 나타내는 그래프로서, 다른 조명하에서 요오드 도핑된 셀룰로오스 섬유의 광반응 그래프가 삽입되어 있다.
Figure 1 is an Arrhenius graph of leakage current versus temperature for undoped cellulosic fibers and iodine doped cellulosic fibers.
2 is a log IV graph for undoped cellulosic fibers and iodine-doped cellulosic fibers, showing the voltage dependence of the leakage current.
Figure 3 shows the log I as a function of V 1/2 for undoped cellulose fibers and iodine-doped cellulosic fibers.
4 is a graph showing IV characteristic curves for iodine-doped cellulosic fibers measured under dark conditions and under UV illumination, with the photoreaction graph of iodine-doped cellulosic fibers being inserted under different illumination.

이하에서 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 전도성 및 전기적 타입을 갖는 면섬유 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 전도성 섬유의 제조방법에 있어서 면 섬유에 요오드(Iodine)를 첨가하여 제조한다.The present invention relates to a cotton fiber having a conductive and an electric type and a method for producing the same, wherein the conductive fiber is produced by adding iodine to the cotton fiber.

구체적으로 본 발명에 따른 전도성 면섬유는 (1) 천연 면섬유를 NaOH 용액에 담갔다가 세척하는 단계; (2) 상기 NaOH 처리된 면섬유를 알코올에 용해된 요오드 용액에 담그는 단계; 및 (3) 상기 요오드 용액에서 면섬유를 꺼내어 건조시키는 단계;를 포함하는 방법으로 제조된다. Specifically, the conductive cotton fiber according to the present invention comprises: (1) immersing and washing the natural cotton fiber in a NaOH solution; (2) immersing the NaOH-treated cotton fiber in an iodine solution dissolved in alcohol; And (3) removing the cotton fiber from the iodine solution and drying it.

본 발명에 따른 전도성 면섬유 제조 방법의 전처리 과정으로 NaOH 용액을 통한 정제과정을 포함하는데, 이러한 정제과정은 면섬유를 더욱 활발한 상호작용이 가능한 상태로 만들어준다. The process of preparing a conductive cotton fiber according to the present invention includes a purification process through NaOH solution as a pretreatment process, which makes the cotton fiber more active in interaction.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 사용되는 NaOH 용액의 농도는 10 - 40 부피% 인 것이 바람직하고, NaOH 용액에 면섬유를 담그는 과정은 15 ℃이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. According to an embodiment of the present invention, the concentration of the NaOH solution used is preferably 10-40 vol%, and the process of soaking the cotton fiber in the NaOH solution is preferably performed at a temperature of 15 ° C or lower.

또한 본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 요오드 용액의 농도는 3 - 15 부피% 일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 응용되는 제품에 따라 달라진다. 또한 면섬유의 건조 과정은 60 - 90 ℃ 에서 수행될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the concentration of the iodine solution may be 3-15 vol%, but it is not limited thereto and varies depending on the applied product. Also, the drying process of the cotton fiber can be performed at 60 - 90 캜.

NaOH 및 요오드 용액의 농도와 처리 온도의 범위는 여러 차례의 실험을 통해 얻어진 범위로서, 이 범위에서 전도성이 우수한 면섬유가 재현성 있게 제조될 수 있었다. The concentration of NaOH and iodine solution and the range of treatment temperature were obtained through several experiments. In this range, cotton fibers with excellent conductivity could be produced reproducibly.

또한 본 발명은 천연 면섬유에 요오드가 도핑된 것을 특징으로 하는 전도성과 전자파 차폐성을 갖는 면섬유를 제공한다.Also, the present invention provides a cotton fiber having conductivity and electromagnetic wave shielding property, wherein iodine is doped in a natural cotton fiber.

요오드와 면섬유와 공유결합을 통해 전도성 섬유로 변화되는 것이 본 발명의 특징이다. 종래에는 금속물질의 첨가를 통해서 전도성 섬유를 제조함으로써 2차 제작과정에서 많은 제약이 있지만 본 발명에서는 이러한 문제점이 해결되었다.It is a feature of the present invention that the conductive fiber is changed into covalent bond with iodine and cotton fiber. Conventionally, there are many restrictions in the secondary fabrication process by manufacturing the conductive fiber through the addition of the metal material, but this problem has been solved in the present invention.

본 발명에서는 순수한 셀룰로오스 섬유 및 요오드가 도핑된 셀룰로오스 섬유의 전기적 수송 및 광전도성에 관해 실험하였다. 실험은 전기장을 1-100 V cm-1 범위에서 변화시키면서 온도 293-363 K에서 수행하였다. 실험 결과 요오드 도핑된 셀룰로오스 섬유의 전도도는 도핑되지 않은 시료에 비해 네 자릿수(orders) 이상 증가되어 현저한 향상 효과를 보였다.In the present invention, experiments were conducted on the electrical transport and photoconductivity of pure cellulose fibers and iodine-doped cellulosic fibers. The experiments were carried out at 293-363 K with varying electric field in the range of 1-100 V cm -1 . Experimental results showed that the conductivity of iodine - doped cellulose fibers was significantly improved by four orders of magnitude over the undoped samples.

