KR101548008B1 - Manufacturing method of polymer wrapped semiconducting carbon nanotube, polymer wrapped semiconducting carbon nanotube made by the same, and composition comprising polymer wrapped semiconducting carbon nanotube - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a polymer wrapped semiconductive carbon nanotube, a polymer wrapped semiconductive carbon nanotube made by the same and a semiconductive carbon nanotube composition including the same and, more specifically, to a method for selectively wrapping a semiconductive carbon nanotube with a conjugated polymer, a polymer wrapped semiconductive carbon nanotube made by the same and a semiconductive carbon nanotube composition including the same. The conjugated polymer used in the method for manufacturing the polymer wrapped with the semiconductive carbon nanotube expresses a band gap, an HOMO and an LUMO energy level similar to band gap energy of the semiconductive carbon nanotube and includes a side chain with the length enough to wrap the semiconductive carbon nanotube, thereby having an effect of efficiently distributing a single-walled carbon nanotube having a semiconductive characteristic.

Description

고분자로 랩핑된 반도체성 탄소 나노 튜브의 제조 방법, 이에 의하여 제조된 고분자로 랩핑된 반도체성 탄소 나노 튜브 및 이를 포함하는 반도체성 탄소 나노 튜브 조성물{MANUFACTURING METHOD OF POLYMER WRAPPED SEMICONDUCTING CARBON NANOTUBE, POLYMER WRAPPED SEMICONDUCTING CARBON NANOTUBE MADE BY THE SAME, AND COMPOSITION COMPRISING POLYMER WRAPPED SEMICONDUCTING CARBON NANOTUBE}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing semiconducting carbon nanotubes wrapped with a polymer, a semiconducting carbon nanotube wrapped with the polymer produced thereby, and a semiconducting carbon nanotube composition containing the same. BACKGROUND ART [0002] NANOTUBE MADE BY THE SAME, AND COMPOSITION COMPRISING POLYMER WRAPPED SEMICONDUCTING CARBON NANOTUBE}

본 발명은 고분자로 랩핑된 반도체성 탄소 나노 튜브의 제조 방법, 이에 의하여 제조된 고분자로 랩핑된 반도체성 탄소 나노 튜브 및 이를 포함하는 반도체성 탄소 나노 튜브 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체성 탄소 나노 튜브를 선택적으로 공액 고분자로 랩핑하는 방법, 이에 의하여 제조된 고분자로 랩핑된 반도체성 탄소 나노 튜브 및 이를 포함하는 반도체성 탄소 나노 튜브 조성물 에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for producing semiconducting carbon nanotubes woven with polymers, a semiconducting carbon nanotube woven with the polymer produced thereby, and a semiconducting carbon nanotube composition containing the semiconducting carbon nanotubes. A method of selectively laminating a nanotube with a conjugated polymer, a semiconducting carbon nanotube lapped with the polymer produced thereby, and a semiconducting carbon nanotube composition containing the same.

탄소나노튜브(CNT; Carbon Nanotube)란 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질로서 이방성이 매우 크고, 단일벽, 다중벽, 다발 등의 다양한 구조를 가지며, 튜브의 직경이 나노미터(nm = 10억분의 1m) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. Carbon nanotubes (CNTs) are carbon nanotubes (CNTs) that combine with other carbon atoms into hexagonal honeycomb patterns to form tubes. These carbon nanotubes are highly anisotropic and have a variety of structures such as single wall, multiwall, The diameter of the tube is nanometer (nm = one billionth of a meter), which is an extremely small area of material.

탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지닌다. 또한 감긴 형태에 따라 반도체의 성질을 띠며 직경에 따라 에너지갭이 달라지고, 준일차원적 구조를 가지고 있어 특이한 양자효과를 나타낸다. Carbon nanotubes have excellent mechanical properties, electrical selectivity, excellent field emission characteristics, and high-efficiency hydrogen storage media characteristics. Also, depending on the winding shape, it has the property of semiconductors, the energy gap varies according to the diameter, and it has a quasi one-dimensional structure and exhibits a unique quantum effect.

합성방법으로는 전기방전법, 열분해법, 레이저증착법, 플라즈마 화학기상 증착법, 열화학기상증착법 및 전기분해방법 등이 알려져 있다. 탄소나노튜브는 또한 높은 전기전도도를 나타내어 현재로서는 도전막 등의 형성에 사용되고 있으며, 장래로는 전계방출디스플레이(FED; Field Emission Display)와 주사탐침현미경(SPM; Scanning Probe Microscope)의 탐침 등에 사용될 가능성이 매우 높아지고 있으며, 그에 대한 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 현재 연구되고 있는 탄소나노튜브의 응용분야는 투명 전극, 정전 분산 필름, 전계 방출 소자(field emission device), 면발열체, 광전자 소자(optoelectronics device) 및 각종 센서(sensor), 트랜지스터 등이 있다.As the synthesis method, an electric discharge method, a thermal decomposition method, a laser deposition method, a plasma chemical vapor deposition method, a thermochemical vapor deposition method, and an electrolysis method are known. Carbon nanotubes also exhibit high electrical conductivity and are currently being used in the formation of conductive films and the like and may be used in the future for Field Emission Displays (FEDs) and probes of Scanning Probe Microscopes (SPMs) , And researches on it have been actively conducted. Current applications of carbon nanotubes include transparent electrodes, electrostatic dispersion films, field emission devices, surface heating elements, optoelectronics devices, and various sensors and transistors.

