KR102370210B1 - 나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치 및 방법에 관한 것으로, 나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치는, 두 가지 이상의 성분 물질이 질량비를 달리하여 혼합된 단일상의 혼합용액 복수 개가 단계적으로 극성이 증가하거나 감소하도록 배치된 복수 개의 용매 어레이와, 복수의 용매 어레이 중 하나의 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 평가 대상 물질을 투입하는 물질 투입부를 포함하고, 상기 평가 대상 물질로 인한 혼합용액의 상분리 경계를 확인하여 상기 평가 대상 물질의 상대적 극성을 비교하고 극성값을 추정한다.

Description

나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR EVALUATING POLARITY AND DISPERSION OF NANOPARTICLES}

본 발명은 나노입자의 극성과 분산성을 평가하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 표준시약용액 모듈을 이용하여 다양한 용매, 매질에서의 나노입자의 극성과 분산성을 평가하는 정량적인 방법과 장치를 제공한다.

나노입자는 다양한 용액 또는 매질에 혼합 및 분산되어 나노입자의 물리화학적 특징에 따라 용액과 매질에 새로운 기능성을 발현시키거나 기존 특성을 강화 또는 보완하는 용도로 많이 사용된다.

나노입자가 포함된 나노유체를 기존 용액 또는 매질에 첨가하여 효용성을 강화하지만, 이러한 효과는 나노입자의 분산도에 따라 매우 다르게 나타나며 일반적으로 우수한 분산성을 가질 때 더욱 효율적으로 나노입자의 기능성이 발현될 수 있다.

따라서, 나노입자의 용액 또는 매질에서의 분산성을 판단하고 평가하는 것이 나노 혼합용액 또는 나노혼합재를 제조하는 것에 선행되어야 할 중요한 요소가 될 수 있다.

혼합물질의 분산성은 각 물질의 극성 정도에 따라 좌우되므로 나노입자의 극성을 추정하는 것이 나노입자의 분산성을 평가하는 척도가 된다.

나노 혼합용액이나 나노 혼합재를 제조하기 위해 절대적이고 정확하게 나노입자의 극성 또는 분산도를 분석하는 것은 불필요한 시간적, 경제적 노력을 투입하는 것이어서 비효율적일 것인 바, 나노입자의 극성이나 분산성의 사전 평가방법으로서 오히려 실험적으로 상대적인 평가방법이 더 유리한 측면이 있다.

나노입자의 표면 극성을 측정 비교하기 위한 기존의 방법으로는 젖음성 측정, 접촉각 측정, 물 또는 용매에 대한 단순 혼합성 비교 등의 방법이 있다.

젖음성 측정법은 나노입자를 파우더(나노입자의 응집체) 상태로 실린더에 넣고, 오픈된 실런더의 한 면을 용매에 노출하여 시간에 따라 실런더의 무게 변화를 측정하는 방법이다. 이것은 나노입자 파우더가 용매를 얼마나 빨리 흡수하느냐를 측정하는 방식으로 용매에 대한 젖음성(wettability)으로부터 나노입자 파우더의 분산성을 측정한다.

젖음성이 우수하면 특정 시간에 더 많은 용매를 흡수하여 실런더의 무게가 더 빨리 증가하게 되는데, 서로 다른 나노입자 파우더를 대상으로 하여 특정 시간 내 무게 변화 현상을 비교하여 분산성을 예측하는 방법이다.

그러나 이 방법은 나노입자 상태가 아니라 파우더(나노입자의 응집체)를 대상으로 평가하기 때문에 나노입자 특성을 정확하게 측정하기 어려우며, 파우더 내 공극(빈 공간)이 용매 흡수를 방해할 수 있어 정확하고 재현성 있는 결과를 얻기 어려운 단점이 있다.

접촉각 측정법은 물 또는 용매의 접촉각(contact angle)을 측정하는 방법이다. 일반적으로 낮은 접촉각을 가질 때 용매와 나노입자의 혼합성이 좋다. 그러나 이 방법 또한 나노입자 상태에서 측정하는 것이 아니라 파우더(나노입자의 응집체)를 평판의 펠렛 형태로 압착하여 제작하고 이 위에 물 또는 용매를 떨어뜨려 그 접촉각을 측정하는 방식이기 때문에 나노입자 본연의 특성을 측정하기 어렵다.

이에 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 서로 다른 나노입자간 또는 나노입자와 특정 용매 간의 극성에 대한 상대적이고 정량적인 비교, 평가를 수행하거나, 또는 나노입자와 특정 용매 간의 상대적 극성 수준의 평가로부터 나노 혼합재를 제조하기 위해 사용되는 고분자 물질에 대한 나노입자의 분산성을 평가, 예측하기 위한 장치와 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법은, 단계적으로 극성이 증가하거나 감소하도록 복수의 혼합용액이 배열된 복수의 용매 어레이를 형성하는 단계, 상기 복수의 용매 어레이 중 제1 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 제1나노입자를 혼합하고 상기 제1 용매 어레이의 혼합용액 각각의 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하는 단계, 상기 복수의 용매 어레이 중 제2 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 제1나노입자와 서로 다른 제2나노입자를 혼합하고 상기 제2 용매 어레이의 혼합용액 각각의 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하는 단계, 및 상기 제1나노입자와 상기 제2나노입자의 혼합으로 인한 제1 용매 어레이 및 제2 용매 어레이의 상분리 경계 위치를 비교하여 제1나노입자와 제2나노입자간의 상대적 극성 수준을 비교하는 단계를 포함한다.