또한 본 발명에 따르면 요오드 도핑된 섬유의 전기 전도성은 Ohm의 법칙을 따르는 반면, 도핑되지 않은 섬유는 bulk-limited Pool-Frenkel 전도 메커니즘을 따를 가능성이 높은 것으로 밝혀졌다. 특히, 본 발명의 UV 및 가시 영역에서의 분명환 광전도 반응은 밴드 투 밴드 전자-홀 쌍의 생성에 광전도가 필수적이며, 도핑된 셀룰로오스 섬유는 광생성된 운반체의 좋은 전도체라는 사실을 보여준다.
It has also been found, according to the present invention, that the electrical conductivity of iodine doped fibers follows Ohm's law, while undoped fibers are more likely to follow a bulk-limited Pool-Frenkel conduction mechanism. In particular, the clear-light-directing response in the UV and visible regions of the present invention demonstrates that photoconductivity is essential for the production of band-to-band electron-hole pairs and that the doped cellulose fibers are good conductors of the photogenerated carrier.

한편 전자파를 차폐시키는 물질로는 전도성이 우수한 순수 금속 즉 금, 은, 동, 니켈, 백금 등이 알려져 있으며, 이들 금속을 씌우는 등의 방법 등이 전자파를 차폐에 이용되어 왔다. 그러나 전자파를 차폐시키는데 우수한 물질은 재질이 전도성인 금속으로서 그 응용에 있어 가공에 많은 제약이 뒤따랐다. 예를 들어 굴곡성을 갖는 비전도성인 소재에 전기적 특성을 부여하는 유해 전자파를 흡수하거나 차폐시키는 기능을 갖는 소재에 적용하기 위해서는 금속을 섬유에 씌우거나, 도전성 도료를 칠하는 방법, 도금 또는 진공 증착하는 방법이 있으나, 이와 같은 방법으로 제조된 소재는 절차가 복잡하고, 비용이 많이 들며, 금속의 섬유표면에의 밀착력이 떨어지고 전자파 차폐성 면에서 문제가 있기 때문에 응용 분야에서 제한적으로 이용되고 있다.On the other hand, as a material for shielding electromagnetic waves, pure metals excellent in conductivity such as gold, silver, copper, nickel, and platinum have been known. These metals have been used for shielding electromagnetic waves. However, the excellent material for shielding electromagnetic waves is metal which is a conductive material. For example, in order to be applied to a material having a function of absorbing or shielding harmful electromagnetic waves that impart electrical characteristics to a flexible material having nonconductive properties, a method of covering a metal with a fiber, coating a conductive paint, plating or vacuum deposition However, the material produced by this method is used in a limited range of applications because of complicated procedures, high cost, low adhesion of metal to the surface of the fiber, and problems in electromagnetic shielding.

또한 본 발명은 기존의 전도성 섬유와는 달리 전기적 타입(electric type)이 존재하기 때문에 입는 태양전지의 제작도 가능하다. 즉 섬유자체가 태양 전지가 되므로 국방용이나 민간분야에 널리 사용할 수 있을 것이다.In addition, since the present invention has an electric type unlike conventional conductive fibers, it is possible to manufacture a solar cell to be worn. In other words, since the fiber itself becomes a solar cell, it can be widely used for defense and private sector.

또한 본 발명과 같이 천연 면섬유에 요오드를 첨가하면 전기적으로 n-타입인 전도성 면섬유를 제조할 수 있다. C를 첨가시 p-tpye가 될 것으로 예상된다. 이때 천연 면섬유에 첨가되는 요오드의 양은 각 응용분야에 맞도록 조절할 수 있다. 또한 본 발명은 천연 면섬유에 요오드와 C를 첨가해서 p-n 구조를 제조하거나 또는 천연 면섬유에 요오드와 p-형의 합성섬유 결합시켜 p-n 구조를 제조하는 방법을 제공한다. 이를 응용하여 다양한 형태의 태양전지를 만들 수 있을 것이다. Also, when iodine is added to a natural cotton fiber as in the present invention, an electrically n-type conductive cotton fiber can be produced. It is expected to be p-tpye when C is added. At this time, the amount of iodine added to the natural cotton fiber can be adjusted for each application. The present invention also provides a method for producing a p-n structure by adding iodine and C to a natural cotton fiber, or a synthetic fiber bonded with iodine and p-type to a natural cotton fiber. It can be applied to various types of solar cells.

또한 본 발명에 따른 전도성 천연 면섬유는 입는 태양전지 또는 입는 발열옷에도 이용할 수 있다.
The conductive natural cotton fibers according to the present invention can also be used for wearing solar cells or wearing thermal apparel.

이하, 본 발명의 구성 및 특성을 이하 실시예를 참조하여 설명하나, 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 것일 뿐 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
Hereinafter, the structure and characteristics of the present invention will be described with reference to the following examples, which should be construed as illustrative only and not for the purpose of limiting the scope of the present invention.

실시예Example

먼저, 순수한 섬유와 도핑된 섬유를 준비하기 위해 목화섬유 1g을 준비했다. 목화섬유는 도핑 작업을 시작하기 전에 세척과정을 거쳐야 한다. 세척 후, 목화섬유를 20 부피% NaOH 용액에 넣고, 15℃ 이하의 온도로 2분간 수조에 유지시켰다. 수조에서 꺼내어 물로 여러 번 씻고, 20 ℃, 65% 상대습도의 표준 조건에서 건조시켰다. 이 작업은 목화섬유의 안정성과 시약의 흡수력을 높일 수 있으므로 도핑과 전도성 폴리머 가공에 유익하다. First, 1 g of cotton fiber was prepared to prepare pure fibers and doped fibers. Cotton fibers must be cleaned before starting the doping process. After washing, the cotton fibers were put into 20 vol% NaOH solution and kept in a water bath at a temperature of 15 DEG C or less for 2 minutes. Taken out of the water bath, washed several times with water, and dried under standard conditions of 20 ° C and 65% relative humidity. This work is beneficial for doping and conductive polymer processing because it can increase the stability of cotton fibers and absorption of reagents.

