KR102592128B1 - Metal-organic framework with 3d hierarchical porous structure and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
개시된 금속-유기 골격체는, 100nm 내지 1㎛의 직경을 가지며 3차원으로 연결되는 정렬된 마이크로 기공 및 상기 마이크로 기공과 연결되며 직경이 1nm 내지 10nm인 나노 기공을 갖는다. 이러한 금속-유기 골격체는 마이크로 기공을 통해 유체의 원할한 이동을 가능하게 하여 압력 강하를 감소시킬 수 있으며, 나노 기공으로 인해 큰 비표면적을 가질 수 있다.The disclosed metal-organic framework has three-dimensionally connected aligned micro-pores with a diameter of 100 nm to 1 μm and nanopores with a diameter of 1 nm to 10 nm and connected to the micro-pores. This metal-organic framework can reduce pressure drop by enabling smooth movement of fluid through micropores, and can have a large specific surface area due to nanopores.
Description
본 발명은 다공성 구조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 3차원 계층적 다공성 구조의 금속-유기 골격체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to porous structures. More specifically, it relates to a metal-organic framework with a three-dimensional hierarchical porous structure and a method for manufacturing the same.
나노 크기의 기공을 지니는 다공성 소재들은 동일 질량/부피 대비 매우 큰 표면적을 지닐 수 있어 높은 표면 밀도가 필요한 촉매/이온 교환/에너지 분야 등의 응용 분야에 활용될 수 있다(특허문헌 1, 비특허문헌 1). 특히, 10 나노미터 이하 규모의 미세 나노구조에서는 비표면적이 극대화될 수 있으며, 일례로 촉매분야에서는 수 나노미터 수준의 나노구조를 갖는 소재에서 그 효율이 가장 높다고 보고된 바 있다.Porous materials with nano-sized pores can have a very large surface area compared to the same mass/volume, so they can be used in application fields such as catalyst/ion exchange/energy fields that require high surface density (Patent Document 1, Non-Patent Document One). In particular, the specific surface area can be maximized in fine nanostructures of 10 nanometers or less, and for example, in the field of catalysts, it has been reported that the efficiency is highest in materials with nanostructures of several nanometers.
이에 따라, 넓은 표면적의 구조체를 제조하기 위하여 기공의 크기를 수 나노미터 수준으로 낮추어 주기 위한 연구가 많이 수행되었다. 실제로 효율적인 기체의 분리 및 포집을 위해서는, 2 nm 이하의 기공을 형성시켜 목표 기체와 다공성 소재의 벽면과의 상호작용을 증가시켜 주는 것이 바람직하다. 하지만 기공의 크기가 작아질수록 반응 물질이 구조 내부로 확산되는 속도가 급격히 감소하며, 이로 인해 오히려 성능 저하가 발생할 수 있다. 또한, 기체의 경우 다공성 구조를 통과할 때, 압력 강하가 발생하며, 이러한 현상은 다공성 소재의 기상 촉매 및 응용 분야 활용을 제한할 수 있다.Accordingly, much research has been conducted to reduce the pore size to several nanometers in order to manufacture structures with a large surface area. In fact, for efficient gas separation and collection, it is desirable to form pores of 2 nm or less to increase the interaction between the target gas and the wall of the porous material. However, as the size of the pores decreases, the rate at which reactive substances diffuse into the structure rapidly decreases, which may lead to performance degradation. Additionally, when gas passes through a porous structure, a pressure drop occurs, and this phenomenon may limit the use of porous materials as gas-phase catalysts and applications.
상기의 문제점들을 해결하기 위한 구조로, 계층적 나노 구조가 제안되었다. 계층적 나노 구조는 다양한 기공 크기의 혼합을 통해 압력 강하를 낮추면서도 비표면적을 증가시킬 수 있다. 다양한 형태의 제조법을 통해 서로 다른 규모의 나노구조가 결합한 3차원 계층적 나노구조를 제작하는 방법이 제시되었으나, 종래의 방법들에 따르면, 랜덤(random)한 형태의 구조가 얻어지거나, 정렬된 형태의 3차원 나노구조에 우연을 통한 계층적 구조가 제작되었다(비특허문헌 2).As a structure to solve the above problems, a hierarchical nanostructure was proposed. Hierarchical nanostructures can increase specific surface area while lowering pressure drop through mixing various pore sizes. Methods for producing three-dimensional hierarchical nanostructures combining nanostructures of different scales have been proposed through various manufacturing methods. However, according to conventional methods, random structures are obtained or aligned structures are obtained. A hierarchical structure was created by chance in the three-dimensional nanostructure (Non-patent Document 2).
본 발명의 일 과제는, 직경이 1㎛ 이하인 정렬된 나노구조와 직경이 10 nm이하인 미세 나노구조가 계층적으로 결합된 3차원 계층적 나노 구조를 갖는 금속-유기 골격체를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a metal-organic framework having a three-dimensional hierarchical nanostructure in which aligned nanostructures with a diameter of 1 μm or less and fine nanostructures with a diameter of 10 nm or less are hierarchically combined.
본 발명의 다른 과제는 상기 금속-유기 골격체의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for producing the metal-organic framework.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, and may be expanded in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention.
상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 금속-유기 골격체는, 100nm 내지 1㎛의 직경을 가지며 3차원으로 연결되는 정렬된 마이크로 기공 및 상기 마이크로 기공과 연결되며 직경이 1nm 내지 10nm인 나노 기공을 갖는다.The metal-organic framework according to exemplary embodiments of the present invention for achieving the above-described object of the present invention includes aligned micro pores having a diameter of 100 nm to 1 μm and connected in three dimensions, and the micro pores It is connected and has nanopores with a diameter of 1 nm to 10 nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속-유기 골격체의 제조 방법은, 다공성 주형을 형성하는 단계, 상기 다공성 주형의 기공 내에 유기 리간드 전구체를 제공하는 단계, 상기 다공성 주형과 결합된 상기 유기 리간드 전구체에 금속 이온을 제공하여 금속-유기 전구체를 합성하는 단계 및 상기 다공성 주형을 제거하여, 상기 금속-유기 전구체 내에 나노 기공과 연결되며 3차원으로 서로 연결되는 정렬된 마이크로 기공을 형성하는 단계를 포함한다.A method for producing a metal-organic framework according to an embodiment of the present invention includes forming a porous template, providing an organic ligand precursor in the pores of the porous template, and adding an organic ligand precursor to the organic ligand precursor bound to the porous template. Providing metal ions to synthesize a metal-organic precursor and removing the porous template to form aligned micropores connected to nanopores in the metal-organic precursor and connected to each other in three dimensions.
