KR101948263B1 - Morphology-induced solvatochromic hybrid carbon nanosheets - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용매변색성 하이브리드 카본나노시트 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 산화그래핀 나노시트의 존재 하에 저분자 전구체를 수열 탄화시킴으로써, 산화그래핀 나노시트의 표면 상에 카본 나노링이 형성된 하이브리드 카본나노시트가 제공될 수 있으며, 상기 하이브리드 카본나노시트는 용매의 극성에 따라 UV 및 가시광 조사 하에서 매우 다양한 색을 발광할 수 있다. The present invention relates to a solvent-discolorable hybrid carbon nanosheet and a method for producing the hybrid carbon nanosheet, and more particularly, to a hybrid carbon nanosheet having a carbon nanorning formed on the surface of a graphene oxide nanosheet by hydrothermally carbonizing a low molecular weight precursor in the presence of a graphene oxide nanosheet. A sheet may be provided, and the hybrid carbon nanosheets can emit a very wide variety of colors under UV and visible light irradiation depending on the polarity of the solvent.

Description

형상변화를 통한 용매변색성 하이브리드 카본나노시트{MORPHOLOGY-INDUCED SOLVATOCHROMIC HYBRID CARBON NANOSHEETS}MORPHOLOGY-INDUCED SOLVATOCHROMIC HYBRID CARBON NANOSHEETS < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 광발광 특성을 갖는 카본계 나노재료에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 용매변색성 하이브리드 카본나노시트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a carbon nanomaterial having photoluminescence characteristics, and more particularly, to a solvent-discoloring hybrid carbon nanosheet and a method for producing the same.

광발광성 카본 나노재료는 이들의 뛰어난 광학적 특성과 광안정성에 의해 주목을 받고 있으며, 광전자소자, 생물학적 라벨, 및 센서 등에서 유용하게 사용되고 있다. 지금까지 다양한 기계적 프레임을 이용한 사례를 통해, 카본 나노재료의 결정 구조, 치수 및 화학적 관능화에 따라 광발광 특성이 달라지는 것으로 알려져 있다(Sun, Y. P. et al. J. Am. Chem. Soc. 128, 7756-7757 (2006) 참조). 그러나 종래의 카본 나노재료는 주로 상대적으로 낮은 양자수율(quantum yield; QY)의 청색 발광에 의해 좁은 색상 범위에서 발광하므로 적용분야에 한계가 있었다. Photoluminescent carbon nanomaterials are attracting attention due to their excellent optical properties and optical stability, and they are usefully used in optoelectronic devices, biological labels, sensors, and the like. It has been known that the photoluminescence characteristics of carbon nanomaterials vary depending on the crystal structure, dimensions and chemical functionalization of carbon nanomaterials (Sun, YP et al., J. Am. Chem. Soc . 128, 7756-7757 (2006)). However, the conventional carbon nanomaterial has a limited application field because it emits light in a narrow color range due to blue light emission of a relatively low quantum yield (QY).

이를 개선하기 위해 종래에는 다양한 전구체를 이용한 합성 조절, 표면 보호, 헤테로원자 도핑, 화학적 환원, 및 합성 이후에 크로마토그래피 분리하는 것과 같은 방식에 의해 카본 나노재료의 광발광 특성을 향상시키는 시도가 있었다. 또한 앞서 언급한 합성 방식 외에도, 주변 조건, 예를 들어 용매의 극성을 변화시켜 발광단(luminophore)의 광발광 스펙트럼을 조절하는 용매변색(solvatochromism) 현상을 이용하기도 하였다. There have been attempts to improve the photoluminescence properties of carbon nanomaterials by methods such as synthesis control using various precursors, surface protection, heteroatom doping, chemical reduction, and chromatographic separation after synthesis. In addition to the above-mentioned synthesis method, a solvatochromism phenomenon in which the luminous spectrum of the luminophore is controlled by changing the polarity of the solvent, for example, is used.

유기 염료에서도 종종 발견되는 바와 같이, 전자 전이 에너지는 용질-용매 간의 상호작용을 통해 용매화를 일으키고, 그 결과 흡광 스펙트럼 및 광발광 스펙트럼을 이동시킬 수 있다. 최근 카본나노튜브, 산화그래핀(graphene oxide; GO) 및 카본나노점(carbon dot; CD)과 같은 카본 나노재료들은 용매 분자와의 우선적 상호작용 또는 용매 극성에 따라 달라지는 표면 결함 상태(surface trap state)에 기인하여 광발광이 변화하는 것으로 알려져 있다. As is often found in organic dyes, the electron transition energy can cause solvation through interaction between solute-solvent, and as a result can shift the absorption spectrum and the photoluminescence spectrum. BACKGROUND ART Recently, carbon nanomaterials such as carbon nanotubes, graphene oxide (GO), and carbon nanotubes (CD) have been used as a surface trap state, which depends on a preferential interaction with a solvent molecule or solvent polarity ) Is known to change the light emission.

그러나, 종래의 용매 의존성 광발광을 나타내는 카본 나노재료에 대한 다양한 연구에도 불구하고, 아직까지는 모든 색상을 다양하게 나타낼 수는 없었다.However, in spite of various studies on carbon nanomaterials which exhibit conventional solvent-dependent photoluminescence, it has not been possible to display all the colors in various ways.

한편, 산화그래핀은 표면 관능기와 넓은 비표면적으로 인해, 카본 나노재료의 분자 구조를 변형시키는데 사용되어 왔다. 예를 들어, 산화그래핀은 수열반응에 의해 탄화된 글루코스의 구상 형상을 2차원 구조로 변화시킬 수 있다.On the other hand, oxidized graphene has been used to modify the molecular structure of carbon nanomaterials due to its surface functional groups and wide specific surface area. For example, oxidized graphene can change the spherical shape of glucose carbonized by a hydrothermal reaction into a two-dimensional structure.

Sun, Y. P. et al. Quantum-Sized Carbon Dots for Bright and Colorful Photoluminescence. J. Am. Chem. Soc. 128, 7756-7757 (2006) Sun, Y. P. et al. Quantum-Sized Carbon Dots for Bright and Colorful Photoluminescence. J. Am. Chem. Soc. 128, 7756-7757 (2006)

본 발명의 목적은 용매에 따라 UV 및 가시광 조사 하에서 매우 다양한 색으로 변화할 수 있는 하이브리드 카본나노시트, 이의 다양한 분야에의 응용, 이를 간단한 방식으로 제조할 수 있는 방법, 및 이를 이용하여 다양한 색을 가역적이고 재현성이 있게 발광하는 방법에 것이다.An object of the present invention is to provide a hybrid carbon nanosheet which can be changed into a very wide variety of colors under UV and visible light depending on a solvent, its application to various fields, a method capable of producing the same in a simple manner, It is a reversible and reproducible method of emitting light.

상기 목적에 따라, 본 발명은 산화그래핀 나노시트; 및 상기 산화그래핀 나노시트 상에 형성된 카본 나노링(carbon nanoring)을 포함하는, 하이브리드 카본나노시트를 제공한다.According to the above object, the present invention provides a graft oxide nanosheet; And carbon nanoring formed on the graphene oxide nanosheet. The present invention also provides a hybrid carbon nanosheet.

본 발명은 또한, 상기 하이브리드 카본나노시트를 포함하는 광전자 소자, 생물학적 라벨 및 센서를 제공한다.The present invention also provides optoelectronic devices, biological labels and sensors comprising the hybrid carbon nanosheets.

본 발명은 또한, (1) 산화그래핀 나노시트의 분산 용액을 제조하는 단계; (2) 상기 분산 용액에 유기산 및 아민 화합물을 포함하는 저분자 전구체를 첨가하여 혼합 분산 용액을 얻는 단계; 및 (3) 상기 혼합 분산 용액을 수열 탄화(hydrothermal carbonization)시키는 단계를 포함하는, 하이브리드 카본나노시트의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a nanocrystalline oxide film, comprising the steps of: (1) preparing a dispersion solution of graft oxide nanosheet; (2) adding a low molecular precursor including an organic acid and an amine compound to the dispersion solution to obtain a mixed dispersion solution; And (3) subjecting the mixed dispersion solution to hydrothermal carbonization. The present invention also provides a method for producing a hybrid carbon nanosheet.

본 발명은 또한, 상기 하이브리드 카본나노시트; 및 물, 에틸렌글리콜, 메탄올, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에탄올, n-부탄올, 이소프로판올, 아크릴로나이트릴, 다이메틸설폭사이드, 다이메틸폼아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 아세톤 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 용매를 포함하는, 하이브리드 카본나노시트 용액을 제공한다.The present invention also relates to the hybrid carbon nanosheet; And organic solvents such as water, ethylene glycol, methanol, ethylene glycol monomethyl ether, ethanol, n-butanol, isopropanol, acrylonitrile, dimethyl sulfoxide, dimethyl formamide, N- And at least one solvent selected from the group consisting of hydrofluoric acid, hydrofluoric acid, and hydrofluoric acid.

본 발명은 또한, (1) 하이브리드 카본나노시트를 제 1 용매에 첨가하여 제 1 용액을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 제 1 용액에 여기 광을 조사하여 제 1 색상을 발광시키는 단계를 포함하는, 하이브리드 카본나노시트의 발광방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a carbon nanostructure, comprising: (1) preparing a first solution by adding a hybrid carbon nanosheet to a first solvent; And (2) illuminating the first solution with excitation light to emit a first hue.

본 발명에 따르면, 산화그래핀 나노시트의 존재 하에 저분자 전구체를 수열 탄화시킴으로써, 산화그래핀 나노시트의 표면 상에 카본 나노링의 클러스터가 형성된 신규의 용매변색 하이브리드 카본나노시트가 제공될 수 있다.According to the present invention, a novel solvent-discolored hybrid carbon nanosheet having a cluster of carbon nanorings formed on the surface of a graphene oxide nanosheet by hydrothermalizing a low-molecular precursor in the presence of an oxidized graphene nanosheet can be provided.

상기 하이브리드 카본나노시트는 용매의 극성에 따라 UV 및 가시광 조사 하에서 매우 다양한 색으로 변화할 수 있다.The hybrid carbon nanosheets may vary in a wide variety of colors under UV and visible light irradiation depending on the polarity of the solvent.

이와 같은 용매변색 특성은, 카본나노시트와 용매 간의 수소결합 상호작용에 의해, 2차원적 형상의 카본나노시트가 3차원적으로 구겨지는 형상 변이가 유발됨으로써 발생하는 것이다.Such a solvent discoloration property is caused by a shape variation in which the two-dimensional carbon nanosheets are three-dimensionally wrinkled by the hydrogen bonding interaction between the carbon nanosheets and the solvent.