도핑된 샘플을 준비하는 데는 등온 담금 기술을 이용했다. 요오드는 5% 농도로 에탄올에 용해시켰다. 머서라이즈드 섬유(mercerized fiber)를 이 용액에 15분 동안 수직으로 담갔다가 꺼낸 후 평형상태에 이를 때까지 대기 중에서 6시간 동안 70℃에서 열처리했다.
Isothermal immersion techniques were used to prepare the doped samples. Iodine was dissolved in ethanol at a concentration of 5%. The mercerized fiber was immersed in this solution for 15 minutes in a vertical manner, taken out and heat treated at 70 ° C for 6 hours in the atmosphere until equilibrium was reached.

시험예Test Example

순수한 pure 면섬유와Cotton fiber 도핑된Doped 면섬유의Cotton 전도성 비교 Conductivity comparison

실버 전극과 샘플(1.0 x 0.5 x 0.2 cm3)을 특정 온도 챔버의 두 텅스텐 전극 사이에 샌드위치처럼 끼웠다. 나노암페어의 낮은 전류 레벨 특성은 암흑 상태 및 UV 조명(254 nm)하에서 대기하에 Keithley 617의 전위계로 측정하였다. 이 측정은 금속-목화와 섬유-금속구조로 전류-전압(I-V)과 전류-시간(I(t))의 방법으로 293-363 K의 온도 및 1-100 V cm-1의 전기장에서 각각 실시되었다. 온도는 표본과 완벽히 접촉한 구리 콘스탄탄 열전대(constantan thermocouple)를 이용하여 측정하였다.A silver electrode and sample (1.0 x 0.5 x 0.2 cm 3 ) were sandwiched between two tungsten electrodes in a specific temperature chamber. The low current level characteristics of the nanoamperes were measured by an electrometer of Keithley 617 under dark conditions and under UV illumination (254 nm). This measurement is carried out at a temperature of 293-363 K and an electric field of 1-100 V cm -1 in the form of current-voltage (IV) and current-time (I (t)) with metal-cotton and fiber- . The temperature was measured using a constantan thermocouple in complete contact with the specimen.

순수한 셀룰로오스 섬유와 본 발명의 실시예에 따른 요오드 도핑된 셀룰로오스 섬유에 대해 전압 및 온도의 함수로서 전류를 측정했다. 먼저 순수한 셀룰로오스 서유에 전압을 가한 경우, 매우 소량의 전류를 얻었다. 전류는 최대 100V의 전압에 이르기까지 10-9A를 초과하지 않았다. Current was measured as a function of voltage and temperature for pure cellulose fibers and iodine doped cellulosic fibers according to an embodiment of the present invention. First, when a voltage was applied to pure cellulose wax, a very small amount of current was obtained. The current did not exceed 10 -9 A up to a voltage of up to 100V.

전기전도도는 샘플을 통과하는 전류의 흐름을 측정하여 r = I (l/SV)로 계산된다. 여기서 L(cm)는 샘플의 길이, S(cm2)는 면적, V는 물질을 가로지르는 전압(potential) 그리고 I는 정상 관찰된 정상 전류이다. Electrical conductivity is calculated as r = I (l / SV) by measuring the current flow through the sample. Where L (cm) is the length of the sample, S (cm 2 ) is the area, V is the voltage across the material, and I is the normal observed normal current.

순수한 셀룰로오스 섬유의 전기 전도도는 실온에서 약 7.8 x 10-1-1cm- 1 였다. 다른 형태의 전기전도도는 σ = ∑ qi ni μi로 표현할 수 있으며, 여기서 ni는 전하 운반 밀도, μi는 전하 운반 이동도이다. 전도도(~8 x 10-10-1 cm-1)와 평균 이동성(~10-3 cm2 V-1s-1)의 값을 상기 식에 넣어, 이 바이어스 범위에서의 전기전도도에 기여하는 전하 운반체의 수가 n0 ~1010 cm-3인 것을 알아냈다. The electrical conductivity of the pure cellulose fiber is from about 7.8 x 10 -1 Ω -1 cm at room temperature and 1. Other forms of electrical conductivity can be expressed as σ = Σ qi ni μi, where ni is the charge transport density and μi is the charge transport mobility. The values of conductivity (~ 8 x 10 -10 Ω -1 cm -1 ) and average mobility (~ 10 -3 cm 2 V -1 s -1 ) are added to the above equation and the contribution to electrical conductivity in this bias range And the number of charge carriers is n 0 to 10 10 cm -3 .

반면, 본 발명의 실시예에 따른 도핑된 샘플에 대한 정상상태 전류 값은 동일한 작동 온도와 전기장에서 순수한 셀룰로오스 섬유에 대해 측정된 값 보다 높았다. 섬유의 전도도는 요오드 도핑에 의해 네 자릿수 이상 증가되어, 실온에서 5.6 x 10-6-1cm-1인 것으로 나타났다. 따라서 계산된 전하 운반체의 수 또한 ~1010 cm- 3 에서 ~1014 cm- 3 로 증가하였다. On the other hand, steady state current values for the doped samples according to embodiments of the present invention were higher than those measured for pure cellulose fibers at the same operating temperature and electric field. Conductivity of the fiber was increased by four digits or more by iodine doping and was found to be 5.6 × 10 -6 Ω -1 cm -1 at room temperature. Therefore, the calculated charge carriers also ~ 10 10 cm - was increased to 3 - ~ 10 14 cm 3.

