KR102157386B1 - 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물, 상기 조성물을 이용한 2차원나노물질적층형구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물, 상기 조성물을 이용한 2차원나노물질적층형구조체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2차원 나노물질 박리방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 공지된 물리적, 화학적 박리 방법으로 박리된 2차원나노물질이 박리된 상태를 유지하지 못하고 응집되는 현상을 방지할 수 있는 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물, 상기 조성물을 이용한 2차원나노물질적층형구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물, 상기 조성물을 이용한 2차원나노물질적층형구조체 및 그 제조방법{Chemical reagents for exfoliating 2D nanomaterials, the 2D nanomaterials prepared using the reagents, and their fabrication method}
본 발명은 2차원 나노물질 박리방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 공지된 물리적, 화학적 박리 방법으로 박리된 2차원나노물질이 박리된 상태를 유지하지 못하고 응집되는 현상을 방지할 수 있는 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물, 상기 조성물을 이용한 2차원나노물질적층형구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
차세대 전자 재료로 주목받고 있는 2차원 나노물질은 높이가 존재하지 않고 층상구조를 갖는 물질로 대표적으로는 그래핀 계열의 그래핀, 산화그래핀, 플루오르그래핀(fluoro-graphene) 등과, 칼코게나이드, 이황화몰리브덴, 흑린 등이 있다.
특히, 2차원 나노물질 중 그래핀은 구리의 100배 이상의 우수한 전기전도도를 가지며, 구리 또는 알루미늄의 10배 이상의 우수한 열전도도 및 우수한 기계적 물성으로 인하여 최근 많이 연구되고 있다. 그래핀의 특성으로 인하여 최근 전자제품에의 적용을 위하여 그래핀 박막의 제조와 관련하여 많은 연구가 진행되고 있다.
그래핀 박막은 물리적인 방법과 화학적인 방법으로 제조될 수 있다. 물리적인 방법의 경우 그래파이트로부터 그래핀을 분리시키는 것이 매우 간단하고 결함을 발생시키지 않아 물성이 좋은 반면, 단일층 그래핀을 제조하기 힘들며 그래핀이 제조된 후 재응집 현상(restacking of aggregation)이 발생하여 콜로이드 형태 시 그 분산성 및/또는 안정성이 매우 낮은 문제점이 존재한다.
따라서, 2차원 나노물질이 박리된 후 재응집을 방지하고 박리상태를 유지하기 위한 기술이 개발될 필요가 있다.
대한민국 특허번호 제 10-2018-0071034 호
본 발명자들은 다수의 연구결과 카벤유도체에 작용기를 도입하여 형성된 카벤화합물을 이용하여 2차원 나노물질의 박리상태를 유지할 수 있는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 촉매로만 사용되었던 카벤 유도체의 새로운 용도로서 카벤유도체에 작용기를 도입하여 형성된 카벤화합물을 2차원나노물질을 박리하거나 박리상태 유지를 위해 사용할 수 있는 2차원나노물질 박리상태유지용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 2차원나노물질의 박리상태를 유지하기 위해 카벤화합물이 2차원나노물질 사이에 삽입되어 형성된 2차원나노물질적층형구조체의 물성을 2차원나노물질과 카벤 화합물 사이에 이루어지는 결합방법(공유결합 또는 비공유결합)을 제어하여 제어할 수 있는 2차원나노물질적층형구조체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 카벤유도체에 작용기가 도입된 카벤화합물을 유효성분으로 하는 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 카벤유도체는 NHC, 메틸렌(methylene), 디클로로카벤(dichlorocarbene), 디플루오르카벤(difluorocarbene)으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 카벤유도체에 도입되는 작용기는 알콕시기, 플루오레닐기, 파이레닐기, 카바졸기, 아지드기, 니트릴기, 티오펜기, 벤조티오펜기, 니트로기, 아릴기, 알킬기, 알케닐기, 알콕시기, 비페닐기, 트라이페틸기, 터페닐기, 스틸벤기, 나프틸기, 비나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 페릴레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 니트로소기, 피리딘기, 파이레닐기, 카르복실기로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차원 나노물질은 그래핀(graphene), 칼코게나이드화합물, 이황화몰리브덴, 흑린으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상이다.