따라서, 상기 신규의 카본 나노구조체는 카본 나노재료의 광물리학적 특성을 이용한 새로운 가능성을 열어줄 수 있다.Therefore, the novel carbon nanostructure can open new possibilities using the photophysical properties of carbon nanomaterials.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
하기에 사용된 약어들의 의미는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 설명하였다.
도 1의 (a)는 하이브리드 카본나노시트(CNS)의 합성 방법을 나타내는 도식이고, (b)는 CNS 분산액을 서로 다른 용매(농도 0.10 mg/mL)에서 365 nm 광으로 여기시킬 때의 광학 이미지이다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 각각 물, EtOH 및 DMF에서의 CNS의 UV/Vis 및 광발광 스펙트럼이고, (d)는 430 nm에서, (e)는 590 nm(물), 575 nm(EtOH) 및 550 nm(DMF)에서, (f)는 590 nm(물), 575nm(EtOH) 및 550nm(DMF)에서 관찰한 3개의 대표적 용매에서의 CNS의 정규 광발광 소광 곡선(normalized PL decay profiles)이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 물에서의 CNS의 TEM 이미지이고, (c) 및 (d)는 DMF에서의 CNS의 TEM 이미지이며, (e)는 용매에 따른 CNS의 수력학적 입경(Dh)을 DLS에 의해 측정하여 부피평균 분율로 나타낸 그래프이다.
도 4의 (a)는 480 nm에서 여기된 광발광 밴드가 용매 극성(ET(30)) 및 산도(Kamlet-Taft acidity, α)의 변화에 따른 스토크스 이동(Stokes shift)한 그래프이고, (b)는 극성 및 비극성 용매에서 CNS의 변화되는 형상에 대한 모식도이고, (c)는 용매에 따른 CNS의 에너지 다이아그램이고, (d)는 360 nm 및 480 nm에서 서로 다른 극성의 용매로부터 얻어진 광발광 스펙트럼의 CIE 색좌표(x, y)이다(1: THF, 2: 아세톤, 3: NMP, 4: DMF, 5: DMSO, 6: ACN, 7: IPA, 8: n-BuOH, 9: EtOH, 10: EGME, 11: MeOH, 12: EG, 13: 물).
도 5의 (a) 내지 (e)는 각각 EG, MeOH, EGME, n-BuOH 및 IPA 중에서 측정한 CNS의 UV/Vis 및 광발광 스펙트럼이다.
도 6의 (a) 내지 (e)는 각각 MeCN, DMSO, NMP, 아세톤 및 THF 중에서 측정한 CNS의 UV/Vis 및 광발광 스펙트럼이다.
도 7의 (a)는 물과 DMF가 10:0, 7:3, 5:5, 3:7 및 0:10의 비율로 혼합된 용매 중에서 관찰한 CNS의 광학 이미지이고, (b)는 480nm에서 여기된 CNS의 광발광 스펙트럼이며, (c)는 CNS의 2차원 광발광 스펙트럼이다.
도 8은 에탄올, IPA 및 DMSO 중에서 CNS의 TEM 이미지(상) 및 DLS 히스토그램(하)이다.
도 9의 (a) 및 (b)는 각각, 물에서 DMF로, 또한 DMF에서 물로 용매를 변경하였을 때에 관찰된 TEM 이미지와 광학 이미지이다.
도 10의 (a) 내지 (c)는 산화그래핀(GO) 나노시트 없이 저분자로부터 합성된 카본 나노링의 TEM 이미지와 광학 이미지이고, (d) 내지 (f)는 각각 상기 카본 나노링의 물, 에탄올 및 DMF 중에서 광발광 스펙트럼이다.
도 11은 CNS-물 및 CNS-DMF의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 12의 (a) 내지 (c)는 각각 CNS-물, CNS-EtOH 및 CNS-DMF의 디콘볼루션된 고해상도 C1s XPS 스펙트럼이다.
도 13은 용매 극성 인자인 Kamlet-Taft 인자(β 및 π*)에 대한 스토크스 이동(stokes shift)을 나타낸 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
The meanings of the abbreviations used in the following are described in detail for the purpose of carrying out the invention.
FIG. 1 (a) is a schematic diagram showing a method of synthesizing a hybrid carbon nanosheet (CNS), and FIG. 1 (b) is a schematic diagram showing a method of synthesizing an optical image when the CNS dispersion is excited with 365 nm light in a different solvent (concentration 0.10 mg / to be.
2 (a) to 2 (c) are UV / Vis and photoluminescence spectra of CNS in water, EtOH and DMF, respectively, at 430 nm, 590 nm (water), 575 nm (EtOH) and 550 nm (DMF), (f) shows normalized PL decay (CNS) spectra in three representative solvents observed at 590 nm (water), 575 nm (EtOH) and 550 nm profiles.
Figures 3 (a) and 3 (b) are TEM images of CNS in water, (c) and (d) are TEM images of CNS in DMF, (e) D h ) as a volume average fraction measured by DLS.
4 (a) is a graph showing the Stokes shift of the photoluminescence band excited at 480 nm according to the change of solvent polarity (E T (30)) and acidity (Kamlet-Taft acidity,?) (b) is a schematic diagram of the changed shape of the CNS in polar and nonpolar solvents, (c) is the energy diagram of the CNS according to the solvent, and (d) is the energy diagram obtained from solvents of different polarities at 360 nm and 480 nm (1: THF, 2: acetone, 3: NMP, 4: DMF, 5: DMSO, 6: ACN, 7: IPA, 8: n-BuOH, 9: EtOH , 10: EGME, 11: MeOH, 12: EG, 13: water).
5 (a) to 5 (e) are UV / Vis and photoluminescence spectra of CNS measured in EG, MeOH, EGME, n-BuOH and IPA, respectively.
6 (a) to 6 (e) are UV / Vis and photoluminescence spectra of CNS measured in MeCN, DMSO, NMP, acetone and THF, respectively.
7 (a) is an optical image of CNS observed in a mixed solvent of water and DMF at a ratio of 10: 0, 7: 3, 5: 5, 3: 7 and 0:10, (C) is a two-dimensional photoluminescence spectrum of the CNS.
Figure 8 is TEM image (top) and DLS histogram (bottom) of CNS in ethanol, IPA and DMSO.
Figures 9 (a) and 9 (b) are TEM images and optical images observed when the solvent was changed from water to DMF and from DMF to water, respectively.
10 (a) to 10 (c) are TEM images and optical images of carbon nanorings synthesized from small molecules without graft oxide (GO) nanosheets, and FIGS. 10 (d) , Ethanol and DMF.
Figure 11 is the FT-IR spectrum of CNS-water and CNS-DMF.
Figures 12 (a) - (c) are deconvoluted high resolution C1s XPS spectra of CNS-water, CNS-EtOH and CNS-DMF, respectively.
Figure 13 shows the stokes shift for the solvent polarity factors Kamlet-Taft factors ([beta] and [pi] *).

이하 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically.

본 발명은, 산화그래핀 나노시트; 및 상기 산화그래핀 나노시트 상에 형성된 카본 나노링을 포함하는, 하이브리드 카본나노시트를 제공한다.The present invention relates to an oxide graphene nanosheet; And a carbon nanorring formed on the graphene oxide nanosheet. The present invention also provides a hybrid carbon nanosheet.

상기 산화그래핀 나노시트는 본 발명의 하이브리드 카본나노시트에서 지지체로 작용한다.The graphene oxide nanosheet acts as a support in the hybrid carbon nanosheet of the present invention.

상기 산화그래핀 나노시트는 통상의 알려진 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 산화그래핀 나노시트는 허머(Hummer)법에 의해 또는 이를 약간 변형한 방법에 의해 제조될 수 있다.The graphene oxide nanosheets can be prepared by conventional methods. For example, the graphene oxide nanosheets can be prepared by a Hummer method or by a slightly modified method thereof.

상기 산화그래핀 나노시트는 표면에 다양한 작용기를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화그래핀 나노시트는 표면에 산소 함유 작용기를 가질 수 있다. 구체적인 예로서 상기 산화그래핀 나노시트는 표면에 카복실기(-COOH), 옥소기(-C=O) 등을 가질 수 있다. The graft oxide nanosheets may have various functional groups on the surface. For example, the graphene oxide nanosheet may have an oxygen-containing functional group on its surface. As a specific example, the graphene oxide nanosheet may have a carboxyl group (-COOH), an oxo group (-C═O), or the like on its surface.

상기 카본 나노링은 탄소 구조가 링 형태로 이루어진 나노물질이다.The carbon nanorings are nanomaterials having a carbon structure in the ring form.

상기 카본 나노링은 산화그래핀 나노시트 상에 형성되고, 하이브리드 카본나노시트에서 발색단으로 작용한다.The carbon nanorings are formed on the graphene oxide nanosheets, and act as chromophores in the hybrid carbon nanosheets.

상기 카본 나노링은 저분자 전구체가 수열 탄화(hydrothermal carbonization)되어 형성된 것일 수 있다.The carbon nanorings may be formed by hydrothermal carbonization of a low-molecular precursor.

여기서 상기 저분자 전구체는 30~1000 g/mol 또는 50~500 g/mol의 분자량을 갖는 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다. The low molecular weight precursor may include at least one compound having a molecular weight of 30 to 1000 g / mol or 50 to 500 g / mol.

상기 저분자 전구체는 유기산을 포함할 수 있다. 상기 유기산은 시트르산을 포함할 수 있다. 또한, 상기 저분자 전구체는 아민 화합물을 포함할 수 있고, 이에 따라 상기 카본 나노링은 질소(N)가 도핑된 것일 수 있다. 또한, 상기 저분자 전구체는 붕산을 포함할 수 있고, 이에 따라 상기 카본 나노링은 붕소(B)가 도핑된 것일 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 저분자 전구체는 유기산, 아민 화합물 및 붕산을 포함할 수 있다.The low molecular weight precursor may include an organic acid. The organic acid may comprise citric acid. Further, the low molecular weight precursor may include an amine compound, and thus the carbon nanorings may be doped with nitrogen (N). Further, the low molecular precursor may include boric acid, and thus the carbon nanorings may be doped with boron (B). As a specific example, the low molecular weight precursor may include an organic acid, an amine compound, and boric acid.

종래에 저분자 전구체를 별도의 지지체나 프레임 없이 마이크로웨이브 등으로 탄화시켜 구상의 카본 나노점들을 얻는 것이 알려져 있으나, 본 발명에 따르면 산화그래핀 나노시트의 존재 하에 저분자 전구체를 수열반응에 의해 탄화시킴으로써 산화그래핀 나노시트 상에 카본 나노링을 형성할 수 있다.Conventionally, it is known to carbonize a low molecular precursor with a microwave or the like without a separate support or frame to obtain spherical carbon nano dots. However, according to the present invention, a low molecular precursor is carbonized by hydrothermal reaction in the presence of an oxidized graphene nanosheet, The carbon nanorings can be formed on the graphene nanosheet.

상기 카본 나노링은 탄소 성분 및 산소 성분을 주로 함유하며, 구체적으로, 탄소 성분을 20 내지 70 원소% 및 산소 성분을 20 내지 60 원소%로 함유할 수 있다. 더 구체적으로, 탄소 성분을 35 내지 43 원소% 및 산소 성분을 38 내지 46 원소%로 함유할 수 있다. The carbon nanorings mainly contain a carbon component and an oxygen component. Specifically, the carbon nanorings may contain 20 to 70% elemental carbon and 20 to 60% elemental oxygen. More specifically, it may contain 35 to 43% by atom of carbon component and 38 to 46% by atom of oxygen component.

상기 카본 나노링은 질소로 도핑된 것일 수 있다. 즉 상기 카본 나노링은 질소 성분을 함유할 수 있다. 구체적으로, 상기 카본 나노링은 질소 성분을 10 내지 30 원소%, 더 구체적으로, 11 내지 13 원소%로 함유할 수 있다. The carbon nanorings may be doped with nitrogen. That is, the carbon nanorings may contain a nitrogen component. Specifically, the carbon nanorings may contain a nitrogen component in an amount of 10 to 30%, more specifically 11 to 13%.

또한, 상기 카본 나노링은 붕소로 도핑된 것일 수 있다. 즉 상기 카본 나노링은 붕소 성분을 더 함유할 수 있다. 구체적으로, 상기 카본 나노링은 붕소 성분을 0 초과 내지 10 원소%, 더 구체적으로, 0 초과 내지 3.5 원소%로 함유할 수 있다.Further, the carbon nanorings may be doped with boron. That is, the carbon nanorings may further contain a boron component. Specifically, the carbon nanorings may contain a boron component in an amount of more than 0 to 10%, more specifically more than 0 and 3.5%.

또한, 상기 카본 나노링은 질소와 붕소로 도핑된 것일 수 있다. 즉 상기 카본 나노링은 질소와 붕소 성분을 더 함유할 수 있다. 이때 상기 질소와 붕소 성분의 함량은 앞서 예시한 바와 같을 수 있다.Further, the carbon nanorings may be doped with nitrogen and boron. That is, the carbon nanorings may further contain nitrogen and a boron component. At this time, the contents of nitrogen and boron may be as described above.

상기 카본 나노링은 질소 성분에 대한 탄소 성분의 원소비(C/N)가 2 내지 6 일 수 있고, 구체적으로, 질소 성분에 대한 탄소 성분의 원소비가 4 내지 5 일 수 있다.The carbon nano ring may have a carbon number (C / N) of 2 to 6 carbon atoms with respect to the nitrogen component, and specifically, a carbon number of 4 to 5 carbon atoms with respect to the nitrogen component.

상기 카본 나노링은 카르보닐기, 카르복실기, B-OH, 피롤릭 질소(pyrrolic-N) 및 흑연질 질소(graphitic N)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 그룹을 가질 수 있다.The carbon nanorings may have at least one group selected from the group consisting of carbonyl group, carboxyl group, B-OH, pyrrolic-N, and graphitic N.

상기 카본 나노링은 도핑된 질소의 총 중량을 기준으로 60 중량% 이상의 흑연질 질소(graphitic N)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 도핑된 질소의 총 중량을 기준으로 60 내지 70 중량%의 흑연질 질소(graphitic N)를 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 도핑된 질소의 총 중량을 기준으로 63 내지 69 중량%의 흑연질 질소(graphitic N)를 포함할 수 있다. The carbon nanorings may comprise at least 60 weight percent graphitic N based on the total weight of doped nitrogen. Specifically, it may comprise 60 to 70% by weight of graphitic N based on the total weight of doped nitrogen. More specifically, it may comprise 63 to 69 wt% graphitic N based on the total weight of doped nitrogen.

상기 카본 나노링은 5~50 nm의 직경을 가질 수 있고, 보다 구체적으로 10~20 nm의 직경을 가질 수 있다.The carbon nanorings may have a diameter of 5 to 50 nm, more specifically, a diameter of 10 to 20 nm.

또한, 상기 카본 나노링은 0.30~0.40 nm의 층간거리(interlayer spacing)을 가질 수 있고, 보다 구체적으로 0.340~0.349 nm의 층간거리를 가질 수 있다.In addition, the carbon nanorings may have an interlayer spacing of 0.30 to 0.40 nm, and more specifically, an interlayer distance of 0.340 to 0.349 nm.

또한, 상기 카본 나노링은 상기 산화그래핀 나노시트의 단위 면적(㎛2)당 180 개/㎛2 이상, 200 개/㎛2 이상, 또는 180~230 개/㎛2로 형성될 수 있다.Further, the carbon nano-rings may be formed of the graphene oxide unit of the nano-sheet area (㎛ 2) 180 per / ㎛ 2 or more, 200 / ㎛ 2 or more, or 180-230 / ㎛ 2.

상기 카본 나노링은 저분자 전구체를 수열 탄화시켜 얻을 수 있으며, 본 발명에서는 산화그래핀 나노시트의 존재 하에 저분자 전구체를 수열 탄화시킴으로써, 산화그래핀 나노시트 상에 카본 나노링이 형성될 수 있다. 즉, 상기 하이브리드 카본나노시트는 산화그래핀 나노시트의 존재 하에 저분자 전구체를 수열 탄화하여 얻어질 수 있다. The carbon nanorings can be obtained by hydrothermally carbonizing a low molecular weight precursor. In the present invention, carbon nanorings can be formed on a graft oxide nanosheet by hydrothermally carbonizing a low molecular weight precursor in the presence of an oxidized graphene nanosheet. That is, the hybrid carbon nanosheets can be obtained by hydrothermally carbonizing a low molecular weight precursor in the presence of an oxidized graphene nanosheet.

상기 하이브리드 카본나노시트는 형상변화를 통한 용매변색성(morphology-induced solvatochromism)을 갖는다. 구체적으로, 하이브리드 카본나노시트는 용매 중에 존재할 때, 용매의 극성에 따라 형상 및 발광색이 변화할 수 있다.The hybrid carbon nanosheets have a morphology-induced solvatochromism through shape change. Specifically, when the hybrid carbon nanosheets are present in the solvent, the shape and the luminescent color may change depending on the polarity of the solvent.