일 실시예에 따르면, 상기 마이크로 기공은 100nm 내지 1㎛의 직경을 가지며 상기 나노 기공은 1nm 내지 10nm의 직경을 갖는다.According to one embodiment, the micro pores have a diameter of 100 nm to 1 ㎛ and the nano pores have a diameter of 1 nm to 10 nm.
일 실시예에 따르면, 상기 유기 리간드 전구체는, 벤젠-1,4-디카르복실산(benzene-1,4-dicarboxylic acid), 벤젠-1,3,5-트리카르복실산(benzene-1,3,5-tricarboxylic acid), 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 에탄디오산(ethanedioic acid), 프로판디오산(propanedioic acid), 부탄디오산(butanedioic acid), 펜탄디오산(pentanedioic acid), o-프탈산(o-phthalic acid), m-프탈산(m-phthalic acid), p-프탈산(p-phthalic acid), 2-히드록시-1,2,3-프로판트리카르복실산(2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid), 1H-1,2,3-트리아졸(1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-트리아졸(1H-1,2,4-triazole) 및 3,4-디히드록시-3-사이클로부텐-1,2-디온(3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.According to one embodiment, the organic ligand precursor is benzene-1,4-dicarboxylic acid, benzene-1,3,5-tricarboxylic acid (benzene-1, 3,5-tricarboxylic acid, 2-methylimidazole, ethanedioic acid, propanedioic acid, butanedioic acid, pentanedioic acid ), o-phthalic acid, m-phthalic acid, p-phthalic acid, 2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid (2 -hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid), 1H-1,2,3-triazole (1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-triazole (1H-1, At least one selected from the group consisting of 2,4-triazole) and 3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione Includes.
일 실시예에 따르면, 상기 유기 리간드 전구체에 금속 이온을 제공하기 위하여, 아연(Zn), 구리(Cu), 니텔(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 말간(Mn), 크롬(Cr), 카드뮴(Cd), 마그네슘 (Mg), 칼슘(Ca), 지르코늄(Zr), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu) 및 터븀(Tb)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 이온을 포함하는 용액에 상기 다공성 주형을 침지한다.According to one embodiment, in order to provide metal ions to the organic ligand precursor, zinc (Zn), copper (Cu), nitel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), malganese (Mn), chromium ( A solution containing at least one ion selected from the group consisting of Cr), cadmium (Cd), magnesium (Mg), calcium (Ca), zirconium (Zr), gadolinium (Gd), europium (Eu) and terbium (Tb). The porous mold is immersed in.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 이온을 포함하는 용액은, 용매로서 물(탈이온수), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 아세톤(acetone), 아세토니트릴(acetonitrile), 벤젠(benzene), 사염화탄소(carbon tetrachloride), 클로로포름(chloroform), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 시클로헥산(cyclohexane), 다이메톡시에탄(dimethoxyethane), 다이에틸포름아마이드(diethylformamide), 다이옥세인(dioxane), 에테르(ether), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 글리세린(glycerin), 펜탄(pentane), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 메틸(methyl), t-부틸 에테르(t-butyl ether), 자일렌(xylene), t-부틸 알코올(t-butyl alcohol) 및 톨루엔(toluene)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함한다.According to one embodiment, the solution containing the metal ion includes water (deionized water), methanol, ethanol, propanol, butanol, dimethylformamide, Ethylene glycol, tetrahydrofuran, acetone, acetonitrile, benzene, carbon tetrachloride, chloroform, methylene chloride, cyclohexane (cyclohexane), dimethoxyethane, diethylformamide, dioxane, ether, ethyl acetate, glycerin, pentane, hexane ( selected from the group consisting of hexane, heptane, methyl, t-butyl ether, xylene, t-butyl alcohol, and toluene. Contains at least one
일 실시예에 따르면, 상기 다공성 주형은 근접장 나노패터닝에 의해 형성된다.According to one embodiment, the porous mold is formed by near-field nanopatterning.
일 실시예에 따르면, 상기 다공성 주형은, 60℃ 이하에서 산소 플라즈마에 의해 제거된다.According to one embodiment, the porous template is removed by oxygen plasma at temperatures below 60°C.
일 실시예에 따르면, 상기 다공성 주형은 고분자를 포함한다.According to one embodiment, the porous template includes a polymer.
일 실시예에 따르면, 상기 금속-유기 골격체가 상기 다공성 주형의 기공을 충진하도록, 상기 다공성 주형의 기공 내에 유기 리간드 전구체를 제공하는 단계 및 상기 다공성 주형과 결합된 상기 유기 리간드 전구체금속-유기 골격체의 제조 방법.에 금속 이온을 제공하는 단계는 반복적으로 수행된다.According to one embodiment, providing an organic ligand precursor in the pores of the porous template so that the metal-organic framework fills the pores of the porous template, and the organic ligand precursor metal-organic framework bonded to the porous template. The step of providing metal ions to the manufacturing method is performed repeatedly.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 3차원으로 연결된 정렬된 마이크로 기공과 나노 기공의 계층적 기공 구조를 갖는 금속-유기 골격체가 얻어질 수 있다. 이러한 금속-유기 골격체는 마이크로 기공을 통해 유체의 원할한 이동을 가능하게 하여 압력 강하를 감소시킬 수 있으며, 나노 기공으로 인해 큰 비표면적을 가질 수 있다.As described above, according to exemplary embodiments of the present invention, a metal-organic framework having a hierarchical pore structure of three-dimensionally connected aligned micro-pores and nano-pores can be obtained. This metal-organic framework can reduce pressure drop by enabling smooth movement of fluid through micropores, and can have a large specific surface area due to nanopores.