또한, 본 발명은 카벤유도체에 작용기가 도입된 카벤화합물을 유효성분으로 하는 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물을 준비하는 단계; 2차원 나노물질을 유기용매에 균일하게 분산시켜 2차원 나노물질 분산용액을 준비하는 단계; 상기 2차원 나노물질 분산용액과 상기 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물을 균질하게 혼합시켜 2차원나노물질과 상기 카벤화합물이 결합된 2차원나노물질적층형구조체를 형성하는 단계; 및 상기 2차원나노물질적층형구조체를 분리하는 단계;를 포함하는 2차원나노물질적층형구조체 제조방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 분리된 2차원나노물질적층형구조체를 진공오븐에서 건조하는 건조단계;를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차원나노물질적층형구조체는 상기 2차원나노물질이 서로 박리상태를 유지하도록 상기 카벤화합물이 상기 2차원나노물질 사이에서 공유 또는 비공유 결합하는 구조로 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차원나노물질과 카벤화합물이 공유결합 또는 비공유결합 할지 여부는 상기 카벤유도체의 암부 및 도입된 작용기의 종류에 따라 결정된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 카벤유도체의 암부 또는 도입된 작용기가 사슬형탄화수소이면, 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물 사이에 공유결합이 이루어지고, 방향족탄화수소이면 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물사이에 비공유결합이 이루어진다.
또한, 본 발명은 다수의 2차원나노물질; 및 상기 다수의 2차원나노물질이 서로 박리상태를 유지하도록 상기 2차원나노물질 사이에 위치하여 상기 2차원나노물질과 결합되는 카벤화합물;을 포함하는 2차원나노물질적층형구조체를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차원나노물질은 그래핀(graphene), 칼코게나이드화합물, 이황화몰리브덴, 흑린으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 카벤화합물은 카벤유도체에 작용기가 도입된 것으로, 상기 카벤유도체의 암부 및 작용기의 종류에 따라 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물사이에 공유결합 또는 비공유결합이 이루어진다.
상술된 본 발명의 2차원나노물질 박리상태유지용 조성물에 의하면 카벤유도체에 작용기를 도입하여 형성된 카벤화합물을 2차원나노물질을 박리하거나 박리상태 유지를 위해 사용할 수 있어 촉매로만 사용되었던 카벤 유도체의 새로운 용도를 제시할 수 있다.
또한, 본 발명의 2차원나노물질적층형구조체 및 그 제조방법은 2차원나노물질의 박리상태를 유지하기 위해 카벤화합물이 2차원나노물질 사이에 삽입되어 형성된 2차원나노물질적층형구조체의 물성을 2차원나노물질과 카벤 화합물 사이에 이루어지는 결합방법(공유결합 또는 비공유결합)에 따라 제어할 수 있다.
본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.
도 1a는 본 발명의 카벤화합물의 구현예를 대략적인 모식도로 나타낸 것이고, 도 1b는 일 구현예로서 2차원 나노물질과 비공유결합을 형성하는 카벤화합물을 도시한 것이고, 도 1c는 다른 구현예로서 2차원 나노물질과 공유결합을 형성하는 카벤화합물을 도시한 것이며, 도 1d은 실시예1에서 준비된 카벤화합물의 구조변화를 도시한 것이고, 도 1e는 실시예2에서 준비된 카벤화합물의 구조변화를 도시한 것이다.
도 2는 카벤 화합물과 2차원 나노물질간의 결합(공유결합/비공유결합)방법을 모식도로 나타낸 것이다.
도 3a는 결합 방법에 따른 2차원나노물질적층형구조체의 물성을 라만 분광법으로 나타낸 것이고, 도 3b 및 도 3c는 도 3a의 라만 그래프에서 2차원나노물질적층형구조체의 D peak와 G peak 의 비율을 그래프와 표로 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3a의 라만 그래프의 2D peak layer number를 그래프와 표로 나타낸 것이다.