탄소나노튜브는흑연면(graphite sheet)이 나노 크기 직경의 실린더 형태를 가지며, sp2 결합 구조를 갖는다. 상기 흑연면이 말리는 각도 및 구조에 따라서 도체 또는 반도체의 특성을 보인다. 또한, 벽을 이루고 있는 결합수에 따라서 단일벽탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 이중벽탄소나노튜브(DWCNT, doublewalled carbon nanotube), 다중벽탄소나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 및 다발형탄소나노튜브(rope carbon nanotube)로 분류될 수 있다. 특히, 단일벽탄소나노튜브는 금속적인 특성과 반도체적인 특성을 가지고 있어 다양한 전기적, 화학적, 물리적 및 광학적 특성을 나타내며 이러한 특성들을 이용하여 더욱 세밀하고 집적된 소자들을 구현할 수 있다. Carbon nanotubes have a nano-sized cylindrical shape with a graphite sheet and have an sp2 bond structure. The characteristics of the conductor or semiconductor are shown according to the angle and structure of the graphite surface. In addition, depending on the number of bonds forming the wall, single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), double walled carbon nanotubes (DWCNTs), multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) ), And rope carbon nanotubes. In particular, single-walled carbon nanotubes exhibit various electrical, chemical, physical and optical characteristics due to their metallic and semiconducting properties, and by using these properties, more detailed and integrated devices can be realized.

그러나, 이와 같은 탄소나노튜브의 유용성에도 불구하고, 탄소나노튜브는 낮은 용해성과 낮은 분산성으로 인해 그 사용에 한계가 있다. 즉, 탄소나노튜브는 서로 간의 강한 반데르발스 인력에 의해 수용액 상에서 안정적인 분산 상태를 이루지 못하고 응집 현상이 일어나는 문제가 있다.
However, despite the availability of such carbon nanotubes, the use of carbon nanotubes is limited due to their low solubility and low dispersibility. That is, carbon nanotubes can not stably disperse in an aqueous solution due to a strong van der Waals attractive force between them, and coagulation phenomenon occurs.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 탄소나노튜브의 표면을 개질하고 기능성을 부여하는 기능기화에 관한 연구가 이루어지고 있으며, 그 중의 한 예가 탄소나노튜브의비공유 기능기화(noncovalent functionalization)이다.In order to solve such a problem, studies have been made on functionalization for modifying the surface of carbon nanotubes and imparting functionality, and one of them is noncovalent functionalization of carbon nanotubes.

탄소나노튜브의비공유 기능기화란 수소결합(hydrogen bond), 반데르발스 결합(van der Waals bond), 전하 이동(charge transfer), 쌍극자 상호작용(dipole-dipole interaction), π 전자 상호작용(π-π stacking interaction) 등과 같은 비공유 결합을 이용하여 탄소나노튜브 표면에 개질하고자 하는 물질을 결합시켜 원하는 기능을 부여하는 방법이다. 비공유 기능기화는 탄소나노튜브 구조에 결함을 유도할 필요가 없어 튜브 고유의 성질을 그대로 유지하면서 기능기를 부여할 수 있다는 장점이 있다. 비공유 기능기화는 보통 계면활성제, 방향족 탄화수소, 바이오 물질 등을 이용하여 이루어지며, 대부분 수용액 상에서 안정적으로 탄소나노튜브를 분산시킨다.The non-covalent functionalization of carbon nanotubes refers to hydrogen bond, van der Waals bond, charge transfer, dipole-dipole interaction, π-electron interaction (π- π stacking interaction, etc., to bind the substance to be modified on the surface of the carbon nanotube to impart a desired function. The non-covalent functionalization is advantageous in that functional groups can be imparted while maintaining the intrinsic properties of the tube, since there is no need to induce defects in the carbon nanotube structure. Non-covalent functionalization is usually carried out using surfactants, aromatic hydrocarbons, biomaterials, etc., and most carbon nanotubes are dispersed stably in an aqueous solution.

방향족 탄화수소를 이용한 방법은 상기 탄소나노튜브의비공유 기능기화 방법들 중에서 가장 많이 연구된 방법 중 하나이다. 탄소나노튜브의 벽면은 육각의 흑연구조로 이루어져 있어, 공액 고분자(conjugated polymer) 등과 같이 방향족 탄화수소로 이루어진 분자들과 π 전자 상호작용을 할 수 있다.The method using aromatic hydrocarbons is one of the most studied methods among the non-covalent functionalization methods of the carbon nanotubes. The walls of the carbon nanotubes are made of hexagonal graphite structure, and can interact with molecules made of aromatic hydrocarbons such as conjugated polymers.

고분자 사슬 내에 방향족 고리를 가지고 있는 공액 고분자는 나노튜브 벽면과 π 전자 상호작용을 하며 나노튜브를 감싸는 모양(wrapping)으로 기능기화가 일어난다. 이러한 공액 고분자로는 PmPV(poly(metaphenylenevinylene)), PPE(poly(arylenethynylene)), PPvPV(poly{(2,6-pyridinylenevinylene)-co-[(2,5-dioctyloxy-pphenylene)vinylene]}), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), PAmPV(Poly(5-alkoxym-phenylenevinylene)), PPV(Poly(p-phenylenevinylene)), cisoidal PPA(Polyphenylacetylene), transoidal PPA 등이 알려져 있다.The conjugated polymer, which has an aromatic ring in the polymer chain, interacts with the wall of the nanotube and interacts with the nanotube. These conjugated polymers include PmPV (poly (metaphenylenevinylene)), PPE (poly (arylenethynylene)), PPvPV (poly {(2,6-pyridinylenevinylene) -co - [(2,5-dioctyloxy-pphenylene) Poly (p-phenylenevinylene), cisoidal PPA (polyphenylacetylene), transoidal PPA, and the like are known as poly (methyl methacrylate), PAmPV (poly (5-alkoxym-phenylenevinylene)

그러나, 이러한 종래 공액 고분자의 경우 나노튜브를 감싸는 기능(wrapping capability) 가 높지 않아 나노 튜브를 완전히 감싸지 못하는 문제점이 있었다. However, the conventional conjugated polymers have a problem that the nanotubes are not wrapped completely because of the high wrapping capability of the nanotubes.