본 발명에서와 같이 주기적인 구조를 갖는 다공성 주형을 이용하여 금속-유기 골격체를 제조할 경우, 합성 과정에서 전구체 양 대비 골격체의 부피가 증가하고, 부피 증가를 고르게 유도함에 따라 균일한 구조를 얻을 수 있다.When manufacturing a metal-organic framework using a porous template with a periodic structure as in the present invention, the volume of the framework increases relative to the amount of precursor during the synthesis process, and the volume increase is evenly induced to form a uniform structure. You can get it.
또한, 다양한 소재와 형태의 다공성 주형을 이용하여 다양한 응용 분야에서 적합한 형태를 갖는 금속-유기 골격체를 형성할 수 있다.In addition, porous templates of various materials and shapes can be used to form metal-organic frameworks with shapes suitable for various application fields.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-유기 골격체의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-유기 골격체의 제조 방법에서, 다공성 주형, 중간 복합체 및 금속-유기 골격체를 도시한 모식도이다.
도 7은 실시예 1에서 금속-유기 골격체의 합성 횟수 반복에 따른 다공성 주형이 배치된 웨이퍼의 디지털 사진이다.
도 8은 실시예 1에서 탬플릿(다공성 주형) 제거 전 후 금속-유기 골격체의 단면(Cross) 및 평면(Top)을 보여주는 SEM(주사전자현미경) 사진이다. 1 to 5 are cross-sectional views showing a method for manufacturing a metal-organic framework according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a schematic diagram showing a porous template, an intermediate composite, and a metal-organic framework in a method for producing a metal-organic framework according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a digital photograph of a wafer on which a porous template was placed according to the number of repetitions of synthesis of the metal-organic framework in Example 1.
Figure 8 is a SEM (scanning electron microscope) photograph showing the cross section and top view of the metal-organic framework before and after removal of the template (porous mold) in Example 1.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 금속-유기 골격체 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, a metal-organic framework and a method for manufacturing the same according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can be subject to various changes and can take various forms, specific embodiments will be illustrated and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In the attached drawings, the dimensions of the structures are enlarged from the actual size for clarity of the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, or a combination thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or numbers. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of steps, operations, components, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-유기 골격체의 제조 방법을 도시한 단면도들이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속-유기 골격체의 제조 방법에서, 다공성 주형, 중간 복합체 및 금속-유기 골격체를 도시한 모식도이다.1 to 5 are cross-sectional views showing a method for manufacturing a metal-organic framework according to an embodiment of the present invention. Figure 6 is a schematic diagram showing a porous template, an intermediate composite, and a metal-organic framework in a method for producing a metal-organic framework according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 베이스 기판(100) 상에 접착막(112) 및 포토레지스트막(120)을 형성한다. Referring to FIG. 1, an adhesive film 112 and a photoresist film 120 are formed on the base substrate 100.
일 실시예에 따르면, 상기 베이스 기판(100)은, 유리, 실리콘, 쿼츠 등과 같은 비도전성 물질을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 베이스 기판(100)은 금속 등과 같은 도전성 물질을 포함하거나, 도전성 물질과 비도전성 물질의 적층 구조를 가질 수도 있다.According to one embodiment, the base substrate 100 may include a non-conductive material such as glass, silicon, quartz, etc. However, embodiments of the present invention are not limited to this, and the base substrate 100 may include a conductive material such as metal, or may have a laminate structure of a conductive material and a non-conductive material.
일 실시예에 따르면, 상기 접착막(112)은 상기 베이스 기판(100)의 상면을 노출하는 개구부를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 접착막(112)은 포토레지스트 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판 상에 제1 포토레지스트 물질을 스핀 코팅 공정을 통해 도포할 수 있다. 도포된 상기 제1 포토레지스트 물질을, 예를 들면, 약 60 ℃ 내지 약 100 ℃ 범위의 온도에서 예비 열처리를 수행할 수 있다. 다음으로, 상기 개구부에 대응하는 영역을 마스킹 한 후, 자외선 등과 같은 광원을 이용하여 노광하고 현상함으로써 비노광 영역을 제거하여 상기 개구부를 형성할 수 있다. 다음으로, 약 100℃ 내지 약 250℃ 범위의 온도의 핫 플레이트(hot plate)를 이용하여 하드 베이킹(hard baking) 처리하여 상기 접착막(112)을 형성할 수 있다.According to one embodiment, the adhesive film 112 may have an opening exposing the top surface of the base substrate 100. For example, the adhesive film 112 may be formed of a photoresist material. For example, a first photoresist material may be applied on the substrate through a spin coating process. The applied first photoresist material may be subjected to preliminary heat treatment, for example, at a temperature ranging from about 60°C to about 100°C. Next, the area corresponding to the opening can be masked, exposed using a light source such as ultraviolet rays, and developed to remove the unexposed area to form the opening. Next, the adhesive film 112 can be formed by hard baking using a hot plate at a temperature ranging from about 100°C to about 250°C.
상기 포토레지스트막(120)은 상기 개구부를 충진함으로써, 상기 베이스 기판(100)과 접촉할 수 있다.The photoresist film 120 may contact the base substrate 100 by filling the opening.
예를 들어, 상기 접착막(112) 및 상기 베이스 기판(100)의 노출된 상면 상에 제2 포토레지스트 물질을 스핀 코팅 공정을 통해 도포한 후, 예를 들면 약 60℃ 내지 약 100℃ 범위의 온도로 소프트 베이킹(soft baking) 처리하여 상기 포토레지스트막(120)을 형성할 수 있다.For example, after applying a second photoresist material on the exposed upper surface of the adhesive film 112 and the base substrate 100 through a spin coating process, for example, in the range of about 60°C to about 100°C. The photoresist film 120 may be formed by soft baking at a temperature.