도 5는 도 3a의 라만 그래프의 full width at half maximum(FWHM)을 그래프로 나타낸 것이다.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 기술적 특징은 지금까지 촉매로만 사용되었던 카벤 유도체에 작용기를 도입하여 형성된 카벤화합물을 이용하여 2차원나노물질을 박리하거나 박리상태 유지할 수 있다는 카벤화합물의 새로운 용도를 제시하고, 카벤화합물이 2차원나노물질과 공유결합 또는 비공유결합을 형성하면서 2차원나노물질 사이에 삽입되는 방식을 통해 2차원나노물질의 박리상태가 유지되면서 형성된 2차원나노물질적층형구조체의 물성을 제어할 수 있다는 것에 있다.
즉, 카벤(carbene)유도체는 반응성 라디칼 물질로 반응성이 풍부하며 촉매로 이용되고 있기 때문이다. 하지만, 본 발명에서는 카벤화합물을 2차원나노물질의 박리상태를 유지하는 동시에 2차원나노물질이 다수 적층된 새로운 구조의 나노물질복합체를 합성하는데 사용하고 있기 때문이다.
따라서, 본 발명의 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물은 카벤유도체에 작용기가 도입된 카벤화합물을 유효성분으로 한다.
여기서, 카벤 유도체는 2가의 탄소 화합물, 친전자체(electrophilic), 친핵체(nucleophilic), 입체 특이적인 2가의 탄소 화합물, 비입체특이적인 2가의 탄소 화합물, 일중항상태의 카벤(singlet carbene), 삼중항 상태의 카벤(triplet carbene), 브레슬로우 중간체(Breslow intermediate), 질소를 포함한 링을 가진 형, NHC, 메틸렌(methylene), 디클로로카벤(dichlorocarbene), 디플루오르카벤(difluorocarbene) 등을 포함하여 공지된 카벤 유도체가 모두 사용될 수 있는데, 일 구현예로서 대표적으로 잘 알려진 메틸렌, 디클로로카벤, 디플루오르카벤, N-heterocyclic carbene (NHC) 등일 수 있다. 특히 NHC는 양 옆에 있는 질소원자로 인해 push-push mesomeric effect에 의해서 안정화되므로, 안정성이 뛰어나고 우수한 유기촉매로 사용되고 있으며 고분자 합성에 유용하므로 이하 실시예에서는 NHC를 카벤 유도체로 사용하였다.
본 발명의 카벤화합물은 도 1a에 도시된 모식도와 같이 head group에는 카벤유도체가 위치하고, tail group에는 작용기가 도입되며, 암부(arm group)에는 사슬형 또는 고리형 구조를 포함하는 공지된 탄화수소그룹이 도입되어 형성된 구성이다. 특히 작용기는 카벤유도체 표면에 도입되어 카벤화합물의 물리화학적 특성에 영향을 미칠 수 있기만 하면 공지된 모든 작용기가 사용될 수 있는데, 일 구현예로서 알콕시기, 플루오레닐기, 파이레닐기, 카바졸기, 아지드기, 니트릴기, 티오펜기, 벤조티오펜기, 니트로기, 아릴기, 알킬기, 알케닐기, 알콕시기, 비페닐기, 트라이페틸기, 터페닐기, 스틸벤기, 나프틸기, 비나프틸기, 안트라세닐기, 페난트레닐기, 페릴레닐기, 테트라세닐기, 크라이세닐기, 니트로소기, 피리딘기, 파이레닐기, 카르복실기로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
2차원 나노물질은 층상구조 또는 판상구조를 갖는 2차원물질이기만 하면 제한되지 않으나, 일 구현예로서 그래핀(graphene), 칼코게나이드화합물, 이황화몰리브덴, 흑린으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
다음으로, 2차원나노물질적층형구조체 제조방법은 카벤유도체에 작용기가 도입된 카벤화합물을 유효성분으로 하는 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물을 준비하는 단계; 2차원 나노물질을 유기용매에 균일하게 분산시켜 2차원 나노물질 분산용액을 준비하는 단계; 상기 2차원 나노물질 분산용액과 상기 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물을 균질하게 혼합시켜 2차원나노물질과 상기 카벤화합물이 결합된 2차원나노물질적층형구조체를 형성하는 단계; 및 상기 2차원나노물질적층형구조체를 분리하는 단계;를 포함한다. 