여기에서 상대적 극성 수준을 비교하는 단계는, 상기 제1 용매 어레이의 복수의 혼합용액의 분산 상태 및 상분리 상태의 경계와 상기 제2 용매 어레이의 복수의 혼합용액의 분산 상태 및 상분리 상태의 경계가 일치할 경우 상기 제1나노입자와 상기 제2나노입자가 유사한 극성값(polarity index)을 가지는 것으로 판별하고, 일치하지 않을 경우 상기 제1나노입자와 상기 제2나노입자의 극성 수준의 우위를 판별하는 것이다.

상기 제1나노입자의 극성값(polarity index)과 상기 제2나노입자의 극성값(polarity index)은 상분리된 혼합용액의 극성값과 그에 인접하는 혼합용액의 극성값의 범위 내에서 특정되는 어느 하나의 극성값인 것으로 추정될 수 있으나 이에 반드시 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예에서, 상기 복수의 용매 어레이를 형성하는 단계는, 상기 복수의 혼합용액으로서 두 가지 이상의 성분 물질의 질량비를 달리하여 혼합한 단일상의 혼합용매를 제조하고, 단계적으로 극성이 증가하거나 감소하도록 배열하는 것이다.

이 때, 상기 성분 물질은 물(H2O)과 적어도 하나 이상의 유기용매이며. 최대 극성값의 혼합용액 위치에 순수 물(distilled water)이 배치될 수 있다.

이러한 경우 복수의 용매 어레이에서 상분리되는 혼합용액을 확인할 수 없다면 나노입자의 극성 수준을 물의 극성 수준으로 평가할 수 있다.

이러한 상대적 극성 수준의 평가 방법에 있어 분산상태와 상분리 상태의 경계 확인은 육안으로 할 수 있으나 이에 한정되지 않으며 물리적, 기계적 방법을 이용하여 확인할 수도 있다.

여기서 유기용매는 이소프로필알콜(IPA), 테트라하이드로푸란(THF), 프로판올 중에서 선택된 어느 하나의 유기용매일 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 또다른 일측면에 따른 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법은, 단계적으로 극성이 증가하거나 감소하도록 복수의 혼합용액이 배열된 복수의 용매 어레이를 형성하는 단계, 상기 복수의 용매 어레이 중 제1 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 제1나노입자를 혼합하고 상기 제1 용매 어레이의 혼합용액 각각의 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하는 단계, 상기 복수의 용매 어레이 중 제2 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 제1용매를 혼합하고 상기 제2 용매 어레이의 혼합용액 각각의 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하는 단계, 상기 제1나노입자와 상기 제1용매의 혼합으로 인한 제1 용매 어레이 및 제2 용매 어레이의 상분리 경계 위치를 비교하여 제1나노입자와 제1용매간의 상대적 극성 수준을 판별하는 단계, 및 상기 제1나노입자와 상기 제1용매의 극성 수준이 유사한 것으로 판별될 경우, 상기 제1나노입자가 상기 제1용매에 대해 분산되는 것으로 예측하는 단계를 포함한다.

다른 실시예로서 본 발명에 따른 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법은, 상기 제1용매와 동일 또는 유사한 표면장력을 가지는 제1고분자 물질을 선택하는 단계를 더 추가하고, 상기 제1나노입자와 상기 제1용매의 극성 수준이 유사한 것으로 판별될 경우, 상기 제1나노입자와 상기 제1고분자 물질의 혼합이 우수한 것으로 예측할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치는 두 가지 이상의 성분 물질이 질량비를 달리하여 혼합된 단일상의 혼합용액 복수 개가 단계적으로 극성이 증가하거나 감소하도록 배치된 복수 개의 용매 어레이와, 상기 복수의 용매 어레이 중 하나의 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 평가 대상 물질을 투입하는 물질 투입부를 포함한다.

이러한 실시예에 따르면, 상기 평가 대상 물질로 인한 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하여, 상기 경계 위치에 있는 상분리된 혼합용액의 극성값과 분산된 혼합용액의 극성값의 범위 내에서 상기 평가 대상 물질의 극성값(polarity index)을 추정할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서의 장치는, 상기 복수 개의 혼합용액의 극성값 정보를 가지고, 상기 평가 대상 물질로 인한 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하여 상기 평가 대상 물질의 극성값(polarity index)을 추정하는 극성 판별부를 더 포함할 수 있다.

여기서 평가 대상 물질은 복수의 서로 다른 나노입자 또는 특정 용매일 수 있는데, 서로 다른 나노입자 또는 특정 용매의 혼합으로 인한 용매 어레이 혼합용액의 상분리 여부에 따른 경계 위치를 각각 비교하여 각 나노입자간 또는 나노입자와 특정 용매간 상대적 극성 수준의 유사 여부를 판별할 수 있다.

또한 상기 나노입자와 특정 용매간 상대적 극성 수준이 유사할 경우, 상기 나노입자와 상기 특정 용매와 동일 또는 유사한 표면장력을 가지는 고분자 물질 간에 극성 수준이 유사하여 서로 분산되는 것으로 예측할 수 있다.

이는 소정의 나노혼합재를 제조하기 위하여 선택된 나노입자와 고분자 물질이 있을 경우, 상호간의 분산성 또는 혼합도를 예측하기 위해서 고분자 물질과 유사한 표면 장력을 가지는 특정 용매를 이용하는 것이다.

본 발명은 절대적이고 정량적인 비교가 어려운 나노입자 표면 극성을 응집체 또는 파우더 형태가 아닌 입자 상태에서 정확하게 상대적으로 비교, 평가할 수 있으며, 나노입자의 종류에 따른 극성 차이나 표면처리에 따라 달라지는 나노입자의 극성 차이를 정량적으로 간편하게 평가하는 방법과 장치를 제공하는 효과가 있다.