본 발명에 따른 전기전도도의 증가는 다음과 같이 설명할 수 있다. 불순물 분자가 존재하는 경우 두 개의 특정 부분을 연결하고, 그들 사이의 포텐셜 장벽을 낮추기 시작한다. 따라서 그 두 특정 부분의 전하 운반체의 이동을 촉진시킨다. 이러한 현상은 폴리머 내에서 전하 이동 복합체가 형성되어 이들이 운반체상의 "handing on"에 의한 트래핑 효과를 효과적으로 감소시키기 때문에 발생한다. 본 발명에서 전기장의 증가와 함께 전도도 향상은 대량 생성된 자유 운반체 밀도의 점진적 증가로 인한 것임을 유추할 수 있다.
The increase in electric conductivity according to the present invention can be explained as follows. When impurity molecules are present, they connect two specific moieties and begin to lower the potential barrier between them. Thus promoting the movement of the charge carriers of the two specific portions. This phenomenon occurs because charge transfer complexes are formed in the polymer and they effectively reduce the trapping effect by "handing on" on the carrier. It can be inferred from the present invention that the increase in electric field and the improvement in conductivity are due to the gradual increase in bulk carrier density.

온도-전류 특성Temperature-current characteristics

셀룰로오스 섬유의 전도 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해, 본 발명자는 실온과 363K에서 가열 및 냉각 사이클 동안 순수한 샘플과 도핑된 샘플의 투 포인트 프로브(two-point probe) 전도도 측정 실험을 실시하였다. 도 1은 순수한 샘플에서 얻어진 100V에서의 전류를 온도의 함수로써 보여준다. 전류 대 103/T는 활성화 에너지를 평가하기 위해, 셀룰로오스 섬유 샘플들에 대해 도식화하였다. (도 1)To better understand the conduction mechanism of cellulose fibers, the present inventors conducted a two-point probe conductivity measurement experiment of a pure sample and a doped sample at room temperature and at 363 K during heating and cooling cycles. Figure 1 shows the current at 100 V obtained from a pure sample as a function of temperature. The current versus 10 < 3 > / T was plotted for the cellulose fiber samples to evaluate the activation energy. (Fig. 1)

주어진 전압에서 전류는 온도 증가와 함께 증가했으며, 두 개의 기울기로 나타났다. 323K 이하의 저온 영역에서의 전도성은 약간의 변화가 있는 반면 고온 영역에서는 전도성에 급격한 변화가 있었다. 두 영역에서의 전기전도도의 온도 계수는 포지티브(positive)였으며, 이에 따라 샘플들은 반도체의 특성을 가진다. 셀룰로오스 물질은 건조될 경우, 뛰어난 전기 절연체로서, 특정 전이온도에서 구조 변형을 나타내고, 다수의 트랩을 포함한다. 따라서 전도성 폴리머의 복합적인 몰폴로지는 고유한 전도 특성을 결정하기 어렵게 만든다. At a given voltage the current increased with increasing temperature and appeared as two slopes. There was a slight change in the conductivity in the low temperature range of 323 K or less, and a drastic change in the conductivity in the high temperature range. The temperature coefficient of electrical conductivity in the two regions was positive, so that the samples have the characteristics of semiconductors. Cellulosic materials, when dry, are excellent electrical insulators, exhibiting structural deformations at certain transition temperatures, and containing a large number of traps. Thus, the complex morphology of the conductive polymer makes it difficult to determine the inherent conductivity characteristics.

결과적으로, 전하 운반체 생성과 연관된 전도성과 온도 사이의 지수 함수 관계(exponential relationship)는, 고유의 밴드 전이뿐만 아니라 다른 열적 활성화 과정과도 관련이 있다. 이러한 섬유의 전도 특성은 현재 상태를 편재화된 상태로 올리는 비정질 영역의 성질에 의한 것일 수도 있다. 머서라이즈드 셀룰로오스 섬유가 혼합결정 (cellulose I 또는 cellulose II) 및/또는 비정질 셀룰로오스상으로 간주된다는 사실은, 고온에서의 전기 전도도의 증가가 고분자 재료의 비정질 영역을 통해 전자 또는 이온이 유리되도록 할 수도 있다. As a result, the exponential relationship between conductivity and temperature associated with charge carrier generation is associated with not only inherent band transfer but also other thermal activation processes. The conduction properties of such fibers may be due to the nature of the amorphous region which raises the current state to a singulated state. The fact that the mercerized cellulose fibers are considered as mixed crystals (cellulose I or cellulose II) and / or amorphous cellulose may indicate that an increase in electrical conductivity at high temperatures may result in electrons or ions being liberated through the amorphous regions of the polymeric material have.

표면, 벌크 쌍극자 상태, 분자 이온 상태, 불순물, 분자 사슬의 끝과 가지 및 결정질-비정질 경계와 같은 편재화된 상태로 전하운반체가 이동하고 빠져나가는 것의 도움에 의해 분자 운동이 시작되며, 이에 따라 폴리머의 전도성이 증가한다. 두 활성화 에너지의 존재는 혼합 결정(cellulose I or cellulose II) 및/또는 비결정질 셀룰로오스상과 연관되어 있을 것으로 생각된다. 따라서 전기적 수송은 입자 경계로 인한 포텐셜 장벽과 동종성(homogeneities)에 의해 영향을 받는 것 같다.
Molecular motion is initiated by the help of the charge carrier moving and exiting in a unified state, such as the surface, bulk dipole states, molecular ion states, impurities, ends and branches of the molecular chains and crystalline-amorphous boundaries, The conductivity of the substrate increases. The presence of both activation energies is thought to be associated with mixed crystals (cellulose I or cellulose II) and / or amorphous cellulose phase. Thus, electrical transport is likely to be influenced by potential barriers and homogeneities due to grain boundaries.