상기 하이브리드 카본나노시트를 구성하는 산화그래핀 나노시트는 물, 에탄올, DMF 등의 용매에서 분산력이 우수하나, 카본 나노링은 물 이외의 용매에서의 분산력이 좋지 않다. 이와 같은 분산력 차이로 인해 상기하이브리드 카본나노시트는 다양한 형상을 가질 수 있다.The graft oxide nanosheets constituting the hybrid carbon nanosheets are excellent in dispersibility in solvents such as water, ethanol and DMF, but the carbon nanorings have poor dispersibility in solvents other than water. The hybrid carbon nanosheets may have various shapes due to the difference in dispersion force.

예를 들어, 상기 하이브리드 카본나노시트는 접히거나 굽힘 없이 평평한 형상을 가질 수도 있고 또는 구겨진 형상을 가질 수도 있다. 구체적으로, 상기 하이브리드 카본나노시트는 극성이 높은 용매 중에서 평평한 형상을 갖고, 극성이 낮은 용매 중에서 구겨진 형상을 가질 수 있다.For example, the hybrid carbon nanosheets may have a flat shape without folding or bending, or may have a wrinkled shape. Specifically, the hybrid carbon nanosheets may have a flat shape in a solvent having a high polarity and may have a crumpled shape in a solvent having a low polarity.

양자성 용매에서, 하이브리드 카본나노시트의 산소 함유 작용기의 비결합 전자는, 용매의 양자성 수소 원자와 수소결합을 이룸으로써 매우 안정화될 수 있다. 반면, 비양자성 용매에는 수소결합을 이룰 양자성 수소 원자가 존재하지 않으므로, 하이브리드 카본나노시트는 형상이 구겨짐으로써 전기음성의 산소 원자가 비양자성 환경에 노출되는 것을 최소화하는 동시에, 하이브리드 카본나노시트의 산소 함유 표면 작용기 간의 내부 수소결합의 갯수를 최대화함으로써, 하이브리드 카본나노시트의 자유 에너지를 낮추어 안정화시킨다.In the quantum solvent, the unconjugated electrons of the oxygen-containing functional groups of the hybrid carbon nanosheets can be highly stabilized by hydrogen bonding with the quantum hydrogen atoms of the solvent. On the other hand, since the quantum hydrogen atoms forming the hydrogen bond are not present in the non-protonic solvent, the hybrid carbon nanosheets are wrinkled in shape to minimize the exposure of the electronegative oxygen atoms to the non-protic environment, and the oxygen content of the hybrid carbon nanosheets By maximizing the number of internal hydrogen bonds between the surface functional groups, the free energy of the hybrid carbon nanosheets is lowered and stabilized.

상기 하이브리드 카본나노시트는 50~2000 nm의 평균 입경을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 하이브리드 카본나노시트는 극성이 높은 물, 에틸렌글리콜, 메탄올 등의 용매 중에서 1000~2000 nm의 평균 입경을 갖고, 극성이 낮은 테트라하이드로퓨란(THF), 아세톤 등의 용매 중에서 50~500 nm의 평균 입경을 가질 수 있다.The hybrid carbon nanosheets may have an average particle diameter of 50 to 2000 nm. More specifically, the hybrid carbon nanosheet has an average particle diameter of 1000 to 2000 nm in a highly polar polar solvent such as water, ethylene glycol, or methanol, and has a low polarity. The hybrid carbon nanosheet has an average particle diameter of 50 to 500 nm in a solvent such as tetrahydrofuran (THF) It may have an average particle size of 500 nm.

용매의 극성 정도에 따라 하이브리드 카본나노시트의 구조 형상이 달라짐에 따라, 하이브리드 카본나노시트의 형광 특성이 결정된다. 양자성 용매에서는 나노시트의 구조를 유지하고 있어 산화그래핀 나노시트와 카본 나노링에서의 형광이 동시에 발광된다. 이로 인해 푸른색과 오렌지색의 형광을 발광한다. 하지만, 비양자성 용매에서는 구겨진 형상으로 인해 카본 나노링의 형광의 발광이 줄어, 주로 초록색의 형광이 발광된다.As the structure of the hybrid carbon nanosheet varies depending on the degree of polarity of the solvent, the fluorescence characteristics of the hybrid carbon nanosheet are determined. In the quantum solvent, the structure of the nanosheet is maintained, so that the fluorescence in the graphene nanosheets and the carbon nanorings emit light at the same time. As a result, blue and orange fluorescence are emitted. However, in the non-magnetic solvent, the fluorescence emission of the carbon nanorings decreases due to the crumpled shape, and mainly the green fluorescence is emitted.

이와 같은 용매의 경향성은, 용매의 극성 나타내는 인자(solvent polarity parameter)인 ET(30) 값, 및 용매의 산도(solvent acidity)를 나타내는 Kamlet-Taft 인자인 α 값에 근거하여, 아래와 같은 순서(극성이 낮거나 비양자성의 용매 -> 극성이 높거나 양자성의 용매의 순서)로 예시될 수 있다:The tendency of such a solvent is determined by the following procedure based on the value of E T (30), which is the solvent polarity parameter of the solvent, and the value of the Kamlet-Taft factor, which indicates the solvent acidity of the solvent Polar or non-polar solvent -> polar or quantum solvent): < RTI ID = 0.0 >

1: 테트라하이드로퓨란(THF), 2: 아세톤, 3: N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 4: 다이메틸폼아마이드(DMF), 5: 다이메틸설폭사이드(DMSO), 6: 아크릴로나이트릴(ACN), 7: 이소프로필알콜(IPA), 8: n-부탄올(n-BuOH), 9: 에탄올(EtOH), 10: 에틸렌글리콜모노메틸에테르(EGME), 11: 메탄올(MeOH), 12: 에틸렌글리콜(EG), 13: 물.1: tetrahydrofuran (THF), 2: acetone, 3: N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 4: dimethylformamide (DMF), 5: dimethylsulfoxide (DMSO) Acrylonitrile (ACN) 7: isopropyl alcohol (IPA) 8: n-BuOH 9: ethanol (EtOH) 10: ethylene glycol monomethyl ether (EGME) 11: methanol MeOH), 12: ethylene glycol (EG), 13: water.

예를 들어, 본 명세서에서 극성이 높거나 양자성의 용매는 ET(30)이 50~70 kcal/mol이거나 α 값이 0.6~1.5의 범위인 용매를 지칭할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 명세서에서 극성이 높거나 양자성의 용매는 ET(30)이 55~65 kcal/mol이거나 α 값이 0.9~1.3의 범위인 용매를 지칭할 수 있다. 예컨대, 상기 극성이 높거나 양자성의 용매는 물, EG, MeOH, EGME, EtOH, n-BuOH, IPA 등일 수 있다. For example, in the present specification, a highly polar or quantitative solvent may refer to a solvent in which E T (30) is in the range of 50 to 70 kcal / mol, or an alpha value in the range of 0.6 to 1.5. More specifically, in the present specification, a highly polar or quantitative solvent may refer to a solvent having an E T (30) of 55 to 65 kcal / mol or an α value of 0.9 to 1.3. For example, the polar or highly polar solvent may be water, EG, MeOH, EGME, EtOH, n-BuOH, IPA, and the like.

또한, 본 명세서에서 극성이 낮거나 비양자성의 용매는 ET(30)이 30~47 kcal/mol이거나 α 값이 0~0.4의 범위인 용매를 지칭할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 명세서에서 극성이 낮거나 비양자성의 용매는 ET(30)이 35~45 kcal/mol이거나 α 값이 0~0.1의 범위인 용매를 지칭할 수 있다. 예컨대, 상기 극성이 낮거나 비양자성의 용매는 THF, 아세톤, NMP, DMF, DMSO, ACN 등일 수 있다. In addition, in the present specification, a solvent having a low polarity or an aprotic solvent may refer to a solvent having an E T (30) of 30 to 47 kcal / mol or a value of 0 to 0.4. More specifically, low polarity or non-polar solvents can be used herein to refer to solvents having an E T (30) in the range of 35 to 45 kcal / mol or an alpha value in the range of 0 to 0.1. For example, the solvent having low polarity or non-polarity may be THF, acetone, NMP, DMF, DMSO, ACN and the like.

상기 극성이 높은 용매로는 대표적으로 물을 들 수 있고, 극성이 낮은 용매로는 대표적으로 다이메틸폼아마이드(DMF)를 들 수 있다.The solvent having a high polarity is typically water, and the solvent having a low polarity is typically dimethylformamide (DMF).

상기 하이브리드 카본나노시트는 용매의 극성, 특히 수소결합과 같은 용매의 특성(양자성 또는 비양자성)에 따라 발광색이 변화한다.The hybrid carbon nanosheets vary in luminescence color depending on the polarity of the solvent, particularly the characteristics of the solvent such as hydrogen bonding (quantum or non-magnetic).

예를 들어, 상기 하이브리드 카본나노시트는 약 360 nm 파장의 광으로 여기될 때, 극성이 높은 용매(예: ET(30)=55~65 kcal/mol) 중에서는 청색 계열의 광(약 400~450 nm에서 피크)을 주로 발광하는 반면, 극성이 낮은 용매(예: ET(30)=35~45 kcal/mol) 중에서는 황색 내지 오렌지색 계열의 광(약 520~620 nm에서 피크)을 주로 발광한다.For example, when the hybrid carbon nanosheets are excited with light having a wavelength of about 360 nm, blue light (about 400 nm) is emitted in a solvent having a high polarity (for example, E T (30) = 55-65 kcal / mol) (Peak at about 520 to 620 nm) in a solvent with a low polarity (eg, E T (30) = 35 to 45 kcal / mol) It mainly emits light.

또한, 상기 하이브리드 카본나노시트는 약 480 nm 파장의 광으로 여기될 때, 극성이 높은 용매(예: ET(30)=55~65 kcal/mol) 중에서는 오렌지색 계열의 광(약 570~620 nm에서 피크)을 주로 발광하는 반면, 극성이 낮은 용매(예: ET(30)=35~45 kcal/mol) 중에서는 황색 계열의 광(약 520~570 nm에서 피크)을 주로 발광한다.In addition, when the hybrid carbon nanosheets are excited with light having a wavelength of about 480 nm, orange-colored light (about 570 to 620 nm) is emitted in a solvent having a high polarity (e.g., E T (30) = 55 to 65 kcal / mol) (peak at about 520 to 570 nm) in a solvent with a low polarity (eg, E T (30) = 35 to 45 kcal / mol).

특히, 상기 하이브리드 카본나노시트는 용매의 극성에 따라 형상이 변화하면서 그로 인해 발광색이 변화한다. 예를 들어, 상기 하이브리드 카본나노시트는 극성이 높은 용매(예: ET(30)=55~65 kcal/mol) 중에서는 평평하게 펼쳐진 형상을 갖는 반면, 극성이 낮은 용매(예: ET(30)=35~45 kcal/mol) 중에서는 구겨지고 뭉쳐진 형상을 갖는다.Particularly, in the hybrid carbon nanosheets, the shape changes according to the polarity of the solvent, thereby changing the luminescent color. For example, the hybrid carbon nanosheets have a flattened shape in a highly polar solvent (e.g., E T (30) = 55-65 kcal / mol), while a solvent having a low polarity (for example, E T 30) = 35 to 45 kcal / mol).

이와 같은 상기 하이브리드 카본나노시트의 형상 및 발광색의 변화는 용매에 따라 가역적이고 재현성 있게 일어날 수 있다.The shape of the hybrid carbon nanosheets and the change of the luminescent color can be reversibly and reproducibly generated depending on the solvent.

또한, 상기 하이브리드 카본나노시트는 용매의 극성에 따라 양자수율이 변화한다. 예를 들어, 상기 하이브리드 카본나노시트는 약 360 nm 파장의 광으로 여기될 때, DMF 중에서 10~20%의 양자수율을 갖는 반면, 물 중에서 20~30%의 양자수율을 가질 수 있다. 또한, 상기 하이브리드 카본나노시트는 약 480 nm 파장의 광으로 여기될 때, DMF 중에서 15~25%의 양자수율을 갖는 반면, 물 중에서 5~15%의 양자수율을 가질 수 있다. The hybrid carbon nanosheets vary in quantum yield depending on the polarity of the solvent. For example, the hybrid carbon nanosheets may have a quantum yield of 10 to 20% in DMF, while having a quantum yield of 20 to 30% in water when excited by light of a wavelength of about 360 nm. Further, when the hybrid carbon nanosheets are excited with light having a wavelength of about 480 nm, they may have a quantum yield of 15 to 25% in DMF, and a quantum yield of 5 to 15% in water.

또한, 상기 하이브리드 카본나노시트는 용매의 극성에 따라 주 발광밴드의 수명이 달라질 수 있다.In addition, the lifetime of the main emission band of the hybrid carbon nanosheet may vary depending on the polarity of the solvent.

일례로서, 상기 하이브리드 카본나노시트는 약 375 nm 파장의 광으로 여기될 때 청색 밴드(약 400~450 nm에서 피크)를 나타내고, 이때 상기 청색 밴드가 물 중에서 4~6 ns의 수명을 갖는 반면, DMF 중에서 2~4 ns의 수명을 가질 수 있다.As an example, the hybrid carbon nanosheets exhibit a blue band (peak at about 400-450 nm) when excited by light at a wavelength of about 375 nm, wherein the blue band has a lifetime of 4-6 ns in water, It can have a lifetime of 2 to 4 ns in DMF.

다른 예로서, 상기 하이브리드 카본나노시트는 약 375 nm 파장의 광으로 여기될 때 황색 내지 오렌지색 밴드(약 520~620 nm에서 피크)를 나타내고, 이때 상기 황색 내지 오렌지색 밴드가 물 중에서 1~3 ns의 수명을 갖는 반면, DMF 중에서 4~6 ns의 수명을 가질 수 있다.As another example, the hybrid carbon nanosheets exhibit yellow to orange bands (peaks at about 520 to 620 nm) when excited with light at a wavelength of about 375 nm, wherein the yellow to orange bands are between 1 and 3 ns in water While it can have a lifetime of 4-6 ns in DMF.