또한 나노입자를 이용한 고분자 혼합재 제조시 기존에는 혼합된 복합소재의 나노입자 분포 또는 분산성을 사후에 직접 확인하는 방법 위주로 진행되었는데, 본 발명을 통해 나노고분자 혼합재 제조 이전에 미리 고분자 물질과 나노입자의 분산성을 예측할 수 있어 나노입자의 기능적 특성이 제대로 발현되고, 보다 효율적인 나노복합재 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법의 흐름도이다.
도 3은 도 2의 평가 방법의 일 실시예에 따른 나노입자의 상분리 이미지이다.
도 4는 도 2의 평가 방법의 일 실시예에 따른 다른 나노입자의 상분리 이미지이다.
도 5는 도 2의 평가 방법의 다른 일 실시예에 따른 액상 고분자 물질의 상분리 이미지이다.

이하, 본 발명의 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법과 장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 실시 예들은 본 발명의 실시 예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　

본 발명을 설명함에 있어, “용매 어레이”는 혼합용액이 배열된 집합 모듈로 정의한다.

본 발명에서 “혼합용액”은 혼합용액 또는 혼합용매를 모두 포함하는 개념이며 이들 물질이 담긴 셀 또는 용기들도 통칭하는 것으로 정의한다.

본 발명에서 “평가 대상 물질”은 극성 수준을 비교 또는 평가하고자 하는 시험 대상의 나노입자(유체) 또는 특정 용매나 혼합물인 것으로 물질을 한정하지 않는다.

본 발명에서 “나노입자”는 주로 나노입자유체를 의미하는 것이고 물리적 상태에 제한되지 않는다.

또한 본 발명에서 “혼합용액의 경계” 또는 “혼합용액의 경계 위치”는 용매 어레이에 포함된 혼합용액 또는 혼합용매가 담긴 용기들의 배열에 있어서 분산상(disperse phase)의 용기와 분리상(separated phase)의 용기 사이를 의미한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치의 개념도이다.

도 1에 도시된 나노입자 극성 및 분산성 평가 장치는 복수 개의 용매 어레이(100,200 등)와 각 용매 어레이에 서로 다른 평가 대상 물질을 동량으로 투입하는 복수 개의 물질 투입부(300,400 등)로 구성된다.

복수의 용매 어레이(100, 200 등) 각각은 테스트하는 대상물질의 종류에 따라 하나의 표준시약용액 모듈로 동일하게 테스트에 제공된다.

용매 어레이(100, 200 등) 각각은 복수 개의 혼합용액이 포함된 셀 또는 용기들이 배열된 모듈인데, 이하에서는 혼합용액이 포함된 셀 또는 용기를 편의상 혼합용액으로 표현하기로 한다.

도 1에는 예시적으로 제1 용매 어레이(100)에 포함된 복수 개의 혼합용액(101~108)과 제2 용매 어레이(200)에 포함된 복수 개의 혼합용액(201~208)을 도시하였으나 이에 한정되지 않으며 혼합용액의 개수와 용매 어레이의 개수는 증가되거나 감소될 수 있다.

다만, 평가 대상 물질이 두 개 이상일 경우 상기 대상물질 각각을 테스트하는 용매 어레이와 그에 포함된 혼합용액의 상태와 조건은 동일하여야 객관적인 상대적 극성 수준 비교가 가능하다.

용매 어레이에 포함된 복수 개의 혼합용액의 개수는 제한되지 않으며, 단일상의 혼합 용매로서 극성이 단계적으로 변하도록 배치된다. 즉, 극성이 점차 증가하거나 감소하는 방향으로 복수 개의 혼합용액이 배치된다.

각 혼합용액(혼합용매)는 인접하는 혼합용액(혼합용매)와 극성값(polarity index) 차이를 가지며 점진적으로 증가되도록 배치되거나 감소되도록 배치될 수 있다.

복수 개의 혼합용액은 동일한 두 가지 이상의 성분 물질이 질량비를 달리하여 단일상으로 혼합되어 극성 차이를 가지게 된다.

복수 개의 혼합용액이 각각 동일한 양으로 구성될 수도 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니며 동량이 아니더라도 점진적으로 극성이 증가하거나 감소하도록 배치될 수 있다.

실시예에 따라서 상기 성분 물질은 극성이 상대적으로 높은 물과 극성이 상대적으로 낮은 하나 이상의 유기용매로 구성될 수 있으며, 이때 유기용매는 물과의 분산성이 높은 유기용매 중에서 선택될 수 있다.

바람직하게는 상기 무극성 유기용매로서 이소프로필알콜(IPA), 테트라하이드로푸란(THF), 프로판올 중에서 선택할 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.

경우에 따라서 복수의 용매 어레이에 있어 최대 극성값을 가지는 혼합용액은 물로 대체될 수 있다. 즉, 최대 극성값의 혼합용액 위치에 순수 물(distilled water)이 배치될 수 있다.

표준시약용액 모듈로 활용하기 위한 일 실시예로서, 극성 차이를 가지면서 복수 개의 혼합용액의 극성값을 단계적으로 증가시키거나 혹은 감소시키면서 배치하여 용매 어레이를 구성할 때 물과 이소프로필알콜(IPA)의 질량비 차이를 달리하면서 조정할 수 있다.