도 1에 의하면, 요오드를 도핑한 경우에도 전도도와 온도 의존성의 일반적인 경향은 유사했다. 즉 그래프 곡선은 도핑되지 않은 셀룰로오스 섬유와 같이 온도 활성화된 거동이 포지티브(positive)로 나타났다. 1, the general tendency of conductivity and temperature dependency was similar even when iodine was doped. That is, the graph curve shows that the temperature-activated behavior is positive as in the case of undoped cellulose fibers.

온도 의존성 측정 전 후의 도핑된 샘플의 실온 전도도는 실질적으로 거의 변화가 없었는데, 어닐링된 샘플이 상승된 온도에서 공기 안정성을 보이고 평형 상태에 가깝다는 것을 보여주었다. 이 온도 범위(50-100 ℃)에서 얻은 활성화 에너지는 각각 순수한 셀룰로오스 섬유에 대해서 0.68 eV였으며, 동일한 온도 범위에서 도핑된 샘플에 대해 1.03 eV였다. 높은 도핑 수준에서는 요오드 분자의 부가적인 무질서를 유발하고, 호핑(hopping) 중심의 농도가 높아지게 한다는 것이 발견되었다. The room temperature conductivity of the doped sample before and after the temperature dependency measurement showed virtually no change, showing that the annealed sample showed air stability at elevated temperatures and was close to equilibrium. The activation energies obtained in this temperature range (50-100 ° C) were 0.68 eV for pure cellulose fibers and 1.03 eV for doped samples in the same temperature range, respectively. It has been found that at higher doping levels, additional iodine molecules are disordered and the concentration of the hopping center is increased.

도판트 분자는 비결정 영역에서 폴리머 분자 사이를 연결시키고, 추가적인 트래핑 중심으로 역할을 함으로써 전하 운반 복합체를 형성한다. 편재화된 부분이 많기 때문에, 이 상태에서 운반체의 유리(release) 또는 여기(excitation)가 전도 과정을 지배한다. 샘플에는 낮은 에너지 범위의 얕은 트랩과 높은 에너지 범위의 깊은 트랩이 존재한다. 전도와 원자가 전자대 사이에 깊은 트랩이 놓여있는 반면 얕은 트랩은 연속적인 프리 레벨 아래 존재한다. 충분히 낮은 온도에서, 전자는 깊게 갇혀있다. 그러나 온도를 상승시킴에 따라, 여기되어 깊은 트랩이 얕은 트랩 또는 전도대로 들어가게 하고, 전도과정에 참여하게 된다. The dopant molecules connect the polymer molecules in the amorphous region and serve as additional trapping centers to form the charge transport complex. Since there are many unidirectional parts, the release or excitation of the carrier in this state dominates the conduction process. The sample has low energy range shallow traps and high energy range deep traps. The deep trap lies between the conduction and the valence electron band, while the shallow trap lies below the continuous free level. At sufficiently low temperatures, the electrons are trapped deep. However, as the temperature rises, it is excited to let the deep trap enter the shallow trap or conduction band and participate in the conduction process.

조사된 샘플(0.68 eV)에 대한 활성화 에너지의 낮은 값은 전기적인 전도가 우세하다는 것을 나타낸다. 반면 낮은 온도에서 높은 값은 이온성 전도의 참여를 나타낸다.
A low value of activation energy for the irradiated sample (0.68 eV) indicates that electrical conduction is predominant. On the other hand, high values at low temperatures indicate the participation of ionic conduction.

전류-전압 특성Current-voltage characteristic

비도핑된 및 도핑된 샘플을 통하여 흐르는 전류는 실온의 일정 온도에서 샘플을 유지하면서 적용된 전압의 함수로서 측정된다. 누설 전류-전압을 측정하는 동안, 전압을 처음 가한 후에 시간이 지남에 따라 누설 전류가 약 약 5-7% 감소된 것이 관찰되었으며, 누설 전류 정도는 약 ~10-10 A였다. 더 높은 전기장은 정상 상태 전류에 도달하는 시간을 단축시킨다. 시간 의존성에 있어서의 이러한 변화는 처음 및 나중 전류가 서로 다른 전도 방법으로 인한 것임을 보여준다. The current flowing through the undoped and doped samples is measured as a function of applied voltage while maintaining the sample at a constant temperature of room temperature. Leakage current - During the measurement of the voltage, it was observed that the leakage current was reduced by about 5-7% over time after the initial application of the voltage, and the leakage current was about ~ 10 -10 A. The higher electric field shortens the time to reach the steady state current. This change in time dependence shows that the first and latter currents are due to different conduction methods.