필요한 경우 상기 분리된 2차원나노물질적층형구조체를 진공오븐에서 건조하는 건조단계;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 2차원나노물질적층형구조체는 상기 2차원나노물질이 서로 박리상태를 유지하도록 상기 카벤화합물이 상기 2차원나노물질 사이에서 공유 또는 비공유 결합하는 구조로 형성된다. 특히, 2차원나노물질과 카벤화합물이 공유결합 또는 비공유결합 할지 여부는 상기 카벤유도체의 암부 및 도입된 작용기의 종류에 따라 결정되는데, 도 1b와 같이 카벤유도체의 암부 또는 도입된 작용기가 방향족탄화수소이면 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물사이에 비공유결합이 이루어지고, 도 1c에 예시된 바와 같이 사슬형탄화수소(hydrocarbon chain)이면, 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물 사이에 공유결합이 이루어진다. 경우에 따라서는 공유결합이 가능한 arm 구조를 갖는 카벤화합물 즉 tail 부분에 결합하는 작용기가 사슬형탄화수소인 경우에도 길이가 길어질수록 chain mobility가 증가해서 공유결합이 아닌 비공유결합을 하게 될 수 있다. 한편 카벤화합물의 농도와 반응시간을 조절함으로써 공유결합할지 또는 비공유결합할지 여부를 제어할 수도 있는데, 카벤화합물의 농도가 높고 반응시간이 증가할수록 공유결합하도록 제어할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 2차원나노물질적층형구조체는 다수의 2차원나노물질; 및 상기 다수의 2차원나노물질이 서로 박리상태를 유지하도록 상기 2차원나노물질 사이에 위치하여 상기 2차원나노물질과 결합되는 카벤화합물;을 포함한다.
여기서, 2차원나노물질은 그래핀(graphene), 칼코게나이드화합물, 이황화몰리브덴, 흑린으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있는데, 카벤화합물은 카벤유도체에 작용기가 도입된 것으로, 상기 카벤유도체의 암부 및 작용기의 종류에 따라 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물사이에 공유결합 또는 비공유결합이 이루어질 수 있다.
실시예 1
다음과 같이 카벤 화합물을 준비하여 2차원나노물질박리상태유지용 조성물1을 제조하였다.
1.카벤 화합물 준비
카벤 화합물을 제조하기 위하여 4-bromo-2-nitroaniline 0.1g을 디메틸포름 아마이드(dimethylformamide) 4.6ml에 넣은 후 그 용액에 tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0) 0.053g 과 탄산세슘(cesium carbonate) 그리고 pyrene-1-boronic acid 0.17g을 넣어 혼합 용액을 만든 후, 100도 에서 12시간 교반하였다. 이 혼합 용액에 증류수와 에틸아세테이트(ethyl acetate)를 넣고 유기층을 분리시킨 후 실리카 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다. 정제한 4-(pyrene-1-yl)-2-nitroaniline 0.07g 과 Fe powder 0.115g, ammonium chloride 0.111g을 isopropanol 1.43ml 에 넣어 녹인 후 formic acid 1ml 넣은 후 아르곤 분위기, 80도에서 12시간 교반하였다. 교반 후에 상온에서 여과기로 여과 하였다. sodium bicarbonate를 증류수에 포화시킨 용매와 chloroform 용매로 추출하여 유기용매를 증발시킨 후, diethyl ether로 고체화 시켰다. 5-(pyrene-1-yl)-1H-benzo[d]imidazole 0.15g을 acetonitrile 23ml 에 녹인 후 탄산세슘(cesium carbonate) 0.153g를 넣고 2-iodopropane 1.17ml를 천천히 넣어준 후 질소분위기, 90도 에서 24시간동안 교반하였다. 그 후에 상온에서 여과 후 용매를 증발시켰다. 증류수와 ethyl acetate로 추출 후, 유기용매를 증발 시키고 diethyl ether로 고체화시켜 도 1d의 (1)에 도시된 구조의 카벤화합물을 얻을 수 있다.