본 발명의 장치에 있어서 물질 투입부(300,400 등)는 평가 대상 물질마다 달리하여 사용될 수 있다. 즉, 복수의 용매 어레이 중 하나의 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 평가 대상 물질(10, 20)을 투입한다. 평가 대상 물질은 바람직하게는 동량으로 투입될 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.

도 1의 실시예에서 제1 나노입자와 제2 나노입자의 서로 다른 나노입자간의 상대적 극성 수준을 비교하거나 또는 용매에서의 분산성을 평가하기 위해서, 제1 나노입자(10)는 제1 용매 어레이(100)의 혼합용액(101~108) 각각에 제1 물질 투입부(300)를 통해 혼입되고, 제2 나노입자(20)는 제2 용매 어레이(200)의 혼합용액(201~208) 각각에 제2 물질 투입부(400)를 통해 혼입된다.

이 때 제1나노입자와 제2나노입자는 화학적으로 서로 다른 종류의 물질이거나, 동일한 물질이어도 표면처리에 따라 형태, 구조적 특징과 같은 물리적 특성이 다른 물질일 수 있다.

본 발명에 따른 나노입자의 극성 및 분산성 평가장치는 이들 평가 대상 물질로 인한 혼합용액의 상분리 경계를 확인하여 상기 평가 대상 물질의 극성값 수준을 추정하게 된다.

즉, 제1나노입자와 제2나노입자 각각의 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하고, 상기 경계 위치에 있는 상분리된 혼합용액의 극성값과 분산된 혼합용액의 극성값의 범위 내에서 제1나노입자와 제2나노입자의 각 극성값(polarity index)을 추정할 수 있다.

여기서 극성값의 추정은 정확한 정량적 값을 의미하는 것은 아니며, 제1나노입자의 추정된 극성값 수준과 제2나노입자의 추정된 극성값 수준을 비교하여 양자간 상대적인 극성 정도를 비교하는 것일 수 있다.

확장적 실시예로서, 다수의 나노입자들을 도 1의 평가 장치에 의해 상대적 극성 수준을 서로 비교할 수 있다. 이들 나노입자의 극성 수준은 용매에서의 분산성 또는 나노혼합재 주성분인 고분자 물질에서의 균일한 혼합성을 예측하는데 활용된다.

한편, 혼합용액의 상분리 경계는 단계적으로 증가, 또는 감소하는 표준시약용액들 중에서 상분리 또는 분산상의 차이가 발생하는 혼합용액을 기준으로 지정하거나, 상분리 또는 분산상의 차이가 발생하는 해당 혼합용액의 성분물질, 일례로 유기용매와 물의 함량비를 기준으로 하여 지정할 수 있다

상분리 경계는 육안으로 관찰하여 평가할 수 있으나 기계 장치를 이용하여 물리적 평가방법으로 측정할 수 있다.

도 1에는 육안으로 평가 대상 물질의 상분리 경계를 확인하는 경우를 상정하여 도시하지 않았으나, 본 발명에 따른 다른 실시예로서 나노입자의 극성 및 분산성 평가장치는 극성 판별부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라서 상기 극성 판별부는 전자적 장치로 구성될 수 있으며, 다양한 성분 물질의 조성비에 따라서 구성되는 복수의 용매 어레이의 혼합용액 각각의 극성값(polarity index) 정보가 입력되고, 평가 대상 물질의 상대적 극성수준의 정보가 설정되는 기준 또는 측정 방식에 따라 연산되고 결과값으로 저장 또는 출력될 수 있다.

즉, 상기 극성 판별부는 평가대상인 나노입자 물질 또는 특정 용매의 상대적 극성 수준 또는 상대적 극성값을 어떠한 방식으로 결정하느냐에 따라서 다양한 기준에 따른 일관성 있는 방식으로 도출되는 연산처리 장치를 포함할 수 있다.

일례로, 상기 극성 판별부는 용매 어레이의 혼합용액 각각에 대한 극성값 정보를 입력받고, 상기 용매 어레이의 혼합용액의 배열에서 특정 나노입자로 인해 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 자동 또는 수동으로 취득하여, 경계에 배치된 좌우 혼합용액의 극성값의 중간값을 상기 특정 나노입자의 상대적 극성 수준으로 설정할 수 있다. 혹은 다른 예로서, 상기 특정 나노입자의 상대적 극성 수준은 상분리된 경계에 좌우에 배치된 혼합용액의 극성값 범위 중에서 최소값 또는 최대값으로 특정되는 어느 하나의 극성값으로 설정될 수도 있다.

이러한 방식으로 테스트되는 다양한 종류의 나노입자 또는 표면처리된 나노입자, 또는 특정 용매의 상대적 극성 수준 또는 극성의 비교우위를 판별할 수 있다.

일례로, 평가 대상 물질이 복수의 서로 다른 나노입자일 경우, 상기 극성 판별부는 각 나노입자의 혼합으로 인한 용매 어레이 혼합용액의 분산 상태 및 상분리 상태의 경계를 각각 비교하여 경계에 배치된 좌우 혼합용액의 극성값의 중간값으로 상대적 극성 수준을 판별하고 그 유사한 정도를 판별할 수 있다.

또한, 다른 실시예로서 평가 대상 물질이 나노입자와 특정 용매일 경우, 상기 극성 판별부는 상기 나노입자와 상기 특정 용매의 혼합으로 인한 용매 어레이 혼합용액의 분산 상태 및 상분리 상태의 경계를 각각 비교하여 경계에 배치된 좌우 혼합용액의 극성값의 중간값으로 극성 수준을 판별할 때, 일치할 경우 상기 나노입자와 특정 용매 또는 상기 나노입자와 상기 특정 용매와 동일 또는 유사한 표면장력을 가지는 고분자 물질 간에 상대적 극성 수준이 유사한 것으로 판별할 수 있다.