또 다른 예로서, 상기 하이브리드 카본나노시트는 약 450 nm 파장의 광으로 여기될 때 황색 내지 오렌지색 밴드(약 520~620 nm에서 피크)를 나타내고, 이때 상기 황색 내지 오렌지색 밴드가 물 중에서 0.1~2 ns의 수명을 갖는 반면, DMF 중에서 4~6 ns의 수명을 가질 수 있다.As another example, the hybrid carbon nanosheets exhibit yellow to orange bands (peaks at about 520 to 620 nm) when excited with light at a wavelength of about 450 nm, wherein the yellow to orange bands are present in the range of 0.1 to 2 ns , While it can have a lifetime of 4 to 6 ns in DMF.

상기 하이브리드 카본나노시트는 용매의 변화에 따라 청색에서 오렌지색, 나아가 백색에 이르기까지 다양하게 변화되는 뛰어난 용매변색 특성을 갖는다.The hybrid carbon nanosheets have excellent solvent discoloration characteristics that vary from blue to orange, and further to white depending on changes in solvent.

특히, 본 발명의 하이브리드 카본나노시트는 용매의 변화에 따라 거의 전 가시광 영역을 커버하도록 발광하는 최초의 물질로 파악된다.In particular, the hybrid carbon nanosheets of the present invention are understood to be the first materials that emit light to cover almost all the visible light region in accordance with changes in the solvent.

이와 같은 풀-컬러의 발광은 용매에 따라 하이브리드 카본나노시트의 형상 변화가 일어나고 그에 따라 용매변색성 광발광이 유발되기 때문이다.This full-color emission is caused by a change in the shape of the hybrid carbon nanosheets depending on the solvent, thereby causing solvent discoloring light emission.

구체적으로, 이와 같은 카본나노시트의 형상 변화에 의해 표면 작용기가 용매에 노출되는 정도와 용질-용매간 수소결합 정도가 달라지게 되고, 그에 따라 광여기된 표면 작용기 비방사적 완화가 달라지게 되어, 광발광의 스펙트럼이 조절될 수 있다.Specifically, the degree of the surface functional group exposed to the solvent and the degree of hydrogen bonding between the solute and the solvent are changed by the change of the shape of the carbon nanosheets, and the non-radiative relaxation of the photoexcited surface functional group is changed, The spectrum of luminescence can be adjusted.

상기 하이브리드 카본나노시트는 광전자 소자, 생물학적 라벨, 센서 등의 용도로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한, 상기 하이브리드 카본나노시트를 포함하는 광전자 소자, 생물학적 라벨 및 센서를 제공한다.The hybrid carbon nanosheets can be used for applications such as optoelectronic devices, biological labels, and sensors. Thus, the present invention also provides optoelectronic devices, biological labels and sensors comprising the hybrid carbon nanosheets.

본 발명은 또한, (1) 산화그래핀 나노시트의 분산 용액을 제조하는 단계; (2) 상기 분산 용액에 유기산 및 아민 화합물을 포함하는 저분자 전구체를 첨가하여 혼합 분산 용액을 얻는 단계; 및 (3) 상기 혼합 분산 용액을 수열 탄화시키는 단계를 포함하는, 하이브리드 카본나노시트의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a nanocrystalline oxide film, comprising the steps of: (1) preparing a dispersion solution of graft oxide nanosheet; (2) adding a low molecular precursor including an organic acid and an amine compound to the dispersion solution to obtain a mixed dispersion solution; And (3) hydrothermally carbonizing the mixed dispersion solution. The present invention also provides a method for producing a hybrid carbon nanosheet.

이하, 각 단계별로 구체적으로 설명한다.Hereinafter, each step will be described in detail.

상기 단계 (1)에서는 산화그래핀 나노시트의 분산 용액을 제조한다.In the step (1), a dispersion solution of graft oxide nanosheets is prepared.

상기 산화그래핀 나노시트는 통상의 알려진 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 산화그래핀 나노시트는 흑연 분말을 초음파 처리로 박피하여 얻을 수 있다.The graphene oxide nanosheets can be prepared by conventional methods. For example, the graphene oxide nanosheet can be obtained by peeling graphite powder by ultrasonic treatment.

상기 분산 용액에 사용되는 용매는 물, 에탄올, DMF 등이 가능하다.The solvent used in the dispersion solution may be water, ethanol, DMF, or the like.

상기 단계 (2)에서는 앞서의 단계에서 얻은 분산 용액에 유기산 및 아민 화합물을 포함하는 저분자 전구체를 첨가하여 혼합 분산 용액을 얻는다.In the step (2), a low-molecular precursor including an organic acid and an amine compound is added to the dispersion solution obtained in the previous step to obtain a mixed dispersion solution.

상기 유기산은 시트르산을 포함할 수 있다. 또한, 상기 혼합 분산 용액에는 상기 시트르산 이외의 유기산, 예를 들어 키토산, 알긴산, 또는 이들의 혼합물을 추가로 첨가할 수 있다.The organic acid may comprise citric acid. Further, an organic acid other than citric acid, for example, chitosan, alginic acid, or a mixture thereof may be further added to the mixed dispersion solution.

상기 아민 화합물은, 예를 들어 C2-10알킬렌다이아민일 수 있으며, 보다 구체적으로는 에틸렌다이아민일 수 있다.The amine compound may be, for example, a C 2-10 alkylenediamine, more specifically, ethylene diamine.

상기 저분자 전구체는 그 외 화합물들을 더 포함할 수 있다. 일례로서, 상기 저분자 전구체는 붕산을 더 포함할 수 있다.The low molecular weight precursor may further include other compounds. As an example, the low molecular weight precursor may further include boric acid.

또한, 상기 붕산과 유기산의 당량비는 1 : 0.3~1.5일 수 있으며, 구체적으로 1 : 0.5~1.3일 수 있다. 붕산과 유기산의 당량비가 상기 범위 내일 경우, 최종 제조된 카본나노시트의 양자 수율이 보다 향상될 수 있다.The equivalent ratio of the boric acid to the organic acid may be 1: 0.3-1.5, and may be 1: 0.5-1.3. When the equivalent ratio between boric acid and organic acid is within the above range, the quantum yield of the finally prepared carbon nanosheets can be further improved.

이때 상기 붕산과 아민 화합물의 당량비는 1 : 0.3~1.5일 수 있으며, 구체적으로 1 : 0.5~1.3일 수 있다. 붕산과 아민 화합물의 당량비가 상기 범위 내일 때, 최종 제조된 카본나노시트의 광학적 특성 등이 보다 우수할 수 있다.The equivalent ratio of the boric acid and the amine compound may be 1: 0.3-1.5, and may be 1: 0.5-1.3. When the equivalent ratio of the boric acid and the amine compound is within the above range, the optical characteristics and the like of the finally prepared carbon nanosheet can be more excellent.

상기 단계 (3)에서는 앞서의 단계에서 얻은 혼합 분산 용액을 수열 탄화시켜 하이브리드 카본나노시트를 얻는다.In the step (3), the mixed dispersion solution obtained in the above step is hydrothermally carbonized to obtain a hybrid carbon nanosheet.

상기 수열 탄화 공정을 통해, 저분자 전구체로부터 카본 나노링이 합성되어 산화그래핀 나노시트 상에 형성될 수 있다.Through the hydrothermal carbonization process, carbon nanorings can be synthesized from the low-molecular precursor to be formed on the oxide graphene nanosheet.

또한 상기 수열 탄화 시에 상기 산화그래핀 나노시트가 부분적으로 환원될 수 있다.Further, the graphene oxide nanosheets may be partially reduced during hydrothermal carbonization.

상기 수열 탄화는 170~200℃의 온도 범위, 구체적으로 180~190℃의 온도 범위, 보다 구체적으로 180~185℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.The hydrothermal carbonization may be carried out at a temperature in the range of 170 to 200 ° C, specifically in the range of 180 to 190 ° C, more specifically in the range of 180 to 185 ° C.

본 발명은 또한, 하이브리드 카본나노시트; 및 1종 이상의 용매를 포함하는, 하이브리드 카본나노시트 용액을 제공한다.The present invention also relates to a hybrid carbon nanosheet; And at least one solvent.

여기서 상기 하이브리드 카본나노시트는, 앞서 설명한 하이브리드 카본나노시트와 동일한 구성을 가질 수 있고, 또한 동일한 제법으로 제조될 수 있으므로, 이에 대한 내용을 생략한다.Here, the hybrid carbon nanosheet may have the same structure as the hybrid carbon nanosheet described above, and may be manufactured by the same manufacturing method, so the content thereof will be omitted.

또한 상기 용매는 물, 에틸렌글리콜, 메탄올, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에탄올, n-부탄올, 이소프로판올, 아크릴로나이트릴, 다이메틸설폭사이드, 다이메틸폼아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 아세톤 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이다.The solvent may also be selected from the group consisting of water, ethylene glycol, methanol, ethylene glycol monomethyl ether, ethanol, n-butanol, isopropanol, acrylonitrile, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, Acetone, and tetrahydrofuran.

상기 용액 내의 하이브리드 카본나노시트는, 용매의 종류에 따라 다양한 다양한 색상 및 형상을 가질 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 앞서 예시한 바와 같다.The hybrid carbon nanosheets in the solution may have various colors and shapes depending on the type of the solvent, and a detailed description thereof is as exemplified above.

본 발명은 또한, (1) 하이브리드 카본나노시트를 제 1 용매에 첨가하여 제 1 용액을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 제 1 용액에 여기 광을 조사하여 제 1 색상을 발광시키는 단계를 포함하는, 하이브리드 카본나노시트의 발광방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a carbon nanostructure, comprising: (1) preparing a first solution by adding a hybrid carbon nanosheet to a first solvent; And (2) illuminating the first solution with excitation light to emit a first hue.

또한 상기 방법은, 상기 단계 (2) 이후에, (3) 상기 제 1 용액의 제 1 용매를 제 2 용매로 교체하여 제 2 용액을 제조하는 단계; 및 (4) 상기 제 2 용액에 여기 광을 조사하여 제 2 색상을 발광시키는 단계를 추가로 포함할 수 있고, 여기서 상기 제 1 용매 및 제 2 용매는 서로 다른 극성을 갖고, 상기 제 1 색상 및 제 2 색상은 서로 다른 CIE 색좌표(x, y)를 가질 수 있다.The method may further comprise, after step (2), (3) replacing the first solvent of the first solution with a second solvent to produce a second solution; And (4) irradiating the second solution with excitation light to emit a second color, wherein the first solvent and the second solvent have different polarities, and the first color and The second color may have different CIE color coordinates (x, y).

여기서 상기 하이브리드 카본나노시트는, 앞서 설명한 하이브리드 카본나노시트와 동일한 구성을 가질 수 있고, 또한 동일한 제법으로 제조될 수 있으므로, 이에 대한 내용을 생략한다.Here, the hybrid carbon nanosheet may have the same structure as the hybrid carbon nanosheet described above, and may be manufactured by the same manufacturing method, so the content thereof will be omitted.

상기 제 1 용매 및 제 2 용매는 서로 다른 극성을 갖는다. 예를 들어, 상기 제 1 용매 및 상기 제 2 용매는 서로 다르며, 각각 수성 용매 또는 유기 용매 중 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합 용매일 수 있다.The first solvent and the second solvent have different polarities. For example, the first solvent and the second solvent may be different from each other, and may be any one of aqueous solvent or organic solvent or a mixture of two or more thereof.

구체적으로, 상기 제 1 용매 및 상기 제 2 용매는 서로 다르며, 각각 물, 에틸렌글리콜, 메탄올, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에탄올, n-부탄올, 이소프로판올, 아크릴로나이트릴, 다이메틸설폭사이드, 다이메틸폼아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 아세톤 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 용매일 수 있다.Specifically, the first solvent and the second solvent are different from each other and include water, ethylene glycol, methanol, ethylene glycol monomethyl ether, ethanol, n-butanol, isopropanol, acrylonitrile, dimethylsulfoxide, N, N-dimethylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone, acetone and tetrahydrofuran.

상기 제 1 용액에 여기 광을 조사하여 발광된 제 1 색상, 및 상기 제 2 용액에 여기 광을 조사하여 발광된 상기 제 2 색상은 서로 다른 CIE 색좌표(x, y)를 갖는다. 이때 상기 제 1 용액에 조사된 여기 광과 상기 제 2 용액에 조사된 여기 광은 동일한 파장을 갖는 광일 수 있다.The first color emitted by irradiating the excitation light to the first solution and the second color emitted by irradiating the excitation light to the second solution have different CIE color coordinates (x, y). At this time, excitation light irradiated to the first solution and excitation light irradiated to the second solution may be light having the same wavelength.

즉, 상기 하이브리드 카본나노시트는 용매를 변경시킬 경우 동일한 조사 광에도 서로 다른 색상을 발광할 수 있다.That is, when the solvent is changed, the hybrid carbon nanosheets can emit different colors in the same irradiation light.

또한, 상기 하이브리드 카본나노시트는 상기 제 1 용매 중에서와 비교하여 상기 제 2 용매 중에서 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 하이브리드 카본나노시트는 양자성 용매 중에서 존재할 때 평평하게 펼쳐진 형상을 갖는 반면, 비양자성 용매 중에서 존재할 때 구겨지고 뭉쳐진 형상을 가질 수 있다. 여기서 상기 양자성 용매로는 대표적으로 물을 들 수 있고, 상기 비양자성 용매로는 대표적으로 DMF를 들 수 있다.The hybrid carbon nanosheets may have different shapes in the second solvent than in the first solvent. For example, the hybrid carbon nanosheets may have a flattened shape when present in a quantum solvent, while they may have a wrinkled and agglomerated shape when present in an aprotic solvent. As the quantum solvent, water is typically exemplified, and the non-magnetic solvent is typically DMF.

상기 하이브리드 카본나노시트의 발광 및 형상 변화는 용매에 따라 가역적이며 재현성 있게 이루어질 수 있다. 즉, 상기 하이브리드 카본나노시트에 용매를 변경한 뒤 다시 원래의 용매로 돌려놓았을 때 원래의 형상으로 회복되어 원래의 색상을 다시 발광할 수 있다.The emission and shape changes of the hybrid carbon nanosheets can be reversibly and reproducibly performed depending on the solvent. That is, when the solvent is changed to the hybrid carbon nanosheets and then returned to the original solvent, the original shape can be recovered and the original color can be emitted again.