상기 접착막(110) 및 상기 포토레지스트막(120) 형성을 위한 상기 제1 포토레지스트 물질 및 제2 포토레지스트 물질로서 동종 혹은 이종의 포토레지스트 물질을 사용할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 물질 및 제2 포토레지스트 물질로서 에폭시 기반의 네거티브 톤(negative-tone) 포토레지스트 또는 DNQ 기반의 포지티브 톤(positive-tone) 포토레지스트를 사용할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 포토레지스트 물질 및 제2 포토레지스트 물질로서 광가교성을 갖는 유-무기 하이브리드 물질, 하이드로 젤, 페놀릭 수지 등을 사용할 수 있다.The same or different photoresist materials may be used as the first and second photoresist materials for forming the adhesive film 110 and the photoresist film 120. In some embodiments, an epoxy-based negative-tone photoresist or a DNQ-based positive-tone photoresist may be used as the first photoresist material and the second photoresist material. In one embodiment, an organic-inorganic hybrid material with photocrosslinking properties, a hydrogel, a phenolic resin, etc. may be used as the first photoresist material and the second photoresist material.
도 2, 도 3 및 도 6을 참조하면, 상기 포토레지스트막(120)을 노광하고, 현상하여 3차원 다공성 주형(130)을 형성한다. Referring to FIGS. 2, 3, and 6, the photoresist film 120 is exposed and developed to form a three-dimensional porous mold 130.
일 실시예에 따르면, 상기 포토레지스트막(120)에는 3차원 분포 광을 제공한다. 상기 3차원 노광은 근접장 나노패터닝(Proximity-field NanoPatterning, PnP) 공정을 통해 수행될 수 있다.According to one embodiment, three-dimensional distributed light is provided to the photoresist film 120. The three-dimensional exposure may be performed through a proximity-field nanopatterning (PnP) process.
상기 PnP 방법에 있어서, 예를 들면 엘라스토머(elastomer) 물질을 포함하는 위상 마스크(MK)에 투과되는 빛의 간섭 현상으로부터 발생된 주기적인 3차원 분포가 활용되어 포토레지스트와 같은 고분자 물질이 패터닝될 수 있다. 예를 들면, 표면에 요철 격자 구조가 형성된 유연한 탄성체 기반의 위상 마스크(MK)를 상기 포토레지스트막에 접촉시키면 반 데르 발스(Van der Waals) 힘에 기반하여 상기 위상 마스크가 자연적으로 상기 포토레지스트막 표면에 밀착(예를 들면, 콘포멀(conformal) 접촉)할 수 있다. In the PnP method, for example, a periodic three-dimensional distribution generated from the interference phenomenon of light transmitted through a phase mask (MK) containing an elastomer material can be utilized to pattern a polymer material such as photoresist. there is. For example, when a flexible elastomer-based phase mask (MK) with a concavo-convex lattice structure formed on the surface is brought into contact with the photoresist layer, the phase mask is naturally formed on the photoresist layer based on Van der Waals force. It may be in close contact with the surface (e.g., conformal contact).
상기 위상 마스크의 격자 주기와 유사한 범위의 파장을 갖는 레이저를 상기 위상 마스크(MK) 표면에 조사하면 탈봇 효과에 의해 3차원적인 빛의 분포가 형성될 수 있다. 네거티브 톤의 포토레지스트를 사용하는 경우, 보강 간섭으로 빛이 강하게 형성된 부분만 선택적으로 포토레지스트의 가교가 일어나고 상대적으로 빛이 약한 나머지 부분은 가교를 위한 노광량(exposure dose)이 충분하지 못하기 때문에 현상(developing) 과정에서 용해되어 제거될 수 있다. 최종적으로 건조(drying) 과정을 거치면 상기 레이저의 파장 및 상기 위상 마스크의 디자인에 따라 수 백 나노미터(nm) ~ 수 마이크로미터(㎛) 수준의 주기적인 3차원 구조가 네트워크로 연결된 다공성 고분자 구조가 형성될 수 있다. When a laser having a wavelength similar to the grating period of the phase mask is irradiated to the surface of the phase mask (MK), a three-dimensional distribution of light can be formed by the Talbot effect. When using a negative tone photoresist, crosslinking of the photoresist occurs selectively only in areas where light is strong due to constructive interference, and the exposure dose for crosslinking is not sufficient for the remaining areas where light is relatively weak, causing this phenomenon. It can be dissolved and removed during the development process. Finally, after going through the drying process, a porous polymer structure in which a periodic three-dimensional structure at the level of hundreds of nanometers (nm) to several micrometers (㎛) is connected to a network depending on the wavelength of the laser and the design of the phase mask is formed. can be formed.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 PnP 방법에 사용되는 위상 마스크의 패턴 주기 및 입사광의 파장을 조절하여 다공성 고분자 구조의 기공 사이즈 및 주기성을 조절할 수 있다.According to exemplary embodiments, the pore size and periodicity of the porous polymer structure can be adjusted by adjusting the pattern period of the phase mask used in the PnP method and the wavelength of incident light.
상기 PnP 방법에 대한 보다 상세한 내용은 본 출원에 참조로서 병합되는 논문 J. Phys. Chem. B 2007, 111, 12945-12958; Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 12428; Adv. Mater. 2004, 16, 1369 또는 대한민국 공개특허공보 제2006-0109477호(공개일 2006.10.20)에 개시되어 있다.More details on the PnP method can be found in the paper J. Phys, incorporated herein by reference. Chem. B 2007, 111, 12945-12958; Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004, 101, 12428; Adv. Mater. It is disclosed in 2004, 16, 1369 or Republic of Korea Patent Publication No. 2006-0109477 (published on October 20, 2006).