2. 2차원나노물질박리상태유지용 조성물1 준비
글러브 박스에서 위에서 합성한 카벤화합물 5.26mg을 디메틸포름 아마이드(dimethylformamide) 3ml와 potassium bis(trimethylsilyl)amide 0.01㎕ 가 혼합된 용액에 넣어 도 1d의 (2)에 도시된 구조의 아이오딘 이온이 분리된 상태의 카벤화합물을 유효성분으로 하는 2차원나노물질박리상태유지용 조성물1을 얻었다.
실시예 2
다음과 같이 카벤화합물을 준비하여 2차원나노물질박리상태유지용 조성물2를 제조하였다.
1.카벤 화합물 준비
카벤 화합물을 제조하기 위하여 4-bromo-2-nitroaniline 0.1g을 디메틸포름 아마이드(dimethylformamide) 4.6ml에 넣은 후 그 용액에 tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0) 0.053g 과 탄산세슘(cesium carbonate) 그리고 pyrene-1-boronic acid 0.17g을 넣어 혼합 용액을 만든 후, 100 에서 12시간 교반하였다. 이 혼합 용액에 증류수와 에틸아세테이트(ethyl acetate)를 넣고 유기층을 분리시킨 후 실리카 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다. 정제한 4-(pyrene-1-yl)-2-nitroaniline 0.07g 과 Fe powder 0.115g, ammonium chloride 0.111g을 isopropanol 1.43ml 에 넣어 녹인 후 formic acid 1ml 넣은 후 아르곤 분위기, 80도에서 12시간 교반하였다. 교반 후에 상온에서 여과기로 여과 하였다. sodium bicarbonate를 증류수에 포화시킨 용매와 chloroform 용매로 추출하여 유기용매를 증발시킨 후, diethyl ether로 고체화 시켰다. 5-(pyrene-1-yl)-1H-benzo[d]imidazole 0.15g을 acetonitrile 23ml 에 녹인 후 탄산세슘(cesium carbonate) 0.153g를 넣고 2-iodobenzene 2g을 천천히 넣어준 후 질소분위기, 90도 에서 24시간동안 교반하였다. 그 후에 상온에서 여과 후 용매를 증발시켰다. 증류수와 ethyl acetate로 추출 후, 유기용매를 증발 시키고 diethyl ether로 고체화시켜 도 1e의 (1)에 도시된 구조의 카벤화합물을 얻을 수 있다.
2. 2차원나노물질박리상태유지용 조성물2 준비
글러브 박스에서 위에서 합성한 카벤화합물 5.26mg을 디메틸포름 아마이드(dimethylformamide) 3ml와 potassium bis(trimethylsilyl)amide 0.01㎕ 가 혼합된 용액에 넣어 도 1e의 (2)에 도시된 구조의 아이오딘 이온이 분리된 상태의 카벤화합물을 유효성분으로 하는 2차원나노물질박리상태유지용 조성물2를 얻었다.
실시예 3
1. 2차원나노물질박리상태유지용 조성물1을 준비하는 단계
실시예1과 동일한 방법으로 2차원나노물질박리상태유지용 조성물1을 제조하였다.
2. 2차원나노물질 분산용액을 준비하는 단계
2차원 나노물질로 그래핀 0.04g을 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 20ml에 넣고 울트라 소니케이터를 이용해서 1시간동안 분산시켜 2차원나노물질 분산용액을 얻었다.
3. 2차원나노물질적층형구조체1을 형성하는 단계
제조된 2차원나노물질박리상태유지용 조성물1에 2차원나노물질 분산용액을 첨가하여 12시간 동안 교반하여 2차원나노물질적층형구조체1을 형성하였다.
4. 2차원나노물질적층형구조체1을 분리하는 단계
2차원나노물질적층형구조체1이 분산된 용액을 여과기로 여과한 후 2-3번 증류수로 세척하여 2차원나노물질적층형구조체1을 얻었다.