예를 들어, 상기 하이브리드 카본나노시트의 발광방법은, 상기 단계 (4) 이후에, (5) 상기 제 2 용액의 제 2 용매를 상기 제 1 용매로 교체하여 제 3 용액을 제조하는 단계; 및 (6) 상기 제 3 용액에 여기 광을 조사하여 제 3 색상을 발광시키는 단계를 추가로 포함하되, 상기 제 1 색상과 상기 제 3 색상은 동일한 CIE 색좌표(x, y)를 가질 수 있다.For example, the method of luminescing the hybrid carbon nanosheets may further comprise: after the step (4): (5) preparing a third solution by replacing the second solvent of the second solution with the first solvent; And (6) irradiating the third solution with excitation light to emit a third color, wherein the first color and the third color may have the same CIE color coordinate (x, y).

이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. The following examples are illustrative of the present invention, but the present invention is not limited to the following examples.

이하의 실시예에서 사용된 약어들의 정의는 다음과 같다.The definitions of abbreviations used in the following examples are as follows.

- ACN, MeCN: 아크릴로나이트릴- ACN, MeCN: acrylonitrile

- n-BuOH: n-부탄올- n-BuOH: n-butanol

- CD: 카본나노점, carbon nanodot- CD: carbon nanodot, carbon nanodot

- CIE: 국제조명위원회, Commission Inernationale De L'eclairage- CIE: International Lighting Commission, Commission Inernationale De L'eclairage

- CNS: 카본나노시트, carbon nanosheet- CNS: carbon nanosheet, carbon nanosheet

- CNS-DMF: DMF 중의 CNS- CNS-DMF: CNS in DMF

- CNS-EtOH: EtOH 중의 CNS- CNS-EtOH: CNS in EtOH

- CNS-물: 물 중의 CNS- CNS-water: CNS in water

- DLS: 동적광산란법, dynamic light scattering- DLS: dynamic light scattering

- DMF: 다이메틸폼아마이드- DMF: dimethylformamide

- DMSO: 다이메틸설폭사이드- DMSO: dimethylsulfoxide

- EDA: 에틸렌다이아민- EDA: Ethylene diamine

- EG: 에틸렌글리콜- EG: ethylene glycol

- EGME: 에틸렌글리콜모노메틸에테르- EGME: Ethylene glycol monomethyl ether

- EtOH: 에탄올- EtOH: ethanol

- FT-IR: 푸리에변환 적외선분광법- FT-IR: Fourier transform infrared spectroscopy

- GO: 산화그래핀, graphene oxide- GO: graphene oxide

- IPA: 이소프로필알콜- IPA: isopropyl alcohol

- MeOH: 메탄올- MeOH: methanol

- NMP: N-메틸-2-피롤리돈- NMP: N-methyl-2-pyrrolidone

- PL: 광발광, photoluminescence- PL: photoluminescence

- QY: 양자수율, quantum yield- QY: quantum yield, quantum yield

- THF: 테트라하이드로퓨란- THF: Tetrahydrofuran

- TCSPC: 시간상관 단일광자계수법, time-correlated single-photon counting- TCSPC: time-correlated single-photon counting, time-correlated single-photon counting

- XPS: X-선 광전자 분광법, X-ray photoelectron spectroscopy.- XPS: X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy.

이하의 실시예들에서 사용된 재료는 특별한 언급이 없는 한 모두 Sigma-Aldrich사에서 구입하여 사용하였다.Materials used in the following examples were all purchased from Sigma-Aldrich unless otherwise noted.

제조예 1: 산화그래핀 나노시트의 제조Production Example 1: Preparation of oxidized graphene nanosheet

입경 45 μm의 흑연 분말(Baycarbon사)를 변형된 Hummer법에 따라 초음파 처리로 박피하여 산화그래핀의 갈색 분산 용액을 얻었다. Graphite powder (Baycarbon) having a particle size of 45 μm was peeled by ultrasonic treatment according to the modified Hummer method to obtain a brown dispersion solution of oxidized graphene.

실시예 1: 용매변색성 하이브리드 카본나노시트(CNS)의 합성Example 1: Synthesis of Solvent Patchable Hybrid Carbon Nanosheet (CNS)

상기 제조예 1에서 얻은 10 mL의 GO 분산 용액(0.50 mg/mL)에, 96 mg의 시트르산(0.50 mmol, C6H8O7), 31 mg의 붕산(0.50 mmol, H3BO3), 및 34.7 μL의 EDA(0.50 mmol, C2H8N2)를 첨가하였다. 10분간 교반 후에, 응고된 흑색 용액을 반응기(Teflon-lined stainless steel autoclave)에 넣었다. 180℃에서 6시간 동안 수열 탄화시켜 흑갈색 용액(상청액) 및 흑색 분말(침전물)을 얻었다. 침전물을 에탄올 및 클로로폼으로 5회 세척하면서 상청액의 용매를 진공에서 증발시켜 분말을 얻었다.96 mg of citric acid (0.50 mmol, C 6 H 8 O 7 ), 31 mg of boric acid (0.50 mmol, H 3 BO 3 ) were added to 10 mL of the GO dispersion solution (0.50 mg / mL) and an EDA (0.50 mmol, C 2 H 8 N 2) was added 34.7 μL. After stirring for 10 minutes, the solidified black solution was placed in a Teflon-lined stainless steel autoclave. Hydrothermally carbonized at 180 DEG C for 6 hours to obtain a blackish brown solution (supernatant) and a black powder (precipitate). The precipitate was washed five times with ethanol and chloroform, and the solvent of the supernatant was evaporated in vacuo to give a powder.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1과 동일한 절차를 반복하되, GO 분산 용액의 첨가 없이 저분자들을 수열 탄화시켰다.The same procedure as in Example 1 was repeated except that the low molecular weight was hydrolyzed without addition of the GO dispersion solution.

실험예Experimental Example

이하의 실험예들에서 CNS의 흡광 스펙트럼은 UV/Vis 분광분석기(UV/vis spectrophotometer, UV-2550, Shimadzu)를 이용하여 얻었다. CNS의 발광 스펙트럼은 형광측정기(fluorimeter, RF-6000, Shimadzu)를 이용하여 측정되었다. CNS의 구조는 XPS(K-alpha, Thermo Fisher) 및 FT-IR 분광분석기(Cray 660, Varian)를 이용하여 분석되었다. CNS의 형상 및 크기는 투과전자현미경(JEM-2100, JEOL)을 이용하여 관찰하였다. 형광 수명은 TCSPC 분광기(Fluotime 300, PicoQuant) 및 피코초-펄스 다이오드 레이저(375 nm 발광: LDH-D-C-375, PicoQuant, 및 450 nm 발광: LDH-D-C-450, PicoQuant)를 이용하여 측정하였다. 총 IRF(instrument response function)은 200~220 ps이었다. 광발광 수명은 소프트웨어(FluoFit, PicoQuant)에 의한 다중지수 함수의 광발광 소멸 곡선에 대입하여 산출되었다.In the following Experimental Examples, the absorption spectrum of CNS was obtained using a UV / Vis spectrophotometer (UV-2550, Shimadzu). The emission spectrum of CNS was measured using a fluorimeter (RF-6000, Shimadzu). The structure of the CNS was analyzed using XPS (K-alpha, Thermo Fisher) and FT-IR spectrometer (Cray 660, Varian). The shape and size of the CNS were observed using a transmission electron microscope (JEM-2100, JEOL). Fluorescence lifetime was measured using a TCSPC spectrometer (Fluotime 300, PicoQuant) and a picosecond-pulse diode laser (375 nm emission: LDH-D-C-375, PicoQuant, and 450 nm emission: LDH-D-C-450, PicoQuant). The total instrument response function (IRF) was 200-220 ps. The photoluminescence lifetime was calculated by substituting the photoluminescence decay curves of multiple exponential functions by software (FluoFit, PicoQuant).

도 1은 CNS의 합성 및 광학적 특성을 나타낸 것으로서, (a)는 하이브리드 CNS의 합성 방법을 나타내는 도식이고, (b)는 CNS 분산 용액을 서로 다른 용매(농도 0.10 mg/mL)에서 365 nm 광으로 여기시킬 때의 광학 이미지이다. 또한 비교를 위해, 용매변색이 없는 비교예 1의 카본 나노링 분말을 대표 용매들에서 시험하였다. 도면에는 용매의 ET(30) 값에 근거하여 낮은 극성으로부터 높은 극성의 순으로 나타내었다. Figure 1 shows the synthesis and optical properties of the CNS, wherein (a) is a schematic representation of the method of synthesis of the hybrid CNS, (b) shows the CNS dispersion solution in different solvents (concentration 0.10 mg / This is an optical image when excited. For comparison, the carbon nano ring powder of Comparative Example 1 in which solvent discoloration was not observed was tested in representative solvents. The figure shows the order of low polarity to high polarity in the order of E T (30) of the solvent.

도 1 (a)에서 보듯이, 시트르산, 붕산 및 에틸렌다이아민과 같은 저분자를 GO 나노시트의 존재 하에서 수열반응에 의해 분해하여 CNS를 제조할 수 있다. GO 나노시트를 흑연질 프레임으로서 합성에 사용함으로써, 수열반응에 의한 분해가 GO 나노시트의 표면 상에서 발생하였다.As shown in Fig. 1 (a), CNS can be prepared by hydrolyzing a small molecule such as citric acid, boric acid and ethylene diamine in the presence of a GO nanosheet. Using GO nanosheets as a graphite frame, decomposition by hydrothermal reaction occurred on the surface of the GO nanosheet.

다른 탄소질의 잔여물들은 클로로폼 및 에탄올의 혼합물에 의한 세척과 침전 과정에서 모두 제거되었다.Other carbonaceous residues were all removed during washing and precipitation with a mixture of chloroform and ethanol.

한편, 정제 단계 후에 상청액으로부터 분리한 최종물은 나노링의 클러스터를 갖는 그래핀 유사 시트로 확인되었다. On the other hand, the final product separated from the supernatant after the purification step was identified as a graphene-like sheet having clusters of nanorings.

CNS 분말을 회수한 뒤 용매의 극성을 변화시켜가며 재용해시킨 결과, 도 1 (b), 도 5 및 6에서 보듯이, CNS 분산 용액으로부터 뛰어난 용매변색성을 확인할 수 있었다.CNS powders were recovered and then re-dissolved by varying the polarity of the solvent. As a result, excellent solvent discoloration was confirmed from the CNS dispersion solution as shown in FIG. 1 (b), FIG. 5 and FIG.

도 2는 용매 변경에 따른 CNS의 광물리학적 특성을 나타낸 것으로서, (a) 내지 (c)는 각각 물, EtOH 및 DMF에서의 CNS의 UV/Vis 및 광발광 스펙트럼을 나타낸 것이다. 여기서 CNS의 광발광 스펙트럼은 360 nm에서 480 nm까지 40 mn씩 증가하는 파장의 광 조사 하에서 얻었다. 도 2의 (d)는 430 nm에서, (e)는 590 nm(물), 575 nm(EtOH) 및 550 nm(DMF)에서, (f)는 590 nm(물), 575nm(EtOH) 및 550nm(DMF)에서 관찰한 3개의 대표적 용매에서의 CNS의 정규 광발광 소광 곡선(normalized PL decay profiles)이고, 이때의 여기 파장을 각 도면에 표시하였다. Figure 2 shows the (A) to (c) show UV / Vis and photoluminescence spectra of CNS in water, EtOH and DMF, respectively. Here, the photoluminescence spectrum of CNS was obtained under irradiation of a wavelength of 40 mn from 360 nm to 480 nm. (Water), 575 nm (EtOH), and 550 nm (EtOH) at 430 nm, FIG. 2 (d) (Normalized PL decay profiles) of the CNS in the three representative solvents observed in DMF. The excitation wavelengths at this time are shown in the respective figures.

다양한 용매 중에서 CNS의 광물리학적 특성을 더 알아보기 위해, 서로 다른 극성을 갖는 대표적인 용매로서 물, 에탄올(EtOH), 및 다이메틸폼아마이드(DMF)를 선택하였다. 본 발명에서는 이들 용매를 이용한 CNS 분산 용액들을 각각 CNS-물, CNS-EtOH, 및 CNS-DMF라 표기하였다.Water, ethanol (EtOH), and dimethylformamide (DMF) were chosen as representative solvents with different polarities to further explore the photophysical properties of CNS in various solvents. In the present invention, CNS dispersion solutions using these solvents are referred to as CNS-water, CNS-EtOH, and CNS-DMF, respectively.

각 분산 용액에서 UV/Vis 스펙트럼은 약 330 nm 및 약 500 nm에서 흡광 밴드를 나타내었다. The UV / Vis spectrum of each dispersion solution showed an absorption band at about 330 nm and about 500 nm.

이 중 330 nm의 밴드는 산소 결함을 갖는 카본 나노재료의 n-π* 전이에 의한 것이고, 500 nm 근방의 밴드는 CNS의 특징적인 피크이다.Of these, the 330 nm band is due to the n-π * transition of the carbon nanomaterial with oxygen defects and the band near 500 nm is the characteristic peak of the CNS.

알려진 바에 따르면, 표면 관능기의 산화 상태에 따라 다양한 표면 상태들이 형성되고, 그 결과 흡광 곡선이 400 nm 너머까지 이어질 수 있다.It is known that various surface states are formed depending on the oxidation state of the surface functional groups, and as a result the extinction curve can extend beyond 400 nm.

그에 따라 이들 밴드는 CNS의 표면 상태의 전기적 전이에 의해 가시 범위에 놓여질 수 있다.These bands can thus be placed in the visible range by electrical transfer of the surface state of the CNS.