전류의 일시적인 감소는 아마도 쌍극자 방향, 대량의 샘플에서 전자 트랩, 및 전극 또는 이온 전도 근처에서 전하 축적에 기인한 흡수 전류 때문으로 생각되며, 내부 전하 이동, 대량 샘플에서 실질적인 전기장의 감소 결과에 기인한다. 이완 시간은 전기장과 무관하기 때문에, 감소 결과는 쌍극자 방향에 의한 것은 아니다. 한편, 이온성 전도는 대량 수송을 필요로 하는 전하 수송 때문에 고려되지 않았으며, 전하체 공급은 감소되었으며, 전류 밀도는 수 쿨롱이 샘플을 통과함에 따라 급속히 감소되었다. The temporary reduction in current is presumably due to the dipole direction, the electron trap in a large sample, and the absorption current due to charge accumulation near the electrode or ionic conduction, resulting from the internal charge transfer, the reduction of the substantial electric field in the bulk sample . Since the relaxation time is independent of the electric field, the reduction result is not due to the dipole direction. On the other hand, ionic conduction was not considered due to charge transport requiring bulk transport, the charge supply was reduced, and the current density rapidly decreased as a few coulons passed through the sample.

비도핑된 샘플 및 도핑된 샘플에 대한 실온에서 등온선의 Log I-V 그래프는 각각 도 2 및 삽입도에 도시하였다. 비도핑된 샘플에 대해 두 개의 직선이 관찰되었다. 이 경우에, 낮은 필드에서 기울기는 약 0.6이지만 높은 필드에서는 약 0.85이다. 이는 전류-전압 관계가 조사된 모든 영역에서 non-ohmic 특성을 보여준다는 것을 나타낸다. 도핑 후(도 2 및 삽입도), log I-V 그래프는 Ohmic 거동을 나타내었으며, V와 비례하여 증가했다. 이는 그간의 보고와 일치하는 것이다.
Log IV graphs of the isotherms at room temperature for the undoped and doped samples are shown in Figure 2 and in the inset, respectively. Two straight lines were observed for undoped samples. In this case, the slope in the low field is about 0.6, but about 0.85 in the high field. This indicates that the current-voltage relationship shows non-ohmic properties in all regions examined. After doping (FIG. 2 and inset), the log IV graph showed Ohmic behavior and increased in proportion to V. This is consistent with previous reports.

두 샘플에 대한 상기 결과들은 기존과 같은 방식으로 설명되기는 어렵다. 다른 가능한 메커니즘으로는 (a) 금속-절연체 포텐셜 장벽 즉, Schottky-Richardson (SR) 방출을 저하시키는 필드 지원을 통한 접촉으로부터 필름에 전하 운반체를 주입하고, (b) 트랩 깊이, 즉 Poole-Frenkel (PF) 효과를 저하시키는 필드 지원을 통한 트랩으로 전하 운반체를 방출한다는 것이다. The results for the two samples are difficult to explain in the same manner as before. Other possible mechanisms include (a) injecting a charge carrier into the film from a contact through a field-assisted metal-insulator potential barrier, ie Schottky-Richardson (SR) emission reduction, (b) trap depth, ie, Poole-Frenkel (PF) effect, which can be used as a trap.

SR 에 대한 전류-전압 관계는 하기 식으로부터 알 수 있다. The current-voltage relationship for SR can be seen from the following equation.

Figure 112012005847753-pat00004
Figure 112012005847753-pat00004

상기 식에서, A*는 Richardson 상수이고,

Figure 112012005847753-pat00005
는 Schottky-field 낮춤 상수이며, Φs는 금속 전극-절연체 포텐셜 장벽이고, T는 온도이며, K는 볼츠만(Boltzmann) 상수이고, ε0는 자유 공간의 투과율이며, ε는 물질의 고주파 유전체 상수이고, d는 샘플의 길이이며, V는 인가 전압이다. Where A * is a Richardson constant,
Figure 112012005847753-pat00005
Is the Schottky-field lowering constant, Φs is the metal electrode-insulator potential barrier, T is the temperature, K is the Boltzmann constant, ε0 is the permeability of the free space, ε is the high frequency dielectric constant of the material, d Is the length of the sample, and V is the applied voltage.

상기 식 (1)은 일정한 온도에서 경사 βSR와 log I 및 V1 /2 사이의 선형 관계를 예측한다. 또한 PF 벌크-제한된 과정은 Eq log I과 유사한 I 및 V1 /2 사이의 선형 관계를 예측한다. 트랩 깊이는 상기 식 (1)에서 βSR는 βPF로 대체되고, Φs 는 βPF로 대체된다. 이론상 βPF = 2 βSR이다. The equation (1) predicts a linear relationship between the slope β SR and log I 1 and V / 2 at a constant temperature. Further PF bulk-limited process predicts a linear relationship between the similar I and V 1/2 log I and Eq. In the above equation (1), the trap depth is replaced by? SR is replaced by? PF , and? S is replaced by? PF . In theory, β PF = 2 β SR .

비도핑된 및 도핑된 셀룰로오스 섬유에 대한 log I 대 V1 /2 는 도 3 및 그 삽입도에 각각 나타나있다. 높은 필드에 대한 결과는 거의 직선이며, 낮은 필드의 데이터는 직선을 많이 벗어난다. 더욱이, 도핑된 샘플에 대한 낮은 전압(즉, 이탈 직선)에서의 log I 대 V1 /2의 경사도는 비도핑된 샘플보다 높다. Log I vs. V 1 / for the undoped and doped cellulosic fibers 2 are shown respectively in Figures 3 and its insertion Fig. The result for the high field is almost straight, and the data for the low field is much off the straight line. Furthermore, the slope of the log I vs. V 1/2 at the low voltage (i.e., linear release) for the doped sample is higher than that of non-doped samples.