5. 건조하는 단계
얻어진 2차원나노물질적층형구조체2의 부가적인 반응을 막기 위해 진공오븐에서 하루 동안 추가 건조하여 2차원나노물질적층형구조체1을 제조하였다.
실시예 4
1. 2차원나노물질박리상태유지용 조성물2를 준비하는 단계
실시예2와 동일한 방법으로 2차원나노물질박리상태유지용 조성물2를 제조하였다.
2. 2차원나노물질 분산용액을 준비하는 단계
2차원 나노물질로 그래핀 0.04g을 N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) 20ml에 넣고 울트라 소니케이터를 이용해서 1시간동안 분산시켜 2차원나노물질 분산용액을 얻었다.
3. 2차원나노물질적층형구조체2를 형성하는 단계
제조된 2차원나노물질박리상태유지용 조성물에 2차원나노물질 분산용액을 첨가하여 12시간 동안 교반하여 2차원나노물질적층형구조체2를 형성하였다.
4. 2차원나노물질적층형구조체2를 분리하는 단계
2차원나노물질적층형구조체2가 분산된 용액을 여과기로 여과한 후 2-3번 증류수로 세척하여 2차원나노물질적층형구조체2를 얻었다.
5. 건조하는 단계
얻어진 2차원나노물질적층형구조체2의 부가적인 반응을 막기 위해 진공오븐에서 하루 동안 추가 건조하여 2차원나노물질적층형구조체2를 제조하였다.
실험예 1
실시예3 및 실시예4에서 얻어진 2차원나노물질적층형구조체 1 및 2에서 카벤화합물과 2차원나노물질의 결합이 공유결합인지 비공유결합인지 여부를 다음과 같이 확인하였다. 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 공유결합 형태가 2차원나노물질적층형 구조체 1의 안정한 구조체임을 확인 했으며, 또한 라만, 적외선-가시광선, 엑스레이광전자 분광 분석법 등을 통해 카벤화합물의 공유결합에 의한 특성을 실험적으로 관찰할 수 있었다.
도 2에 도시된 바와 같이 2차원나노물질적층형구조체 1은 카벤화합물의 암부에 사슬형탄화수소가 부착되어 공유결합을 하는 것을 알 수 있고, 2차원나노물질적층형구조체 2는 카벤화합물의 암부에 방향족탄화수소가 부착되어 비공유결합을 하는 것을 알 수 있다.
실험예 2
실시예3 및 실시예4에서 얻어진 2차원나노물질적층형구조체 1 및 2의 분자구조를 대상으로 마이크로-라만분광기를 이용하여 분석하고 그 결과를 도 3a 내지 도 3c에 나타내었다. 사용한 레이저 광원의 파장은 532nm이었으며, 샘플 당 50개 이상의 스펙트럼을 측정하였다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 라만분광법 분석결과로부터, 공유결합된 구조를 갖는 2차원나노물질적층형구조체 1과 비공유결합된 구조를 갖는 2차원나노물질적층형구조체 2가 반응 시간이 증가 할수록 다른 경향성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 카벤화합물과 2차원나노물질 사이의 결합(공유결합/비공유결합)을 제어함으로써 2차원나노물질적층형구조체의 물성 제어가 가능하다는 것을 알 수 있다.
특히, 도 3b 및 도 3c에 도시된 D peak와 G peak의 비율을 그래프와 표를 참조하면 비율의 증가/감소로 2차원나노물질적층형구조체의 물성을 알 수 있다. 2차원나노물질적층형구조체 1(공유결합)의 경우, 반응 시간이 증가 할수록 D peak 와 G peak의 비율이 감소했다가 증가하지만, 2차원나노물질적층형구조체 2(비공유결합)의 경우는 반응시간이 증가 할수록 D peak와 G peak의 비율이 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
실험예 3
실시예3 및 실시예4에서 얻어진 2차원나노물질적층형구조체 1 및 2의 분자구조를 대상으로 마이크로-라만분광기를 이용하여 분석하고 그 결과를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 사용한 레이저 광원의 파장은 532nm이었으며, 샘플 당 50개 이상의 스펙트럼을 측정하였다.