CNS의 광발광은 용매에 따라 현격히 달라지고, 여기 파장에 매우 민감함을 알 수 있었다. 특히 360 nm 여기 파장 하의 모든 용매에서 430 nm 이하 및 550~590 nm의 두 발광 밴드가 관찰되었다(도 5 및 6 참조).It was found that the photoluminescence of CNS varies greatly depending on the solvent and is very sensitive to the excitation wavelength. In particular, two emission bands of 430 nm or less and 550 to 590 nm were observed in all the solvents under the 360 nm excitation wavelength (see FIGS. 5 and 6).

물에서 청색 발광이 주로 관찰된 반면, 보다 낮은 극성의 EtOH 및 DMF에서는 황색 내지 오렌지색 밴드(550~590 nm)가 점진적으로 증가하였다. Blue light emission was mainly observed in water, while in the lower polarity EtOH and DMF, the yellow to orange band (550-590 nm) was gradually increased.

480 nm에서 여기된 경우 DMF 중에서 황색(550 nm)의 주 발광 밴드를 나타내었으나, 물 중에서는 오렌지색(590 nm)로 변화하여 용매변색성을 분명히 나타내었다.When excited at 480 nm, the main emission band of yellow (550 nm) was shown in DMF, but it changed to orange (590 nm) in water to clearly show solvent discoloration.

황색 내지 오렌지색 밴드는 표면 상태에 기인한 것인데, 이는 선택적으로 여기된 표면 상태가 형성되고, 용매에 따라 밴드의 위치(550~590 nm)가 크게 변하기 때문이다.The yellow to orange bands are due to the surface state, which is because the selectively excited surface state is formed and the position of the band (550-590 nm) varies greatly depending on the solvent.

아래 표 1은 물, 에탄올 및 DMF 중의 CNS의 양자 수율(%)을 나타낸 것이다.Table 1 below shows the quantum yield (%) of CNS in water, ethanol and DMF.

여기 파장Excitation wavelength CNS-물CNS-water CNS-EtOHCNS-EtOH CNS-DMFCNS-DMF 360 nma 360 nm a 23.1%23.1% 18.0%18.0% 14.3%14.3% 480 nmb 480 nm b 8.9%8.9% 16.7%16.7% 20.2%20.2% a 참조물질: 퀴닌설페이트(0.10 M H2SO4에서 QY=54%)
b 참조물질: 로다민6G(에탄올에서 QY=95%)
a Reference substance: quinine sulfate (QY = 54% in 0.10 MH 2 SO 4 )
b Reference substance: Rhodamine 6G (QY = 95% in ethanol)

상기 표 1에서 보듯이, 480 nm 가시광선 여기 하에서, DMF 중의 CNS의 양자수율(QY)은 20.2%로 측정되었고, 이는 물 중의 CNS의 양자수율(8.9%)의 약 2배에 해당하였다. As shown in Table 1 above, under 480 nm visible light excitation, the quantum yield (QY) of CNS in DMF was measured as 20.2%, which was about twice the quantum yield of CNS in water (8.9%).

또한, 물과 DMF의 혼합비를 달리하며 혼합 용매를 제조하고 여기에 CNS를 용매시켜 용매 의존성 광학 특성을 시험하였다.In addition, solvent-dependent optical properties were examined by preparing a mixed solvent in which water and DMF were mixed at different ratios, and then dissolving the CNS.

그 결과, 도 7에서 보듯이, DMF 대비 물의 비율이 줄어들수록 CNS의 발광이 변화하고 광발광 강도가 증가하였다. 구체적으로, 360 nm 여기 파장 하에서, 물 중에서는 430 nm에서 최대 피크를 갖는 청색의 주 밴드를 나타내었으나, 물/DMF(1:1) 혼합용매 중에서는 430 nm 및 538 nm의 이중 밴드로 분리되었고, 순수한 DMF 중에서는 548 nm에서 피크를 갖는 단일 밴드로 변화하였다. 이를 통해 CNS가 용매 극성에 매우 크게 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.As a result, as shown in FIG. 7, as the ratio of water to DMF decreased, the emission of CNS changed and the photoluminescence intensity increased. Specifically, a blue main band having a maximum peak at 430 nm in water was shown at a 360 nm excitation wavelength, but it was separated into a double band at 430 nm and 538 nm in a water / DMF (1: 1) mixed solvent , And a single band with a peak at 548 nm in pure DMF. It can be seen that the CNS is greatly affected by the solvent polarity.

두 개의 광발광 주 밴드의 상대적 강도는 용매에 따른 두 개의 밴드의 수명의 변화에 기인한 것임을 알 수 있었다(도 2 (d) 내지 (f) 참조). It was found that the relative intensities of the two photoluminescent main bands are due to the change in lifetime of the two bands depending on the solvent (see FIGS. 2 (d) to (f)).

아래 표 2는 물, 에탄올 및 DMF 중에서 CNS의 여기상태 수명을 나타낸 것이다. 이때 발광 파장은 용매의 종류에 따라 선택되었다.Table 2 below shows the excited state lifetime of the CNS in water, ethanol and DMF. At this time, the emission wavelength was selected depending on the type of the solvent.

평균 수명 (ns)Average Life (ns) λex = 375 nmλ ex = 375 nm λex = 450 nmλ ex = 450 nm λem (nm)? em (nm) 430430 550550 575575 590590 550550 575575 590590 CNS-물CNS-water 5.25.2 -- -- 1.91.9 -- -- 0.80.8 CNS-EtOHCNS-EtOH 3.43.4 -- 3.13.1 -- -- 2.82.8 -- CNS-DMFCNS-DMF 3.03.0 5.05.0 -- -- 4.94.9 -- --

상기 표 2 및 도 2 (d)에서 보듯이, 용매를 물에서 EtOH 또는 DMF로 변경함에 따라 청색 밴드의 소멸이 가속화되었으며, 중량-평균 수명은 5.2 ns에서 3.0 ns로 감소하였다.As shown in Table 2 and FIG. 2 (d), the disappearance of the blue band was accelerated by changing the solvent from water to EtOH or DMF, and the weight-average lifetime decreased from 5.2 ns to 3.0 ns.

또한, 황색 내지 오렌지색 밴드의 완화 시간은, 용매를 물에서 EtOH 또는 DMF로 변경함에 따라, 375 nm의 여기 파장에서 1.9 ns에서 5.0 ns로 증가하였고(도 2 (e) 참조), 450nm의 여기 파장에서 0.8ns에서 4.9ns로 증가하였다(도 2 (f) 참조).The relaxation time of the yellow to orange bands was increased from 1.9 ns to 5.0 ns at an excitation wavelength of 375 nm as the solvent was changed from water to EtOH or DMF (see Fig. 2 (e)), To 4.9 ns at 0.8 ns (see Fig. 2 (f)).

따라서 용매의 변화에 따라 달라지는 두 밴드의 수명에 의해 광발광 스펙트럼의 형태가 결정됨을 알 수 있다. Therefore, it can be seen that the shape of the photoluminescence spectrum is determined by the lifetime of the two bands depending on the change of the solvent.

도 3은 용매에 따른 CNS의 형상 변형를 나타낸 것이다. 도 3의 (a) 및 (b)는 물에서의 CNS의 TEM 이미지이고, (c) 및 (d)는 DMF에서의 CNS의 TEM 이미지로서, 각 샘플을 용매를 제거한 후에 관찰되었다. 또한 도 3의 (a) 및 (c)의 삽입도는 각각 물 및 DMF 중의 CNS에 대해 DLS로 측정한 입경분포 히스토그램이다. 도 3의 (e)는 용매에 따른 CNS의 수력학적 입경(hydrodynamic diameter, Dh)을 DLS로 측정하여 부피평균 분율로 나타낸 것으로서, 개방형 표식은 주요 성분을 나타내고 밀폐형 표식은 미소 성분들을 나타낸다(n = 10). 3, Lt; RTI ID = 0.0 > CNS < / RTI > Figures 3 (a) and 3 (b) are TEM images of the CNS in water, and Figures 4 (c) and 4 (d) are TEM images of the CNS in DMF and each sample was observed after removal of the solvent. 3 (a) and 3 (c) are the particle size distribution histograms measured by DLS for CNS in water and DMF, respectively. FIG. 3 (e) shows the hydrodynamic diameter (D h ) of the CNS according to the solvent as a volume average fraction measured by DLS, wherein the open label represents the main component and the closed label represents the minute components (n = 10).

먼저, 도 3 (a) 및 (b)에서 보듯이, CNS-물을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 결과, 그래핀 시트와 같은 구조와 함께 직경 15 nm의 나노링이 확인되었다. 결정형 카본 나노링에서 층간 거리는 0.34 nm로 확인되었고, 이는 고해상도 TEM 이미지에서 그래핀의 (002)면 간격에 대응한다. 이들 카본 나노링은 수열반응 과정에서 그래핀 시트 상 분자 전구체가 탄화되어 발생한 것으로 보인다.3 (a) and 3 (b) , CNS-water was observed with a transmission electron microscope (TEM). As a result, a nanorring having a diameter of 15 nm was confirmed together with a structure similar to a graphene sheet. The interlayer distance in the crystalline carbon nanorings was found to be 0.34 nm, which corresponds to the (002) plane spacing of graphene in a high resolution TEM image. These carbon nanorings appear to be formed by carbonization of the molecular precursor on the graphene sheet in the hydrothermal reaction.

이와 달리, 도 3 (c) 및 (d)에서 보듯이, CNS-DMF는 평균 직경 110±10 nm의 접히고 주름진 형상으로 관찰되었으므로, 용매에 따라 형상이 변함을 알 수 있었다. DMF 분산 용액은 수 개월간 특별한 응집없이 매우 안정된 상태를 가질 수 있었다.In contrast, as shown in FIGS. 3 (c) and (d), CNS-DMF was observed to have a folded and wrinkled shape with an average diameter of 110 ± 10 nm. The DMF dispersion solution could have a very stable state without special aggregation for several months.

이와 함께, DLS 분석에 의해, 물 및 DMF 중에서 형상 변화에 의해 각각 1280±330 nm 및 310±20 nm의 수력학적 평균 직경을 갖는 것이 확인되었다. 건조 상태에서 TEM에 의해 측정한 사이즈의 편차를 일부 감안하더라도, CNS의 크기는 재현성있게 측정되었다. In addition, it was confirmed by DLS analysis that the hydrodynamic mean diameters were 1280 ± 330 nm and 310 ± 20 nm, respectively, in water and DMF. The size of the CNS was measured reproducibly, even when some deviation in size measured by TEM in the dry state was taken into account.

또한, CNS의 형상은 용매의 극성, 특히 수소결합과 같은 용매의 특성(양자성 vs 비양자성)에 좌우되었다(도 3 (e) 참조). 특히, 도 8에서 보듯이, 양자성 용매 중에서 시트 형상이 관찰되었고, 비양자성 용매 중에서 CNS의 접힘 구조가 관찰되었다.In addition, the shape of the CNS was dependent on the polarity of the solvent, particularly the properties of the solvent (quantum vs. non-magnetism) such as hydrogen bonding (see Figure 3 (e)). In particular, as shown in Fig. 8, the sheet shape was observed in the quantum solvent, and the folding structure of the CNS was observed in the non-magnetic solvent.

특히, 도 9에서 보듯이, 용매를 DMF에서 물로 또는 그 반대로 변경시켰을 때, 가역적인 형상 변화와 분광학적 특성이 관찰되었다. 이러한 결과는 CNS의 형상이 환경 조건에 따라 크게 변화한다는 것을 의미한다.In particular, as shown in Fig. 9, when the solvent was changed from DMF to water or vice versa, reversible shape change and spectroscopic characteristics were observed. These results indicate that the shape of the CNS varies greatly depending on environmental conditions.

CNS가 용매에 따라 형상이 변화하면서 광학 특성이 조절되는 것을 더 알아보기 위해, 산화그래핀 나노시트 없이 저분자 전구체의 수열반응을 거친 비교예 1의 분말을 시험하여 도 10에 나타내었다. 도 10에서 보듯이, 비교예 1에서 제조된 카본 나노입자는 평균입경 20 nm의 카본 나노링 유사 구조를 나타내었으며, 용매의 극성에 관계없이 약 440 nm 파장의 청색 발광을 지속적으로 내었다. 실시예 1의 CNS 또는 산화그래핀 나노시트와 달리, 비교예 1의 카본 나노링은 EtOH 또는 DMF와 같은 비교적 낮은 극성의 용매 중에서 잘 분산되지 않았다. 이들 결과를 고려할 때, 용해성이 낮은 흑연질 카본 나노링이 산화그래핀 나노시트의 표면에 고정되어 형상 변화를 유발하는 것으로 보인다.In order to further investigate that the optical characteristics are controlled by changing the shape of the CNS according to the solvent, the powder of Comparative Example 1 which has undergone the hydrothermal reaction of the low molecular weight precursor without the graphene oxide nanosheets was tested and shown in FIG. As shown in FIG. 10, the carbon nanoparticles prepared in Comparative Example 1 exhibited a carbon nanorring-like structure having an average particle diameter of 20 nm, and emitted blue light of a wavelength of about 440 nm regardless of the polarity of the solvent. Unlike the CNS or oxidized graphene nanosheets of Example 1, the carbon nanorings of Comparative Example 1 were not well dispersed in relatively low polarity solvents such as EtOH or DMF. Considering these results, it appears that graphite carbon nano-rings with low solubility are fixed on the surface of the graphene nanocrystalline oxide sheet and cause the shape change.

용해도는 용질과 용매 분자 간의 물리적 상호작용에 따라 달라진다.The solubility depends on the physical interaction between the solute and the solvent molecule.

분자의 상호작용을 설명하기 위해, CNS의 화학적 조성 확인이 필요하며, 이를 위해 FT-IR 및 XPS를 수행하였다.In order to explain the interaction of the molecules, the chemical composition of the CNS needs to be confirmed, and FT-IR and XPS were performed for this.