일부 실시예들에 있어서, 상기 PnP 방법에 사용되는 상기 위상 마스크는 폴리디메틸실록산(polydimetyl siloxane: PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate: PUA), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether: PFPE) 등의 물질을 포함할 수 있다. In some embodiments, the phase mask used in the PnP method is made of polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane acrylate (PUA), perfluoropolyether (PFPE), etc. May contain substances.
일 실시예에 따르면, 상기 포토레지스트막(120)이 네거티브 톤 포토레지스트로 형성된 경우, 현상액에 의해 비노광부가 제거되고 노광부가 잔류할 수 있다. 이에 따라, 3차원 나노 기공을 포함하는 3차원 다공성 주형(130)을 얻을 수 있다 수 있다. 상기 현상액으로서 예를 들면, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate: PGMEA)가 사용될 수 있다.According to one embodiment, when the photoresist film 120 is formed of a negative tone photoresist, the non-exposed area may be removed by a developer and the exposed area may remain. Accordingly, a three-dimensional porous mold 130 containing three-dimensional nanopores can be obtained. For example, propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA) may be used as the developer.
예를 들면, 상기 3차원 다공성 주형(130)은 약 100 nm 내지 약 2,000 nm 범위의 나노 스케일의 기공들이 3차원적으로 서로 연결되거나 또는 부분적으로 서로 연결된 채널을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 3차원 다공성 주형(130)은 상기 채널들에 의해 주기적인 분포의 3차원 네트워크 구조를 포함할 수 있다.For example, the three-dimensional porous template 130 may include a channel in which nanoscale pores ranging from about 100 nm to about 2,000 nm are three-dimensionally connected or partially connected to each other. Accordingly, the three-dimensional porous mold 130 may include a three-dimensional network structure with periodic distribution by the channels.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 다공성 주형(130)은 PnP 방법을 이용하여 얻어질 수 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 3차원 다공성 주형(130)은 파티클 자가 조립법, 간섭 리소그래피(Interference Lithography), 직접 쓰기법(Direct Laser Writing), 이광자 리소그래피(2-photon Lithography) 등의 방법으로 형성될 수도 있다.According to one embodiment, the three-dimensional porous mold 130 may be obtained using a PnP method, but embodiments of the present invention are not limited thereto. For example, the three-dimensional porous mold 130 may be formed by methods such as particle self-assembly, interference lithography, direct laser writing, and two-photon lithography.
도 4 및 도 6을 참조하면, 상기 3차원 다공성 주형(130)의 기공 내에 유기 리간드 전구체를 제공한다. 다음으로, 상기 3차원 다공서 주형(130)의 기공 내에 금속 이온을 제공한다. 상기 유기 리간드 전구체와 상기 금속 이온이 반응함에 따라, 상기 3차원 다공성 주형(130)의 기공 내에 금속-유기 골격체(131)가 형성된다. 상기 금속-유기 골격체(131)와 상기 다공성 주형(130)은 복합체(132)를 형성할 수 있다.Referring to Figures 4 and 6, an organic ligand precursor is provided in the pores of the three-dimensional porous template 130. Next, metal ions are provided into the pores of the three-dimensional porous mold 130. As the organic ligand precursor and the metal ion react, a metal-organic framework 131 is formed within the pores of the three-dimensional porous template 130. The metal-organic framework 131 and the porous template 130 may form a composite 132.
상기 기공 내에 상기 금속-유기 골격체를 충진하거나, 적정 크기를 형성하기 위하여, 상기 유기 리간드 전구체와 상기 금속 이온을 제공하는 단계는 반복될 수 있다. In order to fill the metal-organic framework in the pores or form an appropriate size, the steps of providing the organic ligand precursor and the metal ion may be repeated.
상기 유기 리간드 전구체는 상기 기공 내벽에 결합되거나, 먼저 형성된 금속-유기 골격체에 결합될 수 있다.The organic ligand precursor may be bound to the inner wall of the pore or may be bound to a previously formed metal-organic framework.
예를 들어, 상기 유기 리간드 전구체는, 벤젠-1,4-디카르복실산(benzene-1,4-dicarboxylic acid), 벤젠-1,3,5-트리카르복실산(benzene-1,3,5-tricarboxylic acid), 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 에탄디오산(ethanedioic acid), 프로판디오산(propanedioic acid), 부탄디오산(butanedioic acid), 펜탄디오산(pentanedioic acid), o-프탈산(o-phthalic acid), m-프탈산(m-phthalic acid), p-프탈산(p-phthalic acid), 2-히드록시-1,2,3-프로판트리카르복실산(2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid), 1H-1,2,3-트리아졸(1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-트리아졸(1H-1,2,4-triazole) 및 3,4-디히드록시-3-사이클로부텐-1,2-디온(3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.For example, the organic ligand precursor is benzene-1,4-dicarboxylic acid, benzene-1,3,5-tricarboxylic acid, 5-tricarboxylic acid, 2-methylimidazole, ethanedioic acid, propanedioic acid, butanedioic acid, pentanedioic acid, o-phthalic acid, m-phthalic acid, p-phthalic acid, 2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid (2-hydroxy -1,2,3-propanetricarboxylic acid), 1H-1,2,3-triazole (1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-triazole (1H-1,2, 4-triazole) and 3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione (3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione) or a combination thereof.
예를 들어, 상기 금속 이온은, 아연(Zn), 구리(Cu), 니텔(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 말간(Mn), 크롬(Cr), 카드뮴(Cd), 마그네슘 (Mg), 칼슘(Ca), 지르코늄(Zr), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu) 및 터븀(Tb)에서 선택된 적어도 하나의 이온을 포함할 수 있다.For example, the metal ions include zinc (Zn), copper (Cu), nitel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), malganese (Mn), chromium (Cr), cadmium (Cd), and magnesium. (Mg), calcium (Ca), zirconium (Zr), gadolinium (Gd), europium (Eu), and terbium (Tb).