다만, 상대적 극성 수준을 정확한 정량적 수치로 판단하기 어려운 바, 극성값이 아닌 상분리된 경계 위치를 비교하여 경계가 일치하거나 일치하는 것으로 볼 일정 범위 내에 있다면 상기 나노입자와 상기 특정 용매, 또는 상기 나노입자와 상기 특정 용매와 유사한 표면장력을 가지는 고분자 물질 간에 극성이 유사한 것으로 판별할 수 있다.

극성이 유사한 것으로 판별되면 상기 나노입자와 상기 특정 용매와 유사한 표면장력을 가지는 고분자 물질은 서로 잘 분산하거나 균일하게 혼합되는 것으로 예측할 수 있다.

상대적 극성 수준을 판별하는 단계는, 동일한 극성 배열 조건의 용매 어레이를 제작하여 복수의 용매 어레이를 대상으로 서로 다른 나노입자 물질 또는 특정 용매를 투입하여 혼합용액의 분산 상태와 상분리 상태의 경계를 확인하고 비교하여 그 경계가 일치할 경우 유사한 극성값을 가지는 것으로 판별하는 것이지만, 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 용매 어레이에 구비된 혼합용액의 개수와 조건에 따라서 경계가 일치하지 않고 소정의 범위 내에서 상분리 경계가 나타나는 것이면 유사한 극성값을 가지는 것으로 판별할 수도 있음은 물론이다.

만일 복수의 용매 어레이의 혼합용액의 구성에 있어서 물과 물에서의 용해도가 높은 무극성 용매로 혼합하고, 최대 극성값을 가지는 혼합용액을 물로 대체하여 형성할 경우, 특정 나노입자가 혼입되었을 때 모든 혼합용액에서 상분리가 일어나지 않았다면 상기 극성 판별부는 상기 특정 나노입자의 상대적 극성 수준을 물과 같은 높은 극성 수준으로 평가할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법의 흐름도를 나타낸다. 본 발명에 따르면 나노입자의 종류와 표면처리되어 나노입자의 물리화학적 성질을 특정하거나 규명하기 어려운 나노입자, 및 고분자 물질 사이의 상대적 극성값을 추정, 판별할 수 있기 때문에 나노입자 혼합재 또는 나노입자를 이용한 고분자 물질의 기능성 개선시 미리 분산성을 용이하게 예측할 수 있다.

도 2의 평가방법에 따라서 수행된 결과 이미지는 도 3 내지 도 5에 나타내었으며 이하에서는 이를 구체적으로 설명하고자 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 나노입자 극성 및 분산성 평가 방법은 그 실시 측면에 따라, S10, S20, S30, S40으로 이어지는 나노입자 간 상대적 극성 수준 판별 또는 극성의 유사여부 판별한다. 그리고, 다른 실시 측면에 따라 S100, S200의 단계를 거쳐 S10, S20, S300, S400의 단계로 나노입자와 특정 유기용매에 대한 상대적 극성 수준 판별 또는 극성의 유사여부 판별하며, S100, S200의 단계를 거쳐 S10, S20, S300, S400, S500의 단계를 거쳐 나노입자와 유기용매 또는 나노입자와 고분자 물질의 분산성이나 혼합의 균일도를 예측한다.

도 2의 실시예에 따르면 먼저 용매 어레이를 제조하여 준비한다(S10).

용매 어레이는 도 1에서 설명한 바와 같이 복수의 혼합용액이 극성값이 일정 수준으로 점진적으로 증가 또는 감소되도록 배치된 표준시약용액 모듈인 것이다.

일례로 높은 극성을 가지는 물과 낮은 극성을 가지는 유기용매를 다양한 혼합비로 혼합함으로써 다양한 극성을 가지는 혼합용매를 표준시약용액으로 제조한다.

일반적으로 유기용매는 물과 혼합되지 않으나 IPA(이소프로필알콜), THF(테트라하이드로퓨란), 프로판올 등은 물과 혼합되면서도 물에 비해 상대적으로 낮은 극성을 가지기 때문에 표준시약용액 제조에 이용될 수 있다.

물의 극성값(polarity index)은 9.0로 최고 수준인 반면, 이소프로필알콜, 테트라하이드로퓨란, 프로판올 등의 각 극성값(polarity index)은 3.9, 4.0, 4.0 의 수준이다.

물과 각 유기용매(하나 또는 하나 이상의 조합)를 다양한 혼합비로 혼합하여 그 혼합비에 따라 다양한 극성을 가지는 표준시약용액(혼합용액)들을 제조할 수 있으며, 도 3 내지 도 5에 개시된 바와 같이 8개~10개의 혼합용액으로 구성될 수 있다.

표준시약용액의 개수는 제한되지 않으나 비교 조건을 동일하게 하기 위하여 비교할 대상물질이 복수 개인 경우 동일한 표준시약용액의 개수로 구성된 용매 어레이를 사용하는 것이 바람직하다.

용매 어레이가 형성된 후 소정의 제1나노입자를 상기 용매 어레이의 혼합용액 각각에 투입하고 그 제1나노입자가 용액 속에서 잘 분산되는지 상분리를 일으키는지 확인한다(S20).

이는 극성값이 변하도록 배치된 표준시약용액들에 제1나노입자를 분산시켜 그 분산성을 평가함으로써 다양한 극성 환경에서의 그 나노입자의 분산성이 확인하는 과정이다.