도 11에서 보듯이, CNS는 1375 cm-1(CH2 굽힘), 1465 cm-1(CH3 굽힘), 및 1591 cm-1(C=C 스트레칭) 및 2846 , 2923 및 2956 cm-1에서 특징적인 IR 피크를 나타내었고; 또한 약 3249 cm-1(O-H 및 N-H 스트레칭)에서 넓은 피크를 나타내었다. XPS 결과에 따르면, 물에서 DMF로 용매를 바꿀때 산소 함유 작용기의 강도가 감소한 반면, sp3 컨쥬게이션은 증가하였다.11, the CNS is characterized by 1375 cm -1 (CH 2 bending), 1465 cm -1 (CH 3 bending), and 1591 cm -1 (C = C stretching) and at 2846, 2923 and 2956 cm -1 Gt; IR < / RTI > It also showed broad peaks at about 3249 cm -1 (OH and NH stretching). According to the XPS results, the intensity of oxygen-containing functional groups decreased while the solvent was changed from water to DMF, while sp 3 conjugation increased.

도 12의 (a) 내지 (c)는 각각 CNS-물, CNS-EtOH 및 CNS-DMF의 디콘볼루션된 고해상도 C1s XPS 스펙트럼이다. 극성이 낮은 용매 중에서 접히고 구겨지기 때문에, CNS의 산소기는 현저히 감소하고 에탄올 및 DMF에서 sp2- 및 sp3-카본의 비율이 물에서와 달라지게 된다.Figures 12 (a) - (c) are deconvoluted high resolution C1s XPS spectra of CNS-water, CNS-EtOH and CNS-DMF, respectively. Because of folding and wrinkling in low polarity solvents, the oxygen groups of the CNS are significantly reduced and the proportions of sp 2 - and sp 3 - carbon in ethanol and DMF are different from those in water.

또한 아래 표 3은 XPS에 의해 CNS-물 및 CNS-DMF의 화학적 조성을 나타낸 것이다.Table 3 below also shows the chemical composition of CNS-water and CNS-DMF by XPS.

CNS-물CNS-water CNS-DMFCNS-DMF 카본 C 1sCarbon C 1s 전위 (eV)Dislocation (eV) %% 전위 (eV)Dislocation (eV) %% C=CC = C 284.25284.25 31.4431.44 284.28284.28 19.5619.56 C-CC-C 285.12285.12 27.5427.54 285.02285.02 69.0369.03 C-NC-N 286.14286.14 19.2819.28 286.28286.28 6.396.39 C-OC-O 287.16287.16 10.2310.23 287.12287.12 2.642.64 C=OC = O 288.07288.07 8.858.85 288.16288.16 1.821.82 COOHCOOH 289.34289.34 2.642.64 289.22289.22 0.530.53

상기 표 3 및 도 12에서 보듯이, 디콘볼루션된 고해상도 C1s XPS 스펙트럼에서 하이드록실기, 카보닐기 및 카복실산기와 같은 산소기의 함량은, CNS-물에서 고함량(약 22%)으로 나타낸 반면, CNS-DMF에서 약 5%로 현저히 감소하였다. 또한, 용매를 물에서 DMF로 바꿀 때, C1s에서 sp2-와 sp3-영역의 비율은 1.14에서 0.28로 변화하였다.As shown in Table 3 and FIG. 12, the content of oxygen groups such as hydroxyl group, carbonyl group and carboxylic acid group in the deconvoluted high-resolution C1s XPS spectrum is represented by a high content (about 22%) in CNS-water, -DMF to about 5%. Also, when the solvent was changed from water to DMF, the ratio of sp 2 - to sp 3 - region in C1s changed from 1.14 to 0.28.

XPS의 탐침 깊이가 최대 수 나노미터이고 XPS로부터 확인되는 화학적 조성이 용매 변화에 따라 가역적으로 재현되는 것을 고려할 때, XPS 측정에서 DMF 중의 산소 함유 작용기의 함량이 감소하는 것은, DMF 중에서 CNS가 산소 함유 표면 작용기의 노출이 최소화되는 방향으로 접혔기 때문으로 추측할 수 있다. 상기 XPS 측정으로부터 추측된 결과는 TEM 및 DLS 결과와도 잘 맞는다.Considering that the probe depth of XPS is up to several nanometers and that the chemical composition identified from XPS is reversibly reproducible in response to solvent changes, the decrease in the content of oxygen-containing functional groups in DMF in the XPS measurement is due to the fact that in the DMF, It can be inferred that the exposure of the surface functional groups is folded in a direction that minimizes exposure. The results from the XPS measurements fit well with the TEM and DLS results.

도 4는 CNS의 용매변색 특성을 나타낸 것으로서, (a)는 480 nm에서 여기된 광발광 밴드가 용매 극성(ET(30)) 및 산도(Kamlet-Taft acidity, α)의 변화에 따라 황색에서 오렌지색으로 스토크스 이동(Stokes shift)한 것을 나타낸다. 도 4의 (b)는 극성 및 비극성 용매에서 CNS의 변화되는 형상을 모식적으로 나타낸 것이고, (c)는 용매에 따른 CNS의 에너지 다이아그램을 나타낸 것이다. 또한 도 4의 (d)에서 좌측 및 우측의 CIE 색좌표(x, y)는 각각 360 nm 및 480 nm에서 서로 다른 극성의 용매로부터 얻어진 광발광 스펙트럼에서 계산된 것이고, 상하로 나누어 도시된 CNS 분산 용액의 광학 이미지는 각각 360 nm 및 480 nm에서 여기된 용매로부터 얻어진 것이다. CIE 색좌표(x, y)에서 각 용매들은 다음과 같은 번호로 표시되었다. 1: THF, 2: 아세톤, 3: NMP, 4: DMF, 5: DMSO, 6: ACN, 7: IPA, 8: n-BuOH, 9: EtOH, 10: EGME, 11: MeOH, 12: EG, 13: 물.Figure 4 shows the solvent discoloration characteristics of the CNS, wherein (a) shows that the photoluminescent band excited at 480 nm is shifted from yellow to yellow according to changes in solvent polarity (E T (30)) and acidity (Kamlet-Taft acidity, Indicates a Stokes shift in orange. FIG. 4 (b) is a schematic diagram showing the changed shape of the CNS in the polar and non-polar solvents, and FIG. 4 (c) shows the energy diagram of the CNS according to the solvent. 4 (d), the CIE chromaticity coordinates (x, y) on the left and right sides are calculated from the photoluminescence spectra obtained from solvents having different polarities at 360 nm and 480 nm, respectively, Lt; RTI ID = 0.0 > 360 nm < / RTI > and 480 nm, respectively. In the CIE color coordinates (x, y), each solvent is indicated by the following number. 1: THF, 2: acetone, 3: NMP, 4: DMF, 5: DMSO, 6: ACN, 7: IPA, 8: n- BuOH, 9: EtOH, 10: EGME, 13: Water.

또한 도 13은 용매 극성 인자인 Kamlet-Taft 파라미터(β 및 π*)와 연관된 스토크스 이동(stokes shift)을 나타내며, 이를 볼 때 β 및 π*는 CNS의 스토크스 이동과 연관되어 있지 않음을 알 수 있다.Figure 13 also shows the stokes shift associated with the solvent polarity parameters Kamlet-Taft parameters ([beta] and [pi] *), indicating that [beta] and [pi] * are not associated with the Stokes shift of the CNS .

상기 CNS의 화학적 구조에 기초하여, 용질-용매 상호작용(즉 용매화)의 특성을 분자 수준으로 설명할 수 있다.Based on the chemical structure of the CNS, the properties of solute-solvent interactions (i.e., solvation) can be described at the molecular level.

용매화는 비특이적 상호작용과 특이적 상호작용을 포함하며, 이들은 각각 쌍극성/분극률 및 용매의 수소결합 정도에 기인한다.Solvation involves non-specific interactions and specific interactions, which are each due to the bipolarity / polarization ratio and the degree of hydrogen bonding of the solvent.

용매의 ET(30) 지수로부터 일반적으로 용매의 극성을 나타내는데, 상기 수치는 다양한 용매 중에서의 염료의 현상학적인 용매변색으로부터 얻어진다. 또한 Kamlet-Taft (K-T) 파라미터 α, β, 및 π*를 이용하여 용매의 특이적/비특이적 용매화 특성을 범주화할 수 있다. 용매의 α 및 β 값은 각각 수소결합을 주거나 받을 수 있는 용매의 특성을 의미하고, π*는 용매가 유전 효과에 의해 전하/쌍극성을 안정화시킬 수 있는 정도를 의미한다.The E T (30) index of the solvent generally indicates the polarity of the solvent, which is obtained from the phenomenological solvent discoloration of the dye in various solvents. In addition, Kamlet-Taft (KT) parameters α, β, and π * can be used to categorize the specific / non-specific solvation characteristics of the solvent. The? And? Values of the solvent mean the characteristics of the solvent capable of giving or receiving a hydrogen bond, respectively, and? * Means the degree to which the solvent can stabilize the charge / dipole property by the dielectric effect.

이들 파라미터 중에서, 도 4 (a)에서 보듯이, 용매의 K-T 산도 파라미터인 α에 대한 곡선은 분명한 연관성을 보여준다.Among these parameters, as shown in Fig. 4 (a), the curve for the K-T acidity parameter of the solvent shows a clear correlation.

4.9 ns(CNS-DMF)에서부터 2.8 ns(CNS-EtOH) 내지 760 ps(CNS-물)에 달하는 녹색 내지 오렌지색 밴드의 용매 의존성 광발광 수명에서 볼 수 있듯이(도 2 참조), 양자성 용매에서 수소결합이 가능한 산소 함유기를 갖는 유기 염료의 여기 상태 수명이 일반적으로 감소하는 경향이 있다. As can be seen from the solvent-dependent photoluminescence lifetime of green to orange bands ranging from 4.9 ns (CNS-DMF) to 2.8 ns (CNS-EtOH) to 760 ps (CNS-water) The excited state life of organic dyes having bondable oxygen-containing groups generally tends to decrease.

일반적으로 산소 함유 표면 작용기의 비결합 전자들 및 용매 분자의 양자성 수소 간의 수소결합이 CNS의 용매화에 매우 중요하다.In general, the hydrogen bonding between the unbound electrons of the oxygen-containing surface functional group and the quantum hydrogen of the solvent molecule is very important for solvation of the CNS.

용매에 따른 CNS의 용매변색성 및 형상변이성의 시험결과를 고려할 때, 다음과 같은 형상-유발 용매변색성 메커니즘이 제기될 수 있다.Considering the solvent discoloration and shape variability test results of the CNS according to the solvent, the following shape-induced solvent discoloration mechanism can be suggested.

첫째, CNS가 가역적으로 접히고 펴지는 형상학적 변이를 일으키는 것은 양자성 용매 분자와의 수소결합에 의한 CNS의 특이적 용매화가 주요 원인이다(도 4 (b) 참조). First, CNS reversibly folds and unfolds the geometrical variation. This is mainly due to the specific solvation of CNS by hydrogen bonding with quantum solvent molecules (see FIG. 4 (b)).

양자성 용매에서, CNS의 산소 함유 작용기의 비결합 전자는 용매의 양자성 수소 원자와 수소결합을 이룸으로써 매우 안정화될 수 있다. 그러나, 비양자성 용매에서는 이와 같은 결합이 적어지고, 그에 따라 CNS가 가장 낮은 자유 에너지로 가기 위한 길을 찾게 된다. 이를 위하여 CNS는 형상이 구겨짐으로써 전기음성의 산소 원자가 비양자성 환경에 노출되는 것으로 최소화하는 한편, CNS의 산소 함유 표면 작용기 간의 내부 수소결합의 갯수를 최대화한다.In protonic solvents, the unconjugated electrons of the oxygen-containing functional groups of the CNS can be highly stabilized by hydrogen bonding with the quantum hydrogen atoms of the solvent. However, such coupling is reduced in aprotic solvents, and the CNS then finds a path to the lowest free energy. To this end, the CNS maximizes the number of internal hydrogen bonds between the oxygen-containing surface functional groups of the CNS while minimizing the exposure of electronegative oxygen atoms to a non-protic environment by wrinkling the shape.

둘째로, CNS의 형상에 따른 광발광의 변화는 두 개의 주요 광발광 밴드의 수명이 달라지는 것에 기인한다(도 4 (c) 참조). Second, the change in photoluminescence according to the shape of the CNS is due to the difference in the lifetime of the two main photoluminescent bands (see Fig. 4 (c)).

CNS가 굽힘없이 평평할 때, 산소 함유 작용기는 양자성 용매 분자와 수소결합하게 된다. 이는 표면 상태의 비방사 전이(non-radiative transition)를 가속화시키고, 그 결과 산화그래핀 나노시트에서 나타나는 녹색 내지 오렌지색 밴드는 카본 나노링에서 발생한 청색 밴드보다 더 짧은 여기 상태 수명을 갖게 된다. CNS가 구겨지고 뭉친 형태가 될 때, 용매 분자에 대한 효과적인 진동 완화가 없어지기 때문에 녹색 내지 오렌지색 밴드의 수명이 증가한다. When the CNS is flat without bending, the oxygen containing functional groups become hydrogen bonded to the quantum solvent molecules. This accelerates the non-radiative transition of the surface state, so that the green to orange bands appearing in the oxidized graphene nanosheets have a shorter excitation life than the blue bands in the carbon nanorings. When the CNS is in the form of a crumpled and agglomerated layer, the lifespan of the green to orange bands increases because there is no effective oscillatory relaxation on the solvent molecules.

반면, CNS가 접힘으로써 공명 에너지가 산화그래핀 나노시트의 인접한 표면 영역으로 전이되어 카본 나노링의 청색 발광을 위한 완화 채널이 열리게 되고, 이에 따라 뭉친 형상에서는 청색 영역 발광이 흡수될 수 있다. 또한, 청색 광발광 밴드의 중량-평균 수명은 양자성 용매에서보다 비양자성 용매에서 감소하는데, 구체적으로 CNS-물에서 5.2 ns이지만 CNS-DMF에서 3.0 ns로 감소한다.On the other hand, the resonance energy is transferred to the adjacent surface region of the oxide graphene nanosheet by the CNS folding, so that the relaxation channel for the blue emission of the carbon nanorings is opened, so that the blue region emission can be absorbed in the aggregated shape. In addition, the weight-average lifetime of the blue light-emitting band is reduced in the aprotic solvent than in the quantum solvent, specifically 5.2 ns in CNS-water but 3.0 ns in CNS-DMF.