도 4a 및 도 4b로부터 2차원나노물질적층형구조체에서 카벤화합물과 2차원나노물질의 결합이 공유결합인지 비공유결합인지에 따라 2차원나노물질적층형구조체의 달라지는 특성을 라만그래프의 2D peak layer number로 확인 할 수 있다. 2차원 나노물질적층형구조체 1은 반응 시간이 지날수록 layer number가 감소했다가 증가하는데 2차원나노물질적층형구조체 2(비공유결합)는 layer number가 시간이 지날수록 감소하는 경향을 보였다. 이와 같이 결합 방법에 의해 달라지는 2차원나노물질적층형구조체의 layer number로 적층형구조체의 물성 제어가 가능하다는 것을 알 수 있다.
실험예 4
2차원나노물질적층형구조체1의 FWHM(full width at half maximum) 변화를 관찰하고 그 결과를 도 5에 나타냈다.
도 5로부터, 2차원 나노물질에 카벤화합물이 삽입되어 박리상태를 유지하게 됨으로써 2차원나노물질적층형구조체의 물성에 변화가 생기는 것을 알 수 있다. 2차원나노물질적층형구조체가 공유결합을 이루어 나노결정구조이면 FWHM이 높게 나오고 2차원나노물질적층형구조체가 비공유결합을 이루어 비결정구조일 경우 FWHM은 낮아져 2차원나노물질적층형구조체의 물성 제어가능 하다는 것을 확인 할 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (12)

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  5. 카벤유도체에 작용기가 도입된 카벤화합물을 포함하는 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물을 준비하는 단계; 2차원 나노물질을 유기용매에 균일하게 분산시켜 2차원 나노물질 분산용액을 준비하는 단계; 상기 2차원 나노물질 분산용액과 상기 2차원 나노물질 박리상태유지용 조성물을 균질하게 혼합시켜 2차원나노물질과 상기 카벤화합물이 결합된 2차원나노물질적층형구조체를 형성하는 단계; 및 상기 2차원나노물질적층형구조체를 분리하는 단계;를 포함하는데,
    상기 2차원나노물질적층형구조체는 상기 2차원나노물질이 서로 박리상태를 유지하도록 상기 카벤화합물이 상기 2차원나노물질 사이에서 공유 또는 비공유 결합하는 구조 중 어느 하나를 이루도록 제어되어 형성되고,
    상기 2차원나노물질과 카벤화합물이 공유결합 또는 비공유결합 할지 여부는 상기 카벤유도체의 암부 및 도입된 작용기의 종류에 따라 결정되며,
    상기 카벤유도체의 암부 또는 도입된 작용기가 사슬형탄화수소이면, 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물 사이에 공유결합이 이루어지고, 방향족탄화수소이면 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물사이에 비공유결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원나노물질적층형구조체 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 분리된 2차원나노물질적층형구조체를 진공오븐에서 건조하는 건조단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원나노물질적층형구조체 제조방법.
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  10. 다수의 2차원나노물질; 및
    상기 다수의 2차원나노물질이 서로 박리상태를 유지하도록 상기 2차원나노물질 사이에 위치하여 상기 2차원나노물질과 결합되는 카벤화합물;을 포함하는데,
    상기 카벤화합물은 카벤유도체에 작용기가 도입된 것으로, 상기 카벤유도체의 암부 및 작용기의 종류에 따라 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물사이에 공유결합 또는 비공유결합이 이루어지도록 제어되는 구조를 갖고,
    상기 카벤유도체의 암부 또는 도입된 작용기가 사슬형탄화수소이면, 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물 사이에 공유결합이 이루어지고, 방향족탄화수소이면 상기 2차원나노물질과 상기 카벤화합물사이에 비공유결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원나노물질적층형구조체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 2차원나노물질은 그래핀(graphene), 칼코게나이드화합물, 이황화몰리브덴, 흑린으로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 2차원나노물질적층형구조체.
  12. 삭제
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