도 3의 실시예에서는 용매 어레이는 이소프로필알콜(IPA)과 물(DI)을 6:0 ~ 0:6의 질량 비율로 순차적으로 혼합하여 표준시약용액(혼합용액)들을 제조한 것이다. 이후 제1나노입자로서 Aerosil R972 실리카 나노입자를 0.8 wt%의 농도로 투입하여 24시간 후에 촬영하였다.

도 3의 사진 이미지에서 Aerosil R972 실리카 나노입자의 각 분산액을 살펴보면, A 위치의 경계를 기준으로 상기 제1나노입자인 Aerosil R972 실리카 나노입자의 상 분리 거동이 확연하게 나타남을 확인하였다.

제1나노입자인 Aerosil R972 실리카 입자는 도 3의 경계에서 좌측 방향으로 배치된 혼합용액(IPA 함량이 더 많아서 극성이 더 낮은 표준시약용액)에서는 분산상을 유지하지만, 우측 방향으로 배치된 혼합용액(물 함량이 더 많아서 극성이 더 높은 표준시약용액)에서는 상분리가 발생한다. 즉, 제1나노입자인 Aerosil R972 실리카 입자는 낮은 극성을 가져서 극성이 낮은 용액에서 분산상이 안정되며, 표준시약용액 IPA:DI(1.5:4.5)와 IPA:DI(1.4:4.6) 사이에서 분산상의 경계를 가지는 것을 확인할 수 있다.

실시예에 따라서는 제1나노입자의 상분리가 표준시약용액(혼합용액) IPA:DI(1.5:4.5)와 표준시약용액(혼합용액) IPA:DI(1.4:4.6)을 경계로 발생하였으므로, 극성 판별부가 제1나노입자의 상대적 극성 수준을 경계의 좌우 혼합용액인 IPA:DI(1.5:4.5)와 IPA:DI(1.4:4.6)의 극성값 범위 내의 특정값으로 추정할 수 있다.

도 2의 평가 방법에서 제1나노입자의 상분리를 확인한 후 제2나노입자를 동일한 조건의 용매 어레이에 투입하여 상분리를 확인한다(S30).

이는 제1나노입자와 제2나노입자의 극성 수준을 상대적인 추정치로 확인하고자 하는 것인데, 도 3의 실험조건에서 동일한 용매 어레이의 혼합용액에 다른 종류의 나노입자를 투입하여 상분리의 경계를 확인하는 것이다.

도 4에서는 다른 제2나노입자로서 Aerosil200 나노입자를 대상으로 동일 조건의 용매 어레이에 포함된 표준시약용액(혼합용액)에 혼입하여 얻은 결과를 나타내었다.

제2나노입자인 Areosil200에서는 경계가 완전히 오른쪽으로 이동하여 전체 혼합용액이 가지는 극성 영역에 대해서 고른 분산성을 확인하였다. 이는 제2나노입자가 모든 극성 영역에서 혼합이 가능함을 예측하게 한다.

즉, 제2나노입자인 Aerosil200 실리카 입자가 높은 극성을 가져서 높은 극성의 물에도 분산되는 것을 확인할 수 있다는 것인데, 이를 통해 제2나노입자인 aerosil200의 극성을 물과 유사하게 높은 것으로 판별할 수 있다.

또한 이를 통해 S40의 단계에서 제1나노입자인 aerosil R972와 제2나노입자인 aerosil200의 상대적 극성 수준을 판별할 때, 제1나노입자인 aerosil R972의 극성이 제2나노입자인 aerosil200 극성보다 낮은 것으로 상대적 극성 수준을 판별할 수 있다.

S40의 판별 단계에서, 극성값이 오른쪽으로 증가하면서 배치되는 용매 어레이의 각 표준시약용액 시험 결과 도 3과 같이 상분리 경계가 상대적으로 왼쪽으로 치우쳐 나타날 경우, 그 나노입자는 낮은 극성을 가지고, 반대로 상분리 경계가 오른쪽으로 치우치거나 도 4와 같이 오른쪽으로 완전히 이동하여 경계가 발생하기 않는 경우 그 나노입자는 높은 극성을 가지는 것으로 상대적인 극성 수준을 판별할 수 있다.

즉, 서로 다른 나노입자를 동일한 용매 어레이의 각 표준시약용액에 대해서 혼입, 비교했을 때, 분산상(disperse phase)의 차이가 발생하는 표준시약용액의 경계가 상대적으로 왼쪽 편에 치우쳐 나타날 경우 그 나노입자는 다른 나노입자에 대해 상대적으로 더 낮은 극성을 가지는 것이고, 낮은 극성의 용매에 더 분산되기 쉽다는 것을 예측할 수 있다. 반대로 분산상(disperse phase)과 분리상(separated phase)의 경계가 오른편으로 치우치는 경우 그 나노입자는 다른 나노입자에 대해 상대적으로 더 높은 극성을 가지고, 극성값이 높은 용매에 더 분산되기 쉬움을 예측할 수 있다.

본 발명의 나노입자간 극성 수준을 판별하는 방법으로서 S10, S20, S30, S40의 단계를 다수의 나노입자를 대상으로 실시하여 나노입자간 극성의 수준을 상대적으로 비교 평가할 수 있다.

도 2의 일 측면의 평가 방법으로서 S100, S200의 단계를 거쳐 S10, S20, S300, S400, S500의 루트를 참조하면, 나노입자와 특정 용매, 또는 나노입자와 상기 나노입자와의 나노혼합재를 제조하고자 하는 고분자 물질간의 상대적 극성 수준의 비교, 분산성 또는 혼합의 균일도에 대한 예측이 가능하다.