또한, 단일층(하나의 벽으로 된 탄소원통으로 양자소자응용에 주로 사용되는 구조) 탄소나노튜브는 구조의 특성상 키랄성(탄소나노튜브의 축 방향에 따라 탄소원자를 배열하는 각도 정도)에 따라 금속성 탄소나노튜브와 반도체성 탄소나노튜브로 나눌 수 있다. 하지만 합성시 두 가지 성질의 탄소나노튜브가 시료에 혼재되어 있으며 두 종류의 탄소나노튜브를 따로 분리하는 기술이 없어 응용에 어려움이 있었다. 특히 탄소나노튜브를 트랜지스터에 응용하는 경우에는 반도체성 탄소나노튜브만을 필요로 하기 때문에 테라급반도체를 개발하기 위해서는 반도체 탄소나노튜브만을 분리하여 대량으로 추출하는 기술의 개발이 절실히 요구되어 왔다.
In addition, a single layer (a structure mainly used for a quantum device application with a single walled carbon source) Because of the nature of the structure, the carbon nanotubes have a chirality (degree of arrangement of carbon atoms according to the axial direction of the carbon nanotube) Tubes and semiconducting carbon nanotubes. However, the two types of carbon nanotubes are mixed in the sample at the time of synthesis, and there is no technique for separating the two types of carbon nanotubes, which makes the application difficult. In particular, when carbon nanotubes are applied to transistors, only semiconducting carbon nanotubes are required. Therefore, in order to develop terabit semiconductors, it has been urgently required to develop a technique of extracting only a semiconductor carbon nanotube and extracting it in a large amount.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 종래 공액 고분자와는 전혀 다른 새로운 고분자를 이용하여 반도체성 탄소나노튜브만을 랩핑할 수 있는 고분자 랩핑된 반도체성 탄소 나노 튜브 의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention provides a method for fabricating polymer-wrapped semiconducting carbon nanotubes that can lap only semiconducting carbon nanotubes using a new polymer that is completely different from conventional conjugated polymers in order to overcome the problems of the related art as described above .

또한, 본 발명은 본 발명의 제조 방법에 의하여 제조된 고분자 랩핑된 반도체성 탄소 나노 튜브 및 이를 포함하는 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide polymer-wrapped semiconducting carbon nanotubes produced by the method of the present invention and compositions containing the same.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 The present invention has been made to solve the above problems

공액 고분자 및 탄소 나노 튜브를 유기 용매에 혼합하는 단계; Mixing the conjugated polymer and the carbon nanotube in an organic solvent;

상기 혼합 용액을 초음파 처리하는 단계; Ultrasonically treating the mixed solution;

상기 초음파 처리된 혼합 용액을 원심 분리하는 단계; 및 Centrifuging the ultrasonic treated mixed solution; And

원심 분리된 침전물을 분리하는 단계; 를 포함하는 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법을 제공한다. Separating the centrifuged sediment; The present invention also provides a method for producing a carbon nanotube.

본 발명에 의한 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법에 있어서, 상기 공액 고분자의 밴드갭 에너지는 1.8 eV 이하이고, LUMO 는 3.2 이상이고, 흡수 스펙트럼에서 500 내지 600 nm 파장에서 3개의 피크가 나타나는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 의한 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법에 있어서, 상기 공액 고분자의 밴드갭 및 HOMO, LUMO 에너지 레벨이 탄소 나노 튜브와 유사한 것을 특징으로 한다. In the method of producing a polymer-lapped carbon nanotube according to the present invention, the conjugated polymer has a band gap energy of 1.8 eV or less, a LUMO of 3.2 or more, and three peaks at a wavelength of 500 to 600 nm in an absorption spectrum . That is, in the method of producing a polymer-lapped carbon nanotube according to the present invention, the bandgap and HOMO and LUMO energy levels of the conjugated polymer are similar to carbon nanotubes.

본 발명에 의한 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법에 있어서, 상기 공액 고분자는 아래 구조인 것을 특징으로 한다. In the method for producing a polymer-lapped carbon nanotube according to the present invention, the conjugated polymer has the following structure.

Figure 112015025023585-pat00001
Figure 112015025023585-pat00001

상기 화학식에서 n 은 1 내지 10000의 정수이다. In the above formula, n is an integer of 1 to 10000.

본 발명에 의한 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법에 있어서, 상기 유기 용매는 톨루엔인 것을 특징으로 한다.In the method for producing a polymer-lapped carbon nanotube according to the present invention, the organic solvent is toluene.

본 발명에 의한 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소나노튜브는단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브, 다중벽탄소나노튜브 및 다발형탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a polymer-lapped carbon nanotube according to the present invention, the carbon nanotube may be selected from the group consisting of a single-walled carbon nanotube, a double-walled carbon nanotube, a multi-walled carbon nanotube, And at least one kind thereof.

본 발명에 의한 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 반도체성 단일벽탄소나노튜브인 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 의한 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브는 반도체성 단일벽 탄소 나노 튜브만 선택적으로 분산시킬수 있다. In the method of manufacturing a polymer-lapped carbon nanotube according to the present invention, the carbon nanotube is a semiconducting single-walled carbon nanotube. That is, the polymer-lapped carbon nanotube according to the present invention can selectively disperse only semiconducting single-walled carbon nanotubes.

본 발명에 의한 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법에 있어서, 상기 원심분리 단계에서는 40000g 이상으로 120분 내지 180분간 수행되는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a polymer-lapped carbon nanotube according to the present invention, the carbon nanotube is performed at a centrifugation step of 40,000 g or more for 120 minutes to 180 minutes.

본 발명은 또한, 본 발명에 의한 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법에 의하여 제조된 고분자로 랩핑된 반도체성 탄소 나노 튜브 및 이를 포함하는 조성물을 제공한다.
The present invention also provides polymer-lapped semiconducting carbon nanotubes prepared by the process for producing polymer-lapped carbon nanotubes according to the present invention and compositions comprising the same.