전하 운반체의 생성은 기본적으로 SR 매카니즘을 나타내는 전극에서 제시된다. 높은 전압에서, 전하 이동은 전극의 필드가 감소되기 때문에 전극-절연체 포텐셜 장벽을 낮추는 방향으로 주입하며, log I-V1 /2 플롯의 경사는 이론값에 필적한다. 본 발명에 있어서, 높은 전압에서 log I-V1 /2 플롯의 선형성은 전기적 타입 전도 메카니즘을 보여준다. The creation of a charge carrier is basically presented at the electrode representing the SR mechanism. At high voltage, a charge transfer electrode is reduced because the field of the electrode and injection in a direction to lower the potential barrier insulator, the slope of the log IV 1/2 plot is comparable to the theoretical value. In the present invention, the linearity of the log IV 1/2 in the plot shows the high voltage electrical type conduction mechanism.

SR 방출 및 PF효과를 구분하기 위해, β값은 log I-V1 /2 플롯의 경사로부터 계산되었고, 실험값뿐 아니라 β 이론값을 하기 표 1에 나타내었다.
To distinguish release SR and PF effect, β values were calculated from the slope of the log 1, IV / 2 plots, as well as to the experimental value β theoretical values are shown in Table 1 below.

Figure 112012005847753-pat00006
Figure 112012005847753-pat00006

도핑되지 않은 필름에서, βexp의 실험 값은 βPF의 이론값에 가깝다. 따라서 전하 전도 특성은 Poole-Frenkel 매커니즘을 따르는 것 같다. 이 경우 방출된 전류는 외부 필드에 의해 확장된 전도대로 포획된 전자가 열적으로 여기되기 때문이다. 표면상태, 체인 폴딩, 분자 무질서도, 결정질-비결정질 경계 및 체인 말단 등이 폴리머에서트래핑 사이트 역할을 할 수 있다. 또한, 많은 폴리머는 극성 그룹을 내포하기 때문에, 각 쌍극자가 전자 또는 홀 트랩 역할을 할 수 있다. 이 사이트에 갇힌 전하 운반체들은 여기되어 전체적인 전도도에 기여한다.
In undoped films, the experimental value of β exp is close to the theoretical value of β PF . Therefore, the charge conduction characteristics seem to follow the Poole-Frenkel mechanism. In this case, the emitted current is due to the thermally excited electrons trapped by the conduction band extended by the external field. Surface states, chain folding, molecular disorder, crystalline-amorphous boundaries, and chain ends can act as trapping sites in the polymer. Also, since many polymers contain polar groups, each dipole can act as an electron or hole trap. Charge carriers trapped at this site are excited to contribute to the overall conductivity.

광전도도에On photoconductivity 있어서의 전하 분리 효과 Effect of charge separation

암흑 및 UV 조명에서 I-V 특성은 광원으로 30W의 할로겐 램프를 사용하여 공기 중에서 측정하였다. 도 4는 상온에서 암흑(1)과 UV 조명(2)하에서 측정된 셀룰로오스 섬유는 완전히 ohmic I-V 특성 곡선을 나타낸다. 측정된 셀룰로오스 섬유의 평균 암전류는 0에서부터 10V까지 증가된 바이어스에 따라 0.1μA로 선형적으로 증가하였다. UV 조명(254 nm)에서, 광전류(PC)는 6의 암전류 비율에서 광감도와 광전류를 나타내며, 10 V 바이어스에서 0.62 μA로 뛰었다. In dark and UV illumination, the I-V characteristic was measured in air using a 30 W halogen lamp as a light source. Figure 4 shows that the cellulose fibers measured under darkness (1) and UV illumination (2) at room temperature exhibit a completely ohmic IV characteristic curve. The average dark current of the measured cellulose fibers increased linearly to 0.1 μA with increasing bias from 0 to 10V. At UV illumination (254 nm), photocurrent (PC) exhibited photosensitivity and photocurrent at a dark current rate of 6 and ran at 0.62 μA at 10 V bias.

도핑된 셀룰로오스 섬유에서 광반응을 자극하기 위해서, 자외선에서 가시광선 범위에서 다른 에너지를 가진 LED를 사용하였다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 붉은색 및 UV 조명의 광반응이 각각 약 21 및 500% 인데 반하여, 흰색, 노랑 및 초록색 조명에서의 광전류(PC)는 5-7 %보다 낮게 증가하였다. To stimulate the photoreaction in the doped cellulose fibers, LEDs with different energies in the visible range in ultraviolet light were used. As can be seen in FIG. 4, the photocurrent (PC) in white, yellow and green illumination increased to less than 5-7%, while the photoreactions of red and UV illumination were approximately 21 and 500%, respectively.

밴드 대 밴드 흡수는 UV에서 일어난다. 광전도는 본질적으로 밴드-투-밴드 전자-정공 쌍 발생으로 인해 발생한다. 기술적 관점에서, 이러한 결과는 도핑된 셀룰로오스 섬유가 UV와 가시광선 영역에서 UV 광검출기에 응답한다는 것을 시사한다. 도핑되지 않은 샘플에서, 전형적인 전도성 값은 항상 0.1 nS 이하였으며, 어떤 광반응이 자외선 조명 후에 관찰되었다. Band-to-band absorption occurs in UV. Photoconductivity is inherently caused by the generation of band-to-band electron-hole pairs. From a technical point of view, this result suggests that the doped cellulose fibers respond to UV photodetectors in the UV and visible regions. In the undoped sample, typical conductivity values were always 0.1 nS or less, and some photoreaction was observed after ultraviolet illumination.