상기 S100, S200의 단계는 S10의 단계를 진행하는 것과 그 순서에 상관없이 진행될 수 있다.

도 2에 따르면, 나노혼합재를 만들고자 하는 나노입자(여기서는 제1나노입자)와 그 나노입자가 혼합되는 제1고분자 물질을 선정한다(S100).

나노입자와 고분자 물질은 서로 분산되거나 혼합되지 않기 때문에 직접적으로 분산도를 추정하거나 극성을 비교할 수 없다.

따라서 본 발명의 평가 방법을 활용하기 위해 S200 단계에서 상기 고분자 물질과 표면장력이 동일 또는 유사한 유기용매를 선정한다.

그런 다음 도 2의 S10 및 S20 단계에서 진행된 제1나노입자의 상분리 거동을 확인한 후, S20 단계에서 제1나노입자를 시험한 동일 조건의 용매 어레이의 복수의 혼합용액에 대하여 상기 유기용매를 투입하고 그 상분리를 확인한다(S300).

그러면 서로 다른 나노입자간 극성 수준을 판별하는 것과 마찬가지로 용매 어레이의 혼합용액의 상분리 경계면에서 제1나노입자와 유기용매의 상대적 극성 수준을 비교하여 극성의 우위를 판별할 수 있으며 상대적 극성값을 추정할 수도 있다. 아울러 상호간의 분산성을 예측할 수 있다(S400).

다음으로 S400 단계에서 추정된 제1나노입자와 유기용매의 극성 유사 정도와 분산성의 예측을 바탕으로 제1나노입자와 제1고분자 물질 간의 분산 또는 혼합의 균일 정도를 예측할 수 있다(S500).

도 5에서의 용매 어레이는 상기 도 3 및 도 4에서 사용된 용매 어레이와 완전히 일치하지 않으나 혼합 성분 물질과 성분비가 유사하되, 이소프로필알콜(IPA)과 물(DI)의 질량의 혼합비 구간을 세부적으로 더 확장한 것이다.

도 5는 유기용매로서 자일렌(xylene)을 용매 어레이의 IPA:DI 혼합 표준시약용액에 각각 투입하여 24시간 후에 분산성을 관찰한 사진 이미지이다.

도 5의 이미지에서 알 수 있듯이, 표준시약용액 IPA:DI(1.8:4.2), IPA:DI(1.7:4.3) 사이를 경계로 상분리가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 자일렌의 상대적 극성 수준이 낮고, 자일렌이 상대적으로 낮은 극성 용매에서 분산, 혼합되는 것으로 추정할 수 있다.

도 5의 실험에 사용된 자일렌은 일반적으로 폴리에틸렌 고분자 물질과 비슷한 표면장력을 가진다.

폴리에틸렌 고분자 물질에 나노입자를 혼합하고자 할 경우 실험적으로 폴리에틸렌의 극성값을 측정하기 어려운 반면, 표면장력이 유사한 자일렌은 도 5의 실험에서 보듯이 상대적 극성 수준을 추정할 수 있으므로 이를 통해 간접적으로 폴리에틸렌의 극성 수준을 유추할 수 있다.

일례로 도 2의 S100 단계에서 선정된 폴리에틸렌의 표면장력이 자일렌의 표면장력과 유사하므로, S200 단계에서 자일렌을 선정하여 S10과 S20을 거친 제1나노입자와 자일렌의 상분리 경계 위치를 확인하여 극성의 유사정도와 분산성을 예측할 수 있으며(S400), 나아가 이를 통해 폴리에틸렌과 제1나노입자의 분산성이나 혼합의 균일성을 예측할 수 있다(S500).

도 3과 도 4의 실험예와 도 5의 실험예를 비교하면, 도 5의 자일렌의 상분리가 나타나는 표준시약용액 경계 위치는 도 3의 제1나노입자인 aerosil R972과 더 가까운 것을 알 수 있다.

따라서 자일렌과 나노입자 aerosil R972의 극성 수준이 유사한 것으로 추정할 수 있으며, 나아가 자일렌과 표면장력이 유사한 고분자 물질은 aerosil R972 나노입자와 고른 균일도로 혼합될 것으로 예측할 수 있다. 상기 예시에서 폴리에틸렌 고분자 물질과 aerosil R972의 분산성이 우수하거나 잘 혼합되는 것으로 예측할 수 있다.

또한 도 4의 제2나노입자인 areosol200은 상분리가 나타나지 않은 높은 극성 수준이어서 자일렌과의 극성 수준이 상이하여 분산성이 떨어질 것으로 예상할 수 있다.

결국 자일렌은 나노입자 aerosil R972, areosol200 중에서 aerosil R972와 더 유사한 극성을 가지므로, 자이렌은 aerosil R972와 혼합했을 때 분산성이 우수할 것으로 판단할 수 있다.

본 발명을 통해서 고분자 물질이나 나노입자, 또는 표면처리된 나노입자의 정확한 정량적 극성치를 측정하지 않아도 나노혼합재를 제조하거나 나노혼합용액을 제조하기 전의 분산성을 용이하게 추정, 예측할 수 있다.