본 발명에 의한 고분자로 랩핑된 반도체성 탄소 나노 튜브 의 제조 방법에 사용되는 공액 고분자는 반도체성 탄소 나노 튜브의 밴드갭 에너지와 유사한 밴드갭 및 HOMO, LUMO 에너지 준위를 나타내고, 반도체성 탄소 나노 튜브를 랩핑하기에 충분한 길이의 사이드 체인을 포함하기 때문에, 반도체적인 특성을 갖는 단일벽 탄소나노튜브를 효율적으로 분산시키는 효과를 나타낸다.
The conjugated polymer used in the method of producing a polymer-lapped semiconducting carbon nanotube according to the present invention exhibits a band gap and HOMO and LUMO energy levels similar to the band gap energy of the semiconducting carbon nanotube, Since it includes a side chain having a length sufficient for lapping, it exhibits an effect of efficiently dispersing single-walled carbon nanotubes having semiconductor characteristics.

도 1은 단일벽 탄소나노튜브로서 CoMoCat, HiPCO 각각을 2% 소듐콜산 수용액에 분산시킨후, 흡광도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 2는 공액 고분자를 톨루엔에 분산시킨 용액에 대한 흡수 스펙트럼(adsorption spectra)을 측정한 결과를 나타낸다.
도 3은 고분자로 랩핑된 단일벽 탄소나노튜브가 분리되는 과정을 모식도로 나타낸다.
도 4 내지 도 7은 공액 고분자의 wrapping capability 를 측정한 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 고분자로 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 용액을 이용하여 필름을 제조하고 흡광도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 고분자로 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브(HiPCO) 를 포함하는 용액을 이용하여 제조된 필름을 어닐링하여 고분자를 제거한 후 흡광도 변화를 측정한 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 고분자로 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브를 금속 표면에 필름을 형성한 후 흡광도를 측정한 결과를 나타낸다.
Fig. 1 shows the result of measuring the absorbance after dispersing CoMoCat and HiPCO as single-walled carbon nanotubes in a 2% sodium cholate aqueous solution.
2 shows the result of measurement of an absorption spectrum of a solution in which conjugated polymer is dispersed in toluene.
3 is a schematic view illustrating a process of separating polymer-lined single-walled carbon nanotubes.
4 to 7 show the results of measuring the wrapping capability of the conjugated polymer.
FIG. 8 shows a result of measuring the absorbance of a film prepared using a solution containing a polymer-wrapped single-walled carbon nanotube according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 9 and 10 are graphs showing results obtained by annealing a film prepared using a solution containing a polymer-wrapped single-walled carbon nanotube (HiPCO) prepared according to an embodiment of the present invention to remove the polymer and measuring the change in absorbance Results are shown.
FIG. 11 shows the results of measuring the absorbance of a single-walled carbon nanotube wrapped with a polymer prepared according to an embodiment of the present invention after forming a film on a metal surface.

이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited by the following examples.

본 명세서에서 실시형태는 실시형태의 이상화된 실시형태(및 중간 구조)의 개략적인 예시인 단면적인 예시와 관련되어 기재된다. 흔히 말하는 그런, 결과로서 예시의, 예를 들어, 제조기술 및/또는 허용 오차의 형태로부터의 변형예가 기대된다. 이처럼, 실시형태는 본 명세서에서 예시되는 영역의 특별한 형상에 제한되는 것으로 해석되어서는 안되나 예를 들어, 제조로부터의 생긴 형상에 있어서의 변형을 포함한다.다르게 정의되지 않는다면, 본 명세서에서 사용된 모든 용어(기술적 및 과학적 용어를 포함)는 실시형태가 속하는 분야에서 당업자에 의해 흔히 이해되는 의미와 동일한 의미를 가진다. 흔히 사용되는 사전에서 정의된 것과 같은 용어는 관련 분야의 문맥에서의 그것들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고 본 명세서에서 그렇게 표현되지 않는 한 이상화되거나 또는 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것이다.
Embodiments herein are described in connection with cross-sectional illustrations that are schematic illustrations of idealized embodiments (and intermediate structures) of the embodiments. As is often said, variations from the form of example, for example, manufacturing techniques and / or tolerances are expected as a result. As such, embodiments should not be interpreted as being limited to the particular shapes of the regions illustrated herein, but include variations in shapes resulting from, for example, manufacture. Unless otherwise defined, all The term (including technical and scientific terms) has the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment pertains. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be construed to have meanings consistent with their meanings in the context of the relevant field and shall not be construed as idealized or overly formal insofar as not expressly so defined herein .

<< 실시예Example > > polymer중합체 wrappedwrapped swCNTswCNT 제조  Produce

<< 실시예Example -1> -1> SWNTSWNT

단일벽 탄소나노튜브로서 CoMoCat, HiPCO 을 준비하였다. 분산제로서 2% sodium cholate 계면활성제를 2% 첨가한 증류수에 CoMoCat, HiPCO 각각을 분산시킨후, 흡광도를 측정한 결과를 도 1에 나타내었다. 도 1에서 파란색으로 표시된 부분에서 m-swNT 피크가 나타나므로 금속성 SWNT(m-SWNT) 및 반도체성 SWNT(sc-SWNT)가 모두 존재하는 것을 확인할 수 있다.
CoMoCat and HiPCO were prepared as single-walled carbon nanotubes. The dispersions of CoMoCat and HiPCO were dispersed in distilled water containing 2% sodium cholate surfactant as a dispersant, and the absorbance was measured. The results are shown in FIG. The m-SWNT peak appears in the blue portion of FIG. 1, indicating that both the metallic SWNT (m-SWNT) and the semiconducting SWNT (sc-SWNT) are present.