요오드가 도핑된 셀룰로오스 섬유에서 광전도가 향상되는 현상은 I2 분자와 고분자 네트워크 간의 광 유발 전하 전송으로 설명할 수 있다. 이러한 경향은 유기 고분자의 톡특한 특성이며, 운반체 형성 및 여기 확산 프로세스뿐 아니라 전하 분리 프로세스와 관련이 있을 수 있다. The enhancement of photoconductivity in iodine-doped cellulosic fibers can be explained by the photo-induced charge transfer between the I 2 molecule and the polymer network. This tendency is a unique characteristic of organic polymers and may be related to the charge separation process as well as the carrier formation and excitation process.

셀룰로오스 섬유에서 요오드로의 전자 이동은 흡수 스렉트럼과 요오드 도핑된 셀룰로오스섬유의 전기 전도도 증가와 일치하므로, 바닥상태에서 상당히 양호하다는 것을 시사한다. 따라서, 가시광선으로 조명을 할 경우, 자유 전하 운반체의 발생은 주로 유기 매트릭스 안에서 이루어진다. 요오드의 도핑 효과는 붉은 조명 영역에서 광반응의 출현에 따라, 요오드의 바닥상태로부터 여기 상태로 전자의 광여기와 셀룰로오스 섬유 사슬로의 홀 터널링에 따른 것으로 설명할 수 있다. 특히, 2.0 eV에서 명확한 광 전도성 반응이 나타났으며, 도핑된 셀룰로오스 섬유는 광생성 운반체를 위한 좋은 전도체라는 것을 나타낸다.
The electron transfer from cellulose fibers to iodine is consistent with the increase in electrical conductivity of the absorbing electrolyte and iodine-doped cellulosic fibers, suggesting that it is fairly good at the bottom. Thus, when illuminating with visible light, the generation of a free charge carrier takes place predominantly within the organic matrix. The doping effect of iodine can be explained by the emergence of the photoreaction in the red illumination region, followed by the hole tunneling from the bottom state of iodine to the photoexcitation of electrons and the cellulose fiber chain to the excited state. In particular, a clear photoconductive response at 2.0 eV was seen, indicating that the doped cellulose fibers are good conductors for the photogenerating carrier.

정리하면, 본 발명에서 순수한 셀룰로오스 섬유와 도핑된 셀룰로오스 섬유의 전기전도 전류는 시간, 전기장 및 온도의 함수로 측정되었다. 실험 결과는 여러 전도 메커니즘에 대한 이론적인 곡선에 부합하였다. 섬유의 전도성은 요오드로 도핑되어 네 자릿수 이상 증가되었으며, Ohmic 전도 메커니즘이 정상 상태 전류에 대해 잘 맞는 것 같다. 요오드가 도핑된 셀룰로오스 섬유에서 관찰되는 상당한 전도성 향상은 증가된 전자 운반체의 수와 대량 생성되는 자유 운반체 밀도의 점진적인 증가로 인한 것이다. 도판트 분자는 추가적인 트래핑 센터로 작용할 수 있으며, 비결정 영역에서 폴리머 분자 사이를 연결시키는 것으로 생각된다. 또한 본 발명에서는 Poole-Frenkel 메커니즘이 주요 전도 메커니즘인 것으로 판단되며, UV 와 가시광선에서 나타내는 분명한 광전도 반응은 근본적으로 밴드-투-밴드 전자-정공 쌍의 발생으로 인한 것으로서, I2 분자와 고분자 네트워크 간의 광유발 전하 이동으로 설명할 수 있다.
To summarize, in the present invention, the electric conduction currents of pure cellulosic fibers and doped cellulosic fibers were measured as a function of time, electric field and temperature. The experimental results are consistent with the theoretical curves for various conduction mechanisms. The conductivity of the fiber was doped with iodine and increased by more than four digits, and the Ohmic conduction mechanism seems to be well suited for steady-state currents. The significant improvement in conductivity observed in iodine-doped cellulosic fibers is due to the gradual increase in the number of electron carriers increased and the mass of free carrier density generated. The dopant molecules may act as additional trapping centers and are believed to link the polymer molecules in the amorphous region. Further, in the present invention is determined to be the Poole-Frenkel mechanism, the main conduction mechanisms, obvious photoconductive reaction shown in the UV and visible light is essentially a band-to-band electron-as being due to the generation of electron-hole pairs, I 2 molecules and polymers This is explained by the photo-induced charge transfer between the networks.

Claims (6)

(1) 천연 면섬유를 NaOH 용액에 담갔다가 세척하는 단계;
(2) 상기 NaOH 처리된 면섬유를 알코올에 용해된 요오드 용액에 담그는 단계; 및
(3) 상기 요오드 용액에서 면섬유를 꺼내어 건조시키는 단계를 포함하고,
상기 NaOH 용액의 농도는 20 부피% 인 것을 특징으로 하며,
상기 NaOH 용액에 담그는 과정은 15 ℃이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전도성 면섬유의 제조 방법.
(1) immersing natural cotton fiber in NaOH solution and washing;
(2) immersing the NaOH-treated cotton fiber in an iodine solution dissolved in alcohol; And
(3) removing the cotton fiber from the iodine solution and drying it,
The concentration of the NaOH solution is 20 vol%
Wherein the immersion in the NaOH solution is performed at a temperature of 15 ° C or less.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 요오드 용액의 농도는 3 - 15 부피% 인 것을 특징으로 하는 전도성 면섬유의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the concentration of the iodine solution is 3 to 15 vol.%.
제1항에 있어서,
상기 면섬유의 건조 과정은 60 - 90 ℃ 에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전도성 면섬유의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the drying of the cotton fiber is performed at 60-90 < 0 > C.
삭제delete
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