또한 본 발명은 나노복합재를 제조함에 있어 사전에 나노입자의 선정, 나노입자의 표면처리 후 분산성 변화의 정량 비교, 고분자 물질에서의 나노입자의 분산성 예측에 편리하게 활용될 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

10, 20 : 나노입자
100, 200 : 용매 어레이
300, 400 : 물질 투입부

Claims (12)

1. 단계적으로 극성이 증가하거나 감소하도록 복수의 혼합용액이 배열된 복수의 용매 어레이를 형성하는 단계;
   상기 복수의 용매 어레이 중 제1 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 제1나노입자를 혼합하고 상기 제1 용매 어레이의 혼합용액 각각의 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하는 단계;
   상기 복수의 용매 어레이 중 제2 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 제1나노입자와 서로 다른 제2나노입자를 혼합하고 상기 제2 용매 어레이의 혼합용액 각각의 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하는 단계; 및
   상기 제1나노입자와 상기 제2나노입자의 혼합으로 인한 제1 용매 어레이 및 제2 용매 어레이의 상분리 경계 위치를 비교하여 제1나노입자와 제2나노입자간의 상대적 극성 수준을 비교하는 단계를 포함하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 상대적 극성 수준을 비교하는 단계는,
   상기 제1 용매 어레이의 복수의 혼합용액의 분산 상태 및 상분리 상태의 경계와 상기 제2 용매 어레이의 복수의 혼합용액의 분산 상태 및 상분리 상태의 경계가 일치할 경우 상기 제1나노입자와 상기 제2나노입자가 유사한 극성값(polarity index)을 가지는 것으로 판별하고, 일치하지 않을 경우 상기 제1나노입자와 상기 제2나노입자의 극성 수준의 우위를 판별하는 것을 특징으로 하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1나노입자의 극성값(polarity index)과 상기 제2나노입자의 극성값(polarity index)은 상분리된 혼합용액의 극성값과 그에 인접하는 혼합용액의 극성값의 범위 내에서 특정되는 어느 하나의 극성값인 것으로 추정되는 것을 특징으로 하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 용매 어레이를 형성하는 단계는,
   상기 복수의 혼합용액으로서 두 가지 이상의 성분 물질의 질량비를 달리하여 혼합한 단일상의 혼합용매를 제조하고, 단계적으로 극성이 증가하거나 감소하도록 배열하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 성분 물질은 물(H2O)과 적어도 하나 이상의 유기용매이고,
   최대 극성값의 혼합용액 위치에 순수 물(distilled water)이 배치되는 것을 특징으로 하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 유기용매는 이소프로필알콜(IPA), 테트라하이드로푸란(THF), 프로판올 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법.
7. 단계적으로 극성이 증가하거나 감소하도록 복수의 혼합용액이 배열된 복수의 용매 어레이를 형성하는 단계;
   상기 복수의 용매 어레이 중 제1 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 제1나노입자를 혼합하고 상기 제1 용매 어레이의 혼합용액 각각의 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하는 단계;
   상기 복수의 용매 어레이 중 제2 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 제1용매를 혼합하고 상기 제2 용매 어레이의 혼합용액 각각의 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하는 단계;
   상기 제1나노입자와 상기 제1용매의 혼합으로 인한 제1 용매 어레이 및 제2 용매 어레이의 상분리 경계 위치를 비교하여 제1나노입자와 제1용매간의 상대적 극성 수준을 판별하는 단계; 및
   상기 제1나노입자와 상기 제1용매의 극성 수준이 유사한 것으로 판별될 경우, 상기 제1나노입자가 상기 제1용매에 대해 분산되는 것으로 예측하는 단계를 포함하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1용매와 동일 또는 유사한 표면장력을 가지는 제1고분자 물질을 선택하는 단계를 더 추가하고,
   상기 제1나노입자와 상기 제1용매의 극성 수준이 유사한 것으로 판별될 경우, 상기 제1나노입자와 상기 제1고분자 물질의 혼합이 우수한 것으로 예측하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 방법.
9. 두 가지 이상의 성분 물질이 질량비를 달리하여 혼합된 단일상의 혼합용액 복수 개가 단계적으로 극성이 증가하거나 감소하도록 배치된 복수 개의 용매 어레이; 및
   상기 복수의 용매 어레이 중 하나의 용매 어레이에 포함된 혼합용액 각각에 평가 대상 물질을 투입하는 물질 투입부를 포함하고,
   상기 평가 대상 물질로 인한 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하고, 상기 경계 위치에 있는 상분리된 혼합용액의 극성값과 분산된 혼합용액의 극성값의 범위 내에서 상기 평가 대상 물질의 극성값(polarity index)을 추정하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 복수 개의 혼합용액의 극성값 정보를 가지고, 상기 평가 대상 물질로 인한 상분리 여부에 따른 혼합용액의 경계 위치를 확인하여 상기 평가 대상 물질의 극성값(polarity index)을 추정하는 극성 판별부를 더 포함하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치.
11. 제9항에 있어서,
    상기 평가 대상 물질은 복수의 서로 다른 나노입자 또는 특정 용매이고,
    상기 서로 다른 나노입자 또는 특정 용매의 혼합으로 인한 용매 어레이 혼합용액의 상분리 여부에 따른 경계 위치를 각각 비교하여 각 나노입자간 또는 나노입자와 특정 용매간 상대적 극성 수준의 유사 여부를 판별하고,
    상기 나노입자와 특정 용매간 상대적 극성 수준이 유사할 경우, 상기 나노입자와 상기 특정 용매와 동일 또는 유사한 표면장력을 가지는 고분자 물질 간에 극성 수준이 유사하여 서로 분산되는 것으로 예측하는 것을 특징으로 하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치.
12. 제9항에 있어서,
    상기 성분 물질은 물(H₂O), 및 이소프로필알콜(IPA), 테트라하이드로푸란
    (THF), 프로판올 중에서 선택된 어느 하나의 유기용매인 것을 특징으로 하는 나노입자의 극성 및 분산성 평가 장치.

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