<< 실시예Example -2> -2> wrappingwrapping 을 위한 고분자 제조  Manufacture of Polymers

wrapping 을 위한 고분자로서 아래 화합물 1, 2 및 3 의 공액 고분자(rr-P3HT, PQTBTz-C12, 및 P8TBTz-C12)를 준비하고, 상기 3가지 고분자를 톨루엔에 분산시킨 용액에 대한 흡수 스펙트럼(adsorption spectra)을 측정한 결과를 도 2에 나타내었다. The conjugated polymers (rr-P3HT, PQTBTz-C12, and P8TBTz-C12) of the following compounds 1, 2 and 3 were prepared as a polymer for wrapping and the adsorption spectra of a solution in which the three polymers were dispersed in toluene ). The results are shown in Fig.

Figure 112015025023585-pat00002
Figure 112015025023585-pat00002

도 2에서 본 발명의 실시예에 의한 공액 고분자인 화합물 3 의 경우 500 내지 600 nm 파장에서 3개의 피크가 나타나서 화합물 1(rr-P3HT) 및 화합물 2(PQTBTz-C12) 고분자의 흡수 스펙트럼 결과와는 전혀 다르며, 이는 본 발명의 실시예에 의한 화합물 3 의 경우 bithiophene 작용기의 함량이 높으며, side chain의 위치 규칙성(regioregularity)가 높기 때문이다. 특히 550 nm 부근의 주피크는 본 발명의 실시예에 의한 화합물 3 의 공액 고분자의 밴드갭에 의한 것으로서 화합물 1(rr-P3HT) 및 화합물 2(PQTBTz-C12) 고분자보다 밴드갭의 크기가 작다는 것을 알 수 있다. In FIG. 2, three peaks appear at a wavelength of 500 to 600 nm in the conjugated polymer 3 according to an embodiment of the present invention. Thus, the absorption spectra of Compound 1 (rr-P3HT) and Compound 2 (PQTBTz-C12) This is because compound 3 according to an embodiment of the present invention has a high bithiophene functional group and high side chain regioregularity. Particularly, the main peak near 550 nm is due to the bandgap of the conjugated polymer of Compound 3 according to the embodiment of the present invention, and the band gap is smaller than that of Compound 1 (rr-P3HT) and Compound 2 (PQTBTz-C12) .

도 2에서 화합물 1(rr-P3HT) 및 화합물 2(PQTBTz-C12) 고분자의 경우 450 nm 부근에서 피크가 나타나지만, 본 발명의 실시예에 의한 화합물 3 의 공액 고분자의 경우 600nm 부근에서 피크가 하나 더 나타나며, 이는 치환되지 않고 π-π 스택킹을 증가시키는 역할을 하는 bithiophene 작용기에 의한 것이다.
In FIG. 2, the peak of the compound 1 (rr-P3HT) and the peak of the compound 2 (PQTBTz-C12) polymer appears at around 450 nm, but in the case of the conjugated polymer of Compound 3 according to the embodiment of the present invention, , Which is due to the bithiophene functional group, which is not substituted and serves to increase π-π stacking.

<< 실시예Example -3> 고분자로 -3> as a polymer wrappingwrapping  The swCNTswCNT 제조  Produce

단일벽 탄소나노튜브로서 상기 실시예-1 의 HiPCO, 또는 CoMoCat 단일벽 탄소나노튜브 5 mg 과 wrapping 고분자로서 상기 실시예-2 의 화합물 1 내지 3 의 3가지 고분자 10 mg 을 톨루엔에 혼합 분산시켰다. 기존에 분산제로서 사용되는 sodium cholate의 경우, 단일벽 탄소나노튜브가 분산되는 것을 방해하기 때문에 본 발명에서는 클로로포름, 1,2-dicholorobenzene 과 같은 콜산염을 사용하는 방법 대신에 용매로서 톨루엔을사용하였다.
5 mg of the HiPCO or CoMoCat single-walled carbon nanotubes of Example-1 as the single-walled carbon nanotube and 10 mg of the three polymers of the compounds 1 to 3 of the Example-2 as the wrapping polymer were mixed and dispersed in toluene. In the case of sodium cholate, which is used as a dispersing agent in the prior art, since the single wall carbon nanotubes are prevented from being dispersed, toluene was used as a solvent instead of a colloidal salt such as chloroform and 1,2-dicholorobenzene.

분산 용매를 항온 cooling bath 에 보관하고 70% 정도로 30분간 초음파를 인가하여, 고분자로 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브를 제조하였다. wrapping process 를 참고한 문헌은 다음과 같다. The dispersion solvent was stored in a constant temperature cooling bath and ultrasonic wave was applied for 30 minutes at 70% to prepare single - walled carbon nanotubes wrapped with polymer. References to the wrapping process are as follows.

(1) Young-Jin Do, et al., Manipulating Electron Transfer between Single-Walled Carbon Nanotubes and Diazonium Salts for High Purity Separation by Electronic Type, Chem. Mater. 24, 4146-4151 (2012)(1) Young-Jin Do, et al., Manipulating Electron Transfer Between Single-Walled Carbon Nanotubes and Diazonium Salts for High Purity Separation by Electronic Type, Chem. Mater. 24, 4146-4151 (2012)

(2) Hang Woo Lee, et al., Selective dispersion of high purity semiconducting single-walled carbon nanotubes with regioregular poly(3-alkylthiophene)s Nature. Commun., 2, 1-7 (2011)(2) Hang Woo Lee, et al., Selective dispersion of high purity semiconducting single-walled carbon nanotubes with regioregular poly (3-alkylthiophene) s Nature. Commun., 2, 1-7 (2011)