상기 금속-유기 골격체는, 금속 이온과 유기 리간드의 조합에 따라 다양한 미세 구조를 가질 수 있다. 또한, 골격 구조에 의해 나노 기공(예를 들어, 직경이 약 1nm 내지 10nm)을 형성한다.The metal-organic framework may have various microstructures depending on the combination of metal ions and organic ligands. Additionally, nanopores (for example, about 1 nm to 10 nm in diameter) are formed by the skeletal structure.
예를 들어, 상기 금속 이온을 제공하기 위하여 상기 금속을 함유하는 금속염 또는 이의 수화물이 용해된 용액이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 이온이 아연 이온일 경우, Zn(NO3)2.6H2O, Zn(CH3CO2)2.6H2O, Zn(CH3COO)2.6H2O, ZnCl2.6H2O ZnBr2.6H2O 또는 이들의 조합을 포함하는 용액이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 이온이 코발트 이온일 경우, Co(NO3)2.6H2O, Co(CH3CO2)2.6H2O, Co(CH3COO)2.6H2O, CoCl2.6H2O, CoBr2.6H2O 또는 이들의 조합을 포함하는 용액이 이용될 수 있다. For example, a solution in which a metal salt or a hydrate thereof containing the metal is dissolved may be used to provide the metal ion. For example, when the metal ion is a zinc ion, Zn(NO 3 ) 2.6H 2 O, Zn(CH 3 CO 2 ) 2.6H 2 O, Zn(CH 3 COO) 2.6H 2 O, ZnCl A solution containing 2.6H 2 O ZnBr 2.6H 2 O or a combination thereof may be used. For example, when the metal ion is a cobalt ion, Co(NO 3 ) 2.6H 2 O, Co(CH 3 CO 2 ) 2.6H 2 O, Co(CH 3 COO) 2.6H 2 O, CoCl Solutions containing 2.6H 2 O, CoBr 2.6H 2 O or combinations thereof may be used.
예를 들어, 상기 금속 이온 용액 또는 상기 유기 리간드 전구체를 용해하기 위한 용액의 용매로는, 물(탈이온수), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 아세톤(acetone), 아세토니트릴(acetonitrile), 벤젠(benzene), 사염화탄소(carbon tetrachloride), 클로로포름(chloroform), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 시클로헥산(cyclohexane), 다이메톡시에탄(dimethoxyethane), 다이에틸포름아마이드(diethylformamide), 다이옥세인(dioxane), 에테르(ether), 에틸아세테이트(ethyl acetate), 글리세린(glycerin), 펜탄(pentane), 헥산(hexane), 헵탄(heptane), 메틸(methyl), t-부틸 에테르(t-butyl ether), 자일렌(xylene), t-부틸 알코올(t-butyl alcohol), 톨루엔(toluene) 또는 이들의 조합이 이용될 수 있다.For example, solvents for dissolving the metal ion solution or the organic ligand precursor include water (deionized water), methanol, ethanol, propanol, butanol, and dimethyl. Dimethylformamide, ethylene glycol, tetrahydrofuran, acetone, acetonitrile, benzene, carbon tetrachloride, chloroform, methylene chloride ( methylene chloride, cyclohexane, dimethoxyethane, diethylformamide, dioxane, ether, ethyl acetate, glycerin, pentane (pentane), hexane, heptane, methyl, t-butyl ether, xylene, t-butyl alcohol, toluene ) or a combination thereof may be used.
예를 들어, 상기 유기 리간드 전구체를 포함하는 용액에 상기 다공성 주형(130)을 침지한 후, 건조하여 상기 용매를 제거한다. 다음으로, 상기 유기 리간드 전구체와 결합된 상기 다공성 주형(130)을 상기 금속 이온을 포함하는 용액에 침지하여 상기 금속 이온과 상기 유기 리간드 전구체의 반응을 진행함으로써 상기 금속-유기 골격체가 얻어질 수 있다.For example, the porous template 130 is immersed in a solution containing the organic ligand precursor, and then dried to remove the solvent. Next, the porous template 130 combined with the organic ligand precursor is immersed in a solution containing the metal ion to proceed with a reaction between the metal ion and the organic ligand precursor, thereby obtaining the metal-organic framework. .
추가적으로, 상기 금속 이온과 상기 유기 리간드 전구체의 반응을 촉진하기 위하여 열을 가하거나, pH를 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 온도는 약 80℃ 내지 약 150℃일 수 있다. 상기 온도가 과도하게 낮으면 반응이 충분히 진행되기 어려우며, 상기 온도가 과도하게 높으면 얻어진 금속-유기 골격체의 기공률이 저하되거나 다공성 주형의 변형에 의해 마이크로 기공의 배열이 불균일해질 수 있다.Additionally, heat may be applied or pH may be adjusted to promote the reaction between the metal ion and the organic ligand precursor. For example, the heating temperature may be about 80°C to about 150°C. If the temperature is excessively low, it is difficult for the reaction to proceed sufficiently, and if the temperature is excessively high, the porosity of the obtained metal-organic framework may decrease or the arrangement of micropores may become uneven due to deformation of the porous template.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 3차원 다공성 주형을 제거하여, 마이크로 기공(130')을 갖는 금속-유기 골격체(140)를 얻는다.Referring to Figures 5 and 6, the three-dimensional porous template is removed to obtain a metal-organic framework 140 having micropores 130'.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 3차원 다공성 주형은 열처리, 습식 에칭 또는 플라즈마 처리를 통해 제거될 수 있다.According to example embodiments, the three-dimensional porous mold may be removed through heat treatment, wet etching, or plasma treatment.
상기 열처리는 약 400 ℃ 내지 약 1,000 ℃ 온도에서 수행될 수 있으며, 예를 들면 공기 혹은 산소 분위기에서 수행될 수 있다. 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스가 상기 열처리를 위한 분위기에 추가될 수도 있다.The heat treatment may be performed at a temperature of about 400° C. to about 1,000° C., for example, in an air or oxygen atmosphere. An inert gas such as argon (Ar) may be added to the atmosphere for the heat treatment.