공명 에너지의 전달 효율(E)은 공여체와 수용체 간의 거리와 밀접하게 관계되어 있으며, 이는 E = 1 - τ F/τ D의 식에 따라 공여체의 수명을 조절하고, 여기서 τ D는 공여체의 광발광 수명이고 τ F는 공명 에너지 전달체에 의해 단축된 수명이다. 이때 τ F는 CNS 광발광의 다중지수적 소멸의 평균 중량으로 얻어지고 τ D는 물 중에 분산된 카본 나노링 시트의 광발광 수명으로부터 얻어진 것이다. 그 결과 공명 에너지 전이의 효율은 물, EtOH 및 DMF에서 각각 0.1, 0.4 및 0.5로 산출되었다.The transfer efficiency (E) of the resonance energy is closely related to the distance between donor and acceptor, which controls the lifetime of the donor according to the equation E = 1 - τ F / τ D , where τ D is the photoluminescence And τ F is the lifetime shortened by the resonant energy carrier. Where τ F is obtained as the average weight of multiple exponential decay of CNS photoluminescence and τ D is derived from the photoluminescence lifetime of the carbon nanorning sheet dispersed in water. As a result, the efficiency of the resonance energy transfer was calculated as 0.1, 0.4 and 0.5 in water, EtOH and DMF, respectively.

이상의 결과를 볼 때, CNS의 분산 용매와 여기 파장에 따라 두 개의 주요 광발광 밴드의 수명과 여기 상태 정도가 달라지게 되고, 그에 따라 이들 두 개의 광발광 밴드의 상대적인 강도가 변화함으로써, 발광 색상이 변화하는 것으로 풀이된다.As a result, the lifetime of the two main photoluminescent bands and the degree of excitation depend on the dispersion solvent and the excitation wavelength of the CNS, and accordingly, the relative intensities of the two photoluminescent bands are changed, It is interpreted as changing.

이에 따라, CNS의 광발광이 용매에 강하게 영향받아 CIE 색좌표(x, y)가 변하는 것이 관찰되었다. 360 nm 여기광에서 용매의 변화에 따라 다양한 영역의 CIE 색좌표를 갖는 발광 색들이 관찰되었다(도 4 (d) 참조). 특히 다양한 용매 중에서, IPA 중에 분산된 CNS의 CIE 색좌표(0.30, 0.33)는 백색의 CIE 색좌표(0.33, 0.33)와 유사하며, 이는 광전자 분야에 매우 유용함을 의미한다.Thus, it was observed that the CIE color coordinates (x, y) were changed due to the strong influence of the light emission of the CNS on the solvent. Emission colors having CIE color coordinates in various regions were observed according to the change of the solvent in the 360 nm excitation light (see Fig. 4 (d)). In particular, among the various solvents, the CIE chromaticity coordinates (0.30, 0.33) of the CNS dispersed in IPA are similar to the white CIE color coordinates (0.33, 0.33), which is very useful in the field of optoelectronics.

이상의 실험예 1 내지 4에서 보듯이, GO 나노시트를 프레임으로 하여 저분자 전구체를 수열 탄화시켜 용매변색성 카본나노시트를 제조할 수 있었다. 상기 하이브리드 카본나노시트에서 다량의 표면 산소기와 카본 나노링의 클러스터로 인해, CNS-물에서 여기-의존성 거동이 관찰되었다. 또한 XPS, FT-IR 분광법 및 TCSPC와 같은 구조적/광물리학적 분석을 통해, 비극성의 DMF로 용매를 변경할 경우 구겨진 내부 수소결합에 의해 CNS가 녹색 발광을 나타냄이 확인되었다. 이와 같은 하이브리드 카본 나노구조체의 특징은 서로 시너지 효과를 일으켜 예측치 못한 효과를 나타내므로, 카본 나노재료의 광학적 특성을 보다 활용할 수 있는 기회를 제공한다. 따라서 본 발명에 따른 용매변색성 하이브리드 CNS는 광전자 소자 및 센서에 유용하게 사용될 수 있다.As shown in Experimental Examples 1 to 4, the solvent-discoloring carbon nanosheets could be prepared by hydrothermally carbonizing the low-molecular precursor using the GO nanosheet as a frame. Due to clusters of large amounts of surface oxygen groups and carbon nanorings in the hybrid carbon nanosheets, excitation-dependent behavior in CNS-water was observed. Structural / photophysical analysis, such as XPS, FT-IR spectroscopy and TCSPC, confirmed that the CNS showed green luminescence due to internal hydrogen bonds that were crumbled when the solvent was changed to non-polar DMF. The characteristics of such hybrid carbon nanostructures are synergistic with each other and exhibit unpredictable effects, thereby providing an opportunity to further utilize the optical characteristics of the carbon nanomaterial. Accordingly, the solvent-discolorable hybrid CNS according to the present invention can be usefully used in optoelectronic devices and sensors.

Claims (20)

산화그래핀 나노시트; 및
상기 산화그래핀 나노시트 상에 형성된 카본 나노링(carbon nanoring)을 포함하고,
용매 중에 존재할 때 용매의 극성에 따라 형상 및 발광색이 변화하는, 하이브리드 카본나노시트.
Oxidized graphene nanosheet; And
And carbon nanoring formed on the graphene oxide nanosheet,
Wherein the shape and luminous color of the hybrid carbon nanosheet vary depending on the polarity of the solvent when present in the solvent.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 카본나노시트의 형상 및 발광색의 변화는 용매에 따라 가역적이고 재현성 있게 일어나는, 하이브리드 카본나노시트.
The method according to claim 1,
Wherein the shape of the hybrid carbon nanosheets and the change in luminescent color occur reversibly and reproducibly depending on the solvent.
제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 카본나노시트는, 55~65 kcal/mol의 ET(30)을 갖는 용매 중에서 평평하게 펼쳐진 형상을 갖고, 35~45 kcal/mol의 ET(30)을 갖는 용매 중에서 구겨지고 뭉쳐진 형상을 갖는, 하이브리드 카본나노시트.
The method according to claim 1,
Is crimped in a solvent with the hybrid carbon nano-sheet, 55 ~ 65 kcal / mol of E T (30) flat and has an expanded shape, 35 ~ 45 kcal / mol of E T (30) in a solvent having a united shape Wherein the hybrid carbon nanosheets have a thickness of at least 100 nm.
제 4 항에 있어서,
상기 하이브리드 카본나노시트는, 360 nm 파장의 광으로 여기될 때, 55~65 kcal/mol의 ET(30)을 갖는 용매 중에서는 청색 계열의 광을 발광하고, 35~45 kcal/mol의 ET(30)을 갖는 용매 중에서는 황색 내지 오렌지색 계열의 광을 발광하는, 하이브리드 카본나노시트.
5. The method of claim 4,
The hybrid carbon nanosheets emit blue light in a solvent having an E T (30) of 55 to 65 kcal / mol when excited with light having a wavelength of 360 nm, and emit blue light of 35 to 45 kcal / mol And emits light of a yellow to orange series in the solvent having T (30).
제 5 항에 있어서,
상기 하이브리드 카본나노시트는, 480 nm 파장의 광으로 여기될 때, 55~65 kcal/mol의 ET(30)을 갖는 용매 중에서는 오렌지색 계열의 광을 발광하고, 35~45 kcal/mol의 ET(30)을 갖는 용매 중에서는 황색 계열의 광을 발광하는, 하이브리드 카본나노시트.
6. The method of claim 5,
The hybrid carbon nanosheets emit orange light in a solvent having an E T (30) of 55 to 65 kcal / mol when excited with light having a wavelength of 480 nm, and emit light of E in a solvent having a T (30) it is for emitting light in the yellow-based, hybrid carbon nanosheets.
제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 카본나노시트는
산화그래핀 나노시트의 존재 하에 저분자 전구체를 수열 탄화(hydrothermal carbonization)하여 얻어지는, 하이브리드 카본나노시트.
The method according to claim 1,
The hybrid carbon nanosheet
A hybrid carbon nanosheet obtained by hydrothermal carbonization of a low molecular weight precursor in the presence of an oxidized graphene nanosheet.
제 1 항에 있어서,
상기 카본 나노링은 질소(N)와 붕소(B)로 도핑된 것인, 하이브리드 카본나노시트.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanorings are doped with nitrogen (N) and boron (B).
제 8 항에 있어서,
상기 카본 나노링은 10~20 nm의 직경을 갖고, 상기 산화그래핀 나노시트는 50~2000 nm의 평균 입경을 갖는, 하이브리드 카본나노시트.
9. The method of claim 8,
Wherein the carbon nanorings have a diameter of 10 to 20 nm and the graphene oxide nanosheets have an average particle diameter of 50 to 2000 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 카본 나노링은 상기 산화그래핀 나노시트의 단위 면적(㎛2)당 180~230 개/㎛2로 형성되는, 하이브리드 카본나노시트.
The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanorings are formed at a ratio of 180 to 230 pieces / 占 퐉 2 per unit area (占 퐉 2 ) of the graphene oxide grains.
제 1 항의 하이브리드 카본나노시트를 포함하는 광전자 소자.
An optoelectronic device comprising the hybrid carbon nanosheet of claim 1.
산화그래핀 나노시트의 분산 용액을 제조하는 단계;
상기 분산 용액에 유기산 및 아민 화합물을 포함하는 저분자 전구체를 첨가하여 혼합 분산 용액을 얻는 단계; 및
상기 혼합 분산 용액을 수열 탄화(hydrothermal carbonization)시키는 단계를 포함하는, 제 1 항의 하이브리드 카본나노시트의 제조방법.
Preparing a dispersion solution of the oxidized graphene nanosheet;
Adding a low molecular precursor including an organic acid and an amine compound to the dispersion solution to obtain a mixed dispersion solution; And
The method for producing hybrid carbon nanosheets according to claim 1, comprising the step of subjecting the mixed dispersion solution to hydrothermal carbonization.
제 12 항에 있어서,
상기 유기산이 시트르산을 포함하는, 하이브리드 카본나노시트의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the organic acid comprises citric acid.
제 12 항에 있어서,
상기 저분자 전구체가 붕산을 추가로 포함하는, 하이브리드 카본나노시트의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the low molecular weight precursor further comprises boric acid.
제 12 항에 있어서,
상기 수열 탄화가 180~185℃의 온도에서 수행되는, 하이브리드 카본나노시트의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the hydrothermal carbonization is performed at a temperature of 180 to 185 ° C.
제 1 항의 하이브리드 카본나노시트; 및
물, 에틸렌글리콜, 메탄올, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에탄올, n-부탄올, 이소프로판올, 아크릴로나이트릴, 다이메틸설폭사이드, 다이메틸폼아마이드, N-메틸-2-피롤리돈, 아세톤 및 테트라하이드로퓨란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 용매를 포함하는, 하이브리드 카본나노시트 용액.
The hybrid carbon nanosheet of claim 1; And
But are not limited to, water, ethylene glycol, methanol, ethylene glycol monomethyl ether, ethanol, n-butanol, isopropanol, acrylonitrile, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, N- And at least one solvent selected from the group consisting of hydrogen chloride, hydrogen chloride, and furan.
(1) 제 1 항의 하이브리드 카본나노시트를 제 1 용매에 첨가하여 제 1 용액을 제조하는 단계; 및
(2) 상기 제 1 용액에 여기 광을 조사하여 제 1 색상을 발광시키는 단계를 포함하는, 하이브리드 카본나노시트의 발광방법.
(1) adding the hybrid carbon nanosheet of claim 1 to a first solvent to prepare a first solution; And
(2) irradiating the first solution with excitation light to emit a first hue.
제 17 항에 있어서,
상기 단계 (2) 이후에,
(3) 상기 제 1 용액의 제 1 용매를 제 2 용매로 교체하여 제 2 용액을 제조하는 단계; 및
(4) 상기 제 2 용액에 여기 광을 조사하여 제 2 색상을 발광시키는 단계를 추가로 포함하고,
여기서 상기 제 1 용매 및 제 2 용매는 서로 다른 극성을 갖고,
상기 제 1 색상 및 제 2 색상은 서로 다른 CIE 색좌표(x, y)를 갖는, 하이브리드 카본나노시트의 발광방법.
18. The method of claim 17,
After step (2) above,
(3) preparing a second solution by replacing the first solvent of the first solution with a second solvent; And
(4) irradiating the second solution with excitation light to emit a second color,
Wherein the first solvent and the second solvent have different polarities,
Wherein the first color and the second color have different CIE color coordinates (x, y).
제 18 항에 있어서,
상기 하이브리드 카본나노시트는
상기 제 1 용매 중에서와 비교하여 상기 제 2 용매 중에서 다른 형상을 갖는, 하이브리드 카본나노시트의 발광방법.
19. The method of claim 18,
The hybrid carbon nanosheet
Wherein the second solvent has a different shape in the second solvent than in the first solvent.
제 18 항에 있어서,
상기 하이브리드 카본나노시트의 발광방법은, 상기 단계 (4) 이후에,
(5) 상기 제 2 용액의 제 2 용매를 상기 제 1 용매로 교체하여 제 3 용액을 제조하는 단계; 및
(6) 상기 제 3 용액에 여기 광을 조사하여 제 3 색상을 발광시키는 단계를 추가로 포함하되,
상기 제 1 색상과 상기 제 3 색상은 동일한 CIE 색좌표(x, y)를 갖는, 하이브리드 카본나노시트의 발광방법.
19. The method of claim 18,
The method for luminescence of the hybrid carbon nanosheets is characterized in that after the step (4)
(5) replacing the second solvent of the second solution with the first solvent to produce a third solution; And
(6) irradiating the third solution with excitation light to emit a third color,
Wherein the first color and the third color have the same CIE color coordinate (x, y).
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