(3) Do Hwan Kim, et al., Liquid-Crystalline Semiconducting Copolymers with Intramolecular Donor-Acceptor Building Blocks for High-Stability Polymer Transistors, JACS, 131, 6124-6132 (2009) (3) Do Hwan Kim, et al., Liquid-Crystalline Semiconducting Copolymers with Intramolecular Donor-Acceptor Building Blocks for High-Stability Polymer Transistors, JACS, 131, 6124-6132 (2009)

(4) Wenhui Yi, et al., Wrapping of Single-Walled Carbon Nanotubes by a conjugated Polymer: The Role of Polymer Conformation-Controlled Size Selectivity, J. Phys. Chem. B, 112, 12263-12269 (2008)(4) Wenhui Yi, et al., Wrapping of Single-Walled Carbon Nanotubes by a Polymer: The Role of Polymer Conformation-Controlled Size Selectivity, J. Phys. Chem. B, 112, 12263-12269 (2008)

(5) Shenqiang Ren, et al., Toward Efficient Carbon Nanotube/P3HT Solar Cells: Active Layer Morphology, Electrical, and Optical Properties, Nano Lett. 11, 5316-5321 (2011)(5) Shenqiang Ren, et al., Toward Efficient Carbon Nanotube / P3HT Solar Cells: Active Layer Morphology, Electrical, and Optical Properties, Nano Lett. 11, 5316-5321 (2011)

(6) Hisashi Kokubo, et al., Synthesis of New Thiophene-Based Conjugated Polymers for Investigation of Molecular Alignment on the Surface of Platinum Plate, Macromolecules, 39, 3959-3963 (2006)(6) Hisashi Kokubo, et al., Synthesis of New Thiophene-Based Conjugated Polymers for Investigation of Molecular Alignment on the Surface of Platinum Plate, Macromolecules, 39, 3959-3963 (2006)

(7) Yosuke Kanal and Jeffrey C. Grossman, Role of Semiconducting and Metallic Tubes in P3HT/Carbon-Nanotube Photovoltaic Heterojunctions: Density Functional Theory Calculations, Nano Lett. 8, 908-912 (2008)
(7) Yosuke Kanal and Jeffrey C. Grossman, Role of Semiconducting and Metallic Tubes in P3HT / Carbon-Nanotube Photovoltaic Heterojunctions: Density Functional Theory Calculations, Nano Lett. 8, 908-912 (2008)

<< 실시예Example -4> 고분자로 -4> as a polymer wrappingwrapping  The 단일벽Single wall 탄소나노튜브의 분리  Separation of Carbon Nanotubes

상기 실시예-3 에서 제조된 용액을 42000g 로 150분간 초고속원심분리(ultracentrifugation)하여 단일벽 탄소나노튜브 덩어리 및 금속성 단일벽 탄소나노튜브 및 다른 불순물을 제거하였다. The solution prepared in Example 3 was subjected to ultracentrifugation at 42,000 g for 150 minutes to remove single-walled carbon nanotube agglomerates and metallic single-walled carbon nanotubes and other impurities.

고분자로 wrapping 된 swCNT 가 분리되는 모식도를 도 3에 나타내었다. 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명의 경우 42000g 의 초고속원심분리(ultracentrifugation)에 의해 부유물(supernatant)과 침전물(precipitate)이 분리되게 된다. 즉, 고분자에 의해 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브의 경우 wrapping 에 사용된 고분자의 용해성 알킬 사이드 체인에 의해 유기 용매에 잘 분산되는데 비해, 고분자에 의해 wrapping 되지 않은 단일벽 탄소나노튜브의 경우 상호간 응집되어 침전물로 가라앉게 된다.
Figure 3 shows a schematic diagram of separation of polymer-wrapped swCNTs. As shown in FIG. 3, in the case of the present invention, supernatant and precipitate are separated by ultracentrifugation at 42,000 g. That is, in the case of a single-walled carbon nanotube wrapped by a polymer, In the case of single-walled carbon nanotubes not wrapped by polymers, they aggregate to each other and sink into the precipitate, while the soluble side chain of the polymer is well dispersed in the organic solvent.

< 실험예 > 화합물 1의 wrapping capability 측정 EXPERIMENTAL EXAMPLE Wrapping of Compound 1 capability measurement

상기 실시예 1에서 제조된 고분자로 rr-P3HT 를 사용하여 단일벽 탄소나노튜브를 wrapping 하는 경우 wrapping capability 를 측정하고 그 결과를 도 4에 나타내었다. When single-walled carbon nanotubes are wrapped using rr-P3HT as the polymer prepared in Example 1 The wrapping capability was measured and the results are shown in FIG.

도 4에서 공액 고분자와 단일벽 탄소나노튜브를 단순 혼합한 경우를 red line 으로, 공액 고분자와 단일벽 탄소나노튜브 혼합 후 원심분리한 경우를 blue 로 나타내었다. 도 4에서 고분자와 단일벽 탄소나노튜브를 단순 혼합한 경우(red line) 고분자간 또는 고분자와 단일벽 탄소나노튜브 사이의 π- π 스택킹에 의하여 600 nm 부근에서 피크가 나타나며, 단일벽 탄소나노튜브 고유의 피크가 700 내지 1400 nm 에서 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 단일벽 탄소나노튜브고유의 피크는 더 브로드해지고, 고분자에 의한 피크의 경우 도 2로 나타낸 고분자 자체의 흡광도와 비교하여 볼때 단일벽 탄소나노튜브에 의해 피크가 red shift 되며, 도 4의 (b)에서 보는 바와 같이 단일벽 탄소나노튜브가 응집되어 분리되지 않는 것을 알 수 있다.In FIG. 4, the case where the conjugated polymer and the single-walled carbon nanotube are simply mixed is shown as red line, and the case where the conjugated polymer and the single-walled carbon nanotube are mixed and centrifuged is shown as blue. In FIG. 4, when a polymer is mixed with a single-walled carbon nanotube (red line), peaks appear near 600 nm due to the π-π stacking between the polymer or polymer and the single-walled carbon nanotube. It can be seen that the tube-specific peak appears at 700 to 1400 nm. In addition, the intrinsic peak of the single-walled carbon nanotube becomes broader, and in the case of the peak due to the polymer, the peak is red-shifted by the single-walled carbon nanotube in comparison with the absorbance of the polymer itself shown in FIG. it can be seen that single-walled carbon nanotubes aggregate and are not separated as shown in FIG.