상기 플라즈마 처리는 산소 플라즈마 처리 또는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching: RIE) 공정을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 3차원 다공성 주형을 제거하는 과정에서, 상기 금속-유기 골격체(140)의 변형을 방지하기 위하여 저온, 예를 들어 약 100℃ 이하에서, 바람직하게 약 60℃ 이하에서, 산소 플라즈마가 제공될 수 있다.The plasma treatment may include oxygen plasma treatment or reactive ion etching (RIE) process. Preferably, in the process of removing the three-dimensional porous template, oxygen plasma is used at a low temperature, for example, at about 100°C or lower, preferably at about 60°C or lower, to prevent deformation of the metal-organic framework 140. may be provided.
다른 실시예에서, 다공성 주형은, 고분자와 다른 물질, 예를 들어 금속 또는 금속 산화물 등을 포함할 수 있다. 이러한 다공성 주형은, 고분자 다공성 주형을 다른 물질로 충진한 후 상기 고분자 다공성 주형을 제거하여 얻어질 수 있다. 예를 들어, 금속 다공성 주형은 질산, 황산, 불산 등과 같은 무기산을 포함하는 제거 용액을 이용하여 제거될 수 있다.In another embodiment, the porous template may include a material other than a polymer, such as a metal or metal oxide. Such a porous mold can be obtained by filling the polymer porous mold with another material and then removing the polymer porous mold. For example, the metal porous template can be removed using a removal solution containing an inorganic acid such as nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, etc.
상기 금속-유기 골격체(140)는 전체적으로 상기 3차원 다공성 주형의 역상의 형태를 가질 수 있으며, 상기 3차원 다공성 주형에 대응되며, 100nm 내지 1㎛의 직경을 갖는 마이크로 기공(130')과 상기 금속-유기 골격체(140)에 의해 형성되는, 직경이 약 1nm 내지 10nm인 나노 기공을 가질 수 있다.The metal-organic framework 140 may have an overall shape that is the inverse of the three-dimensional porous template, and may include micro pores 130' corresponding to the three-dimensional porous template and having a diameter of 100 nm to 1 ㎛ and the It may have nanopores formed by the metal-organic framework 140 and having a diameter of about 1 nm to 10 nm.
본 발명의 실시예에 따르면, 3차원으로 연결된 정렬된 마이크로 기공과 나노 기공의 계층적 기공 구조를 갖는 금속-유기 골격체가 얻어질 수 있다. 이러한 금속-유기 골격체는 마이크로 기공을 통해 유체의 원할한 이동을 가능하게 하여 압력 강하를 감소시킬 수 있으며, 나노 기공으로 인해 큰 비표면적을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a metal-organic framework having a hierarchical pore structure of three-dimensionally connected aligned micro-pores and nano-pores can be obtained. This metal-organic framework can reduce pressure drop by enabling smooth movement of fluid through micropores, and can have a large specific surface area due to nanopores.
본 발명에서와 같이 주기적인 구조를 갖는 다공성 주형을 이용하여 금속-유기 골격체를 제조할 경우, 합성 과정에서 전구체 양 대비 골격체의 부피가 증가하고, 부피 증가를 고르게 유도함에 따라 균일한 구조를 얻을 수 있다.When manufacturing a metal-organic framework using a porous template with a periodic structure as in the present invention, the volume of the framework increases relative to the amount of precursor during the synthesis process, and the volume increase is evenly induced to form a uniform structure. You can get it.
또한, 다양한 소재와 형태의 다공성 주형을 이용하여 다양한 응용 분야에서 적합한 형태를 갖는 금속-유기 골격체를 형성할 수 있다.In addition, porous templates of various materials and shapes can be used to form metal-organic frameworks with shapes suitable for various application fields.
이하에서는, 구체적인 실험예들에 통해 예시적인 실시예들에 따른 금속-유기 골격체 및 그 제조 방법에 대해 보다 상세히 설명한다. 상기 실험예들은 단지 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 상기 실험예에 제공된 내용으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the metal-organic framework and its manufacturing method according to exemplary embodiments will be described in more detail through specific experimental examples. The above experimental examples are provided merely as examples, and the scope of the present invention is not limited to the content provided in the above experimental examples.
실시예 1Example 1
1. 3차원 다공성 주형 제조1. Fabrication of 3D porous mold
실리콘 웨이퍼 위에 포토레지스트(상품명 SU-8 2, Micro Chem 사 제조)를 3,000 rpm 조건에서 30초 동안 스핀코팅을 통해 도포한 후, 핫플레이트에서 65℃에서 2분, 95℃에서 3분간 가열하였다. 다음으로 개구 영역이 가려진 크롬 마스크를 포토레지스트가 도포된 웨이퍼에 올린다. 365 nm 파장의 UV 램프에 30초간 노출시킨 뒤 120℃에서 5분간 포토레지스트를 가교시킨다. 다음으로, 현상액에 침지하여 개구 영역이 노출된 2차원 패턴의 접착막을 형성하였다.Photoresist (product name: SU-8 2, manufactured by Micro Chem) was applied on the silicon wafer by spin coating at 3,000 rpm for 30 seconds, and then heated on a hot plate at 65°C for 2 minutes and at 95°C for 3 minutes. Next, a chrome mask with the opening area covered is placed on the wafer coated with photoresist. After exposure to a UV lamp with a wavelength of 365 nm for 30 seconds, the photoresist is crosslinked at 120°C for 5 minutes. Next, it was immersed in a developer to form an adhesive film with a two-dimensional pattern with exposed opening areas.