이에 비해 원심 분리를 수행하여 얻어진 부유물의 경우 도 4에서 π- π 스택킹에 의한 피크 및 단일벽 탄소나노튜브에 의한 피크가 나타나지 않는다. 이로부터 화합물 1(rr-P3HT)의 경우 side chain 의 길이가 단일벽 탄소나노튜브를 wrapping 할 정도가 되지 않기 때문에 적절하지 않다는 것을 확인할 수 있다.
In contrast, in the case of the suspension obtained by performing the centrifugation, peaks due to π-π stacking and peaks due to single-walled carbon nanotubes do not appear in FIG. From this, it can be confirmed that the side chain length of the compound 1 (rr-P3HT) is not suitable because it does not sufficiently cover the single-walled carbon nanotubes.

< 실험예 > 화합물 2의 wrapping capability 측정 EXPERIMENTAL EXAMPLE Wrapping of Compound 2 capability measurement

고분자로 화합물 1(rr-P3HT)보다 side chain 의 길이가 긴 화합물 2 를 사용한 경우의 wrapping capability 를 측정하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. In the case of using Compound 2 having a longer side chain length than Compound 1 (rr-P3HT) as a polymer The wrapping capability was measured and the results are shown in FIG.

도 5 에서 혼합 후 초음파를 인가한 경우 고분자와 단일벽 탄소나노튜브와의 상호 작용에 의한 피크와 단일벽 탄소나노튜브 고유의 피크가 관측되며, 공액 고분자로 화합물 1의 폴리티오펜 P3HT를 사용한 도 4 와 대비해 볼때 단일벽 탄소나노튜브 고유의 피크가 좀더 분명하게 나타나는 것을 알 수 있다. 5, peaks due to the interaction between the polymer and the single-walled carbon nanotube and peaks inherent to the single-walled carbon nanotube are observed in the case of applying ultrasonic waves after the mixing, and the degree of polymerization using the polythiophene P3HT as the conjugated polymer 4, it can be seen that the intrinsic peak of single wall carbon nanotubes appears more clearly.

원심분리한 이후의 경우 SWNT 고유의 피크 강도가 크게 감소하여 고분자로 화합물 2를 사용한 경우 SWNT 를 잘 분산시키지만 wrapping 은 잘 되지 않는 것을 알 수 있다.
After centrifugation, the intrinsic peak intensity of SWNT was greatly decreased. When compound 2 was used as a polymer, SWNT was well dispersed but it was not well wrapped.

< 실험예 > 화합물 3의 wrapping capability 측정 < Experimental Examples > Wrapping of Compound 3 capability measurement

공액 고분자로 화합물 3을 사용하고 SWNT 로서 HiPCO 를 사용한 경우의 wrapping capability 를 측정하고 그 결과를 도 6에 나타내었다. When Compound 3 was used as a conjugated polymer and HiPCO was used as SWNT The wrapping capability was measured and the results are shown in FIG.

도 6 에서 원심분리를 수행하지 않은 경우(red line) 자외선 영역에서 고분자 고유의 피크와 적외선 영역에서 SWNT 고유의 피크가 나타나서 고분자로 화합물 3을 사용하고 SWNT 로서 HiPCO 를 사용한 경우의 혼합물에서는 고분자 SWNT 복합체가 형성될 뿐만 아니라, 용매 내에 잘 분산된 상태를 유지하는 것을 알 수 있다. In FIG. 6, when a centrifuge was not performed (red line), the intrinsic peak of SWNT in the ultraviolet region and the intrinsic peak of SWNT in the infrared region appeared, and in the case of using Compound 3 as the polymer and HiPCO as the SWNT, Is formed, and it can be seen that a state of being well dispersed in the solvent is maintained.

도 6 에서 원심분리를 수행한 경우 불순물, 단일벽 탄소나노튜브 응집체, 단일벽 탄소나노튜브를 wrapping 하지 않은 고분자들이 모두 제거되어 투명한 연보라색 용액이 얻어짐을 알 수 있다. 원심분리를 수행한 경우(blue line) SWNT 고유의 피크가 관측되지 않으며, 화합물 3으로 표시되는 공액 고분자에 의해 SWNT 완전하게 wrapping 된 것을 알 수 있다. In FIG. 6, impurities, single-walled carbon nanotube agglomerates, and single-walled carbon nanotube-unencapsulated polymers were all removed when centrifugation was performed in FIG. 6, revealing that a transparent pale purple solution was obtained. When the centrifugation was performed (blue line), no inherent peak of SWNT was observed, and it can be seen that SWNT was completely wrapped by the conjugated polymer represented by Compound 3.

또한, 화합물 3으로 표시되는 공액 고분자 고유의 피크는 나타내는 400 내지 600 nm 영역에서 추가적 인 피크가 나타나 화합물 3으로 표시되는 공액 고분자와 SWNT 사이에 강한 상호 작용이 작용하는 것을 알 수 있다. In addition, an additional peak appears in the region of 400 to 600 nm, which is represented by the specific peak of the conjugated polymer represented by the compound 3, and a strong interaction between the conjugated polymer represented by the compound 3 and the SWNT acts.

SWNT 로서 CoMoCat 을 사용하여 wrapping capability 를 측정한 결과를 도 7 에 나타내었다. SWNT 로서 HiPCO 를 사용한 경우와 유사함을 알 수 있다.
The results of measuring the wrapping capability using CoMoCat as SWNT are shown in FIG. It can be seen that it is similar to the case of using HiPCO as SWNT.

<< 실시예Example > 고분자로 > With polymer wrappingwrapping  The swCNTswCNT 를 이용한 필름 제조 Film Manufacturing

상기 화합물 3으로 표시되는 공액 고분자로 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브를 포함하는 용액을 이용하여 필름을 제조하고 흡광도를 측정한 결과를 도 8 에 나타내었다. The film was prepared using the solution containing the single-walled carbon nanotubes wrapped with the conjugated polymer represented by the above-described compound 3, and the absorbance was measured. The results are shown in FIG.

도 8에서 필름의 경우 용액 상태인 경우보다 피크 강도와 위치의 변화가 있으나, 전체적으로 용액 상태와 필름 상태의 흡광도가 유사하다는 것을 알 수 있으며, 이로부터 필름을 형성하는 경우 유리 표면과 상기 고분자로 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브와의 추가적인 상호 작용이 있음을 알 수 있다.
In FIG. 8, the peak intensity and the position of the film are changed compared to the case of the solution state. However, it can be seen that the absorbance of the film state is similar to that of the solution state as a whole. Lt; RTI ID = 0.0 &gt; CNTs. &Lt; / RTI &gt;

<< 실시예Example > 탄소 나노 튜브 분산도 평가> Carbon Nanotube Dispersion Evaluation

상기 화합물 3으로 표시되는 공액 고분자로 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브(HiPCO) 를 포함하는 용액을 이용하여 제조된 필름을 어닐링하여 공액 고분자를 제거하고, 흡광도 변화를 측정하여 도 9 에 나타내었다. The film prepared using the solution containing the single-walled carbon nanotube (HiPCO) wrapped with the conjugated polymer represented by the above-mentioned Compound 3 was annealed to remove the conjugated polymer, and the absorbance change was measured and shown in FIG.

도 9 에서 금속성 단일벽 탄소나노튜브 를 나타내는 400 내지 550 nm 영역에서 화합물 3으로 표시되는 공액 고분자로 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브에 의한 피크 형태가 변화하지만, 600 내지 1400 nm 영역에서의 주피크는 변화가 없으며, 이로부터 본 발명에 의해 제조된 화합물 3으로 표시되는 공액 고분자는 반도체성 단일벽 탄소나노튜브를 wrapping 하여 선택적으로 분산시키는 것을 확인할 수 있다. In FIG. 9, the peak shape due to the single-walled carbon nanotubes wrapped with the conjugated polymer represented by the compound 3 changes in the region of 400 to 550 nm representing the metallic single-walled carbon nanotube, but the main peak in the region of 600 to 1400 nm is And the conjugated polymer represented by the compound 3 produced by the present invention can be selectively dispersed by wrapping the semiconducting single-walled carbon nanotubes.

화합물 3으로 표시되는 공액 고분자로 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브(CoMoCat) 를 포함하는 용액을 이용하여 제조된 필름을 어닐리한 후 흡광도 변화를 측정하고 도 10 에 나타내었다. 도 10 에서 열처리 후에도 관측 피크의 위치가 변화하지 않는 것을 알수 있다.
The film prepared using the solution containing the single-walled carbon nanotube (CoMoCat) wrapped with the conjugated polymer represented by the compound 3 was annealed and the absorbance change was measured and shown in FIG. It can be seen in FIG. 10 that the position of the observation peak does not change even after the heat treatment.

<< 실시예Example > 저장안정성 평가> Storage stability evaluation

화합물 3으로 표시되는 공액 고분자로 wrapping 된 단일벽 탄소나노튜브를 금속 표면에 필름을 형성한 후 흡광도를 측정한 결과를 도 11 에 나타내었다.
A single-walled carbon nanotube wrapped with a conjugated polymer represented by Compound 3 was formed on a metal surface and the absorbance was measured. The results are shown in FIG.

Claims (9)

아래의 화학식으로 표시되는 공액 고분자 및 반도체성 단일벽 탄소 나노 튜브를 유기 용매에 혼합하는 단계;
상기 혼합 용액을 초음파 처리하는 단계;
상기 초음파 처리된 혼합 용액을 원심 분리하는 단계; 및
원심 분리된 침전물을 분리하는 단계; 를 포함하는 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브의 제조 방법.
Figure 112015071141688-pat00015

상기 화학식에서 n 은 1 내지 10000의 정수이다.
Mixing a conjugated polymer represented by the following chemical formula and a semiconducting single-walled carbon nanotube into an organic solvent;
Ultrasonically treating the mixed solution;
Centrifuging the ultrasonic treated mixed solution; And
Separating the centrifuged sediment; Wherein the carbon nanotube is lapped with a polymer.
Figure 112015071141688-pat00015

In the above formula, n is an integer of 1 to 10000.
제 1 항에 있어서,
상기 공액 고분자는 밴드갭 에너지가 1.8 eV 이하이고, LUMO 는 3.2 이상인 것인 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법
The method according to claim 1,
Wherein the conjugated polymer has a band gap energy of 1.8 eV or less and a LUMO of 3.2 or more.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 유기 용매는 톨루엔인 것인 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법
The method according to claim 1,
Wherein the organic solvent is toluene, and a method for producing a polymer-lapped carbon nanotube
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 원심분리 단계에서는 40000g 이상으로 120분 내지 180분간 수행되는 것인 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브 의 제조 방법.
The method according to claim 1,
In the centrifugal separation step, is carried out at 40000 g or more for 120 minutes to 180 minutes.
제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 및 제 7 항 중 어느 하나의 제조 방법에 의하여 제조된 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브
A polymer-lapped carbon nanotube produced by the production method of any one of claims 1, 2, 4,
제 8 항에 의한 고분자로 랩핑된 탄소 나노 튜브를 포함하는 조성물
A composition comprising a polymer-lapped carbon nanotube according to claim 8
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