상기 접착막이 형성된 기판에 새로운 포토레지스트 (SU-8 10, Micro Chem사 제조)를 1,700 rpm에서 30초간 스핀코팅을 통해 도포한 후, 핫플레이트에서 65℃에서 30분, 95℃에서 30분간 가열하였다. 상기 포토레지스트가 도포된 기판에 표면에 사각 배열을 지니는 요철 격자 구조가 형성된 유연한 탄성체 기반의 위상 마스크 (주기 600nm)를 접촉시키고, 355 nm 파장의 레이저를 조사한 후 60℃에서 6 분간 포토레지스트를 가열하였다. 다음으로, 현상액이 침지하고, 건조하여 3차원 다공성 주형을 얻었다.A new photoresist (SU-8 10, manufactured by Micro Chem) was applied to the substrate on which the adhesive film was formed by spin coating at 1,700 rpm for 30 seconds, and then heated on a hot plate at 65°C for 30 minutes and at 95°C for 30 minutes. . A flexible elastomer-based phase mask (period of 600 nm) with a concave-convex grid structure in a square arrangement is contacted with the photoresist-coated substrate, and the photoresist is heated at 60°C for 6 minutes after irradiating a laser with a wavelength of 355 nm. did. Next, the developer solution was immersed and dried to obtain a three-dimensional porous mold.
2. 금속-유기 골격체의 합성2. Synthesis of metal-organic framework
2-methylimidazol(Hmim) 2.596g 을 20ml 메탄올에 용해하여 리간드 용액을 준비하였다. 상기 리간드 용액에, 상기 3차원 다공성 주형이 위를 향하도록 웨이퍼를 침지한 후, magnetic stirrer로 170 rpm에서 7시간 이상 교반하였다. 다음으로, 상기 3차원 다공성 주형을 꺼내어 50℃에서 2시간 이상 건조하였다. 0.586g Zn(NO3)2ㅇ6H2O(질산 아연 헥사수화물)을 40ml 메탄올에 용해시켜 제조한 금속 이온 용액에 상기 다공성 주형과 웨이퍼가 지면과 수직 방향이 되도록 하여 3시간동안 교반 없이 침지하였다. 다공성 주형의 기공을 금속-유기 골격체로 충분히 채우기 위해 위의 합성 과정을 3회 이상 반복 수행하고, 최종 샘플이 완성된 후에 에탄올에 담가서 보관하였다가 건조하였다.A ligand solution was prepared by dissolving 2.596 g of 2-methylimidazol (Hmim) in 20 ml of methanol. The wafer was immersed in the ligand solution with the three-dimensional porous template facing upward, and then stirred at 170 rpm for more than 7 hours using a magnetic stirrer. Next, the three-dimensional porous mold was taken out and dried at 50°C for more than 2 hours. The porous mold and the wafer were immersed in a metal ion solution prepared by dissolving 0.586 g Zn(NO 3 ) 2 ㅇ6H2O (zinc nitrate hexahydrate) in 40 ml methanol for 3 hours without stirring in a direction perpendicular to the ground. In order to sufficiently fill the pores of the porous mold with the metal-organic framework, the above synthesis process was repeated three or more times, and after the final sample was completed, it was immersed in ethanol, stored, and dried.
3. 3차원 다공성 주형 제거3. Removal of 3D porous mold
산소 플라즈마 장비를 이용하여 40℃에서 3차원 다공성 주형을 제거하였다.The three-dimensional porous mold was removed at 40°C using an oxygen plasma equipment.
도 7은 실시예 1에서 금속-유기 골격체의 합성 횟수 반복에 따른 다공성 주형이 배치된 웨이퍼의 디지털 사진이다. 도 7을 참고하면, 합성 횟수에 따라, 다공성 주형의 충진도(색상)가 달라짐을 알 수 있다.Figure 7 is a digital photograph of a wafer on which a porous template was placed according to the number of repetitions of synthesis of the metal-organic framework in Example 1. Referring to Figure 7, it can be seen that the degree of filling (color) of the porous mold varies depending on the number of synthesis.
도 8은 실시예 1에서 탬플릿(다공성 주형) 제거 전 후 금속-유기 골격체의 단면(Cross) 및 평면(Top)을 보여주는 SEM(주사전자현미경) 사진이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 계층적 기공 구조를 갖는 금속-유기 골격체가 얻어진 것을 확인할 수 있다.Figure 8 is a SEM (scanning electron microscope) photograph showing the cross section and top view of the metal-organic framework before and after removal of the template (porous mold) in Example 1. Referring to FIG. 8, it can be seen that a metal-organic framework with a hierarchical pore structure was obtained according to an embodiment of the present invention.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described with reference to exemplary embodiments as described above, those skilled in the art will understand that the present invention can be varied without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it can be modified and changed.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 금속-유기 전구체는 공기 정화 기술, 센서, 전지 등과 같이 촉매 또는 이온 교환 구조체를 이용하는 다양한 산업 분야에 사용될 수 있다. Metal-organic precursors according to exemplary embodiments of the present invention can be used in various industrial fields that use catalysts or ion exchange structures, such as air purification technology, sensors, batteries, etc.
Claims (10)
상기 다공성 주형의 기공 내에 유기 리간드 전구체를 제공하는 단계;
상기 다공성 주형과 결합된 상기 유기 리간드 전구체에 금속 이온을 제공하여 금속-유기 전구체를 합성하는 단계; 및
60℃ 이하에서 산소 플라즈마에 의해 상기 다공성 주형을 제거하여, 상기 금속-유기 전구체 내에 직경이 1nm 내지 10nm인 나노 기공과 연결되며, 3차원으로 서로 연결되며 전체적으로 100nm 내지 1㎛의 직경을 가지는 정렬된 마이크로 기공을 형성하는 단계를 포함하는 금속-유기 골격체의 제조 방법.Forming a porous template containing a polymer and having a periodic three-dimensional structure using near-field nanopatterning;
providing an organic ligand precursor within the pores of the porous template;
synthesizing a metal-organic precursor by providing a metal ion to the organic ligand precursor combined with the porous template; and
By removing the porous template by oxygen plasma at 60°C or lower, nanopores with a diameter of 1 nm to 10 nm are connected within the metal-organic precursor, and aligned three-dimensionally connected to each other and having an overall diameter of 100 nm to 1 μm. A method for producing a metal-organic framework comprising forming micropores.
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RSC Advances, Vol.7, pp.52245-52251, 2017* |
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