KR102626369B1 - Circularly polarized light-responsive ferroelectric polymer and method of preparing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 새로운 원편광 감응 강유전성 고분자 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다. 상기 고분자 구조체는 공액 고분자의 나선형 구조로 인한 원편광 감응 능력을 가지며, 상기 나선형 구조에 강유전성 고분자가 계층적으로 결합되어 있다. 또한, 본 발명에서는 공액 고분자의 자기조립 과정을 활용하여 카이랄 전이제 및 강유전성 고분자 도입을 통해 상기 고분자 구조체를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 제조 방법은 용액 공정으로 경제적이고 간편하게 수행될 수 있다.The present invention provides a new circularly polarized light-sensitive ferroelectric polymer structure and a method for manufacturing the same. The polymer structure has circular polarization sensitivity due to the helical structure of the conjugated polymer, and ferroelectric polymers are hierarchically coupled to the helical structure. In addition, the present invention provides a method of manufacturing the polymer structure by introducing a chiral transfer agent and a ferroelectric polymer using the self-assembly process of conjugated polymers, and the manufacturing method can be economically and easily performed through a solution process.

Description

원편광 감응 강유전성 고분자 구조체 및 이의 제조방법{CIRCULARLY POLARIZED LIGHT-RESPONSIVE FERROELECTRIC POLYMER AND METHOD OF PREPARING THEREOF}Circularly polarized light-responsive ferroelectric polymer structure and method of manufacturing the same {CIRCULARLY POLARIZED LIGHT-RESPONSIVE FERROELECTRIC POLYMER AND METHOD OF PREPARING THEREOF}

본 발명은 원편광 감응이 가능한 강유전성 고분자 구조체 관한 것이다.The present invention relates to a ferroelectric polymer structure capable of responding to circularly polarized light.

본 발명은 원편광 감응이 가능한 강유전성 고분자 구조체 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a ferroelectric polymer structure capable of responding to circularly polarized light.

빛이 직진할 때에는 좌우, 위아래 등 모든 방향으로 진동하면서 뻗어나가며, 그 중 원을 그리며 나선형으로 나아가는 빛을 원편광이라 한다. 이렇게 특정 방향으로 회전하는 원편광의 특성을 반도체의 물리적 암호화에 적용할 경우, 소자의 물리적인 크기를 바꾸지 않고서도 암호화 키(key) 생성에 사용되는 조합의 수를 증가시킬 수 있어 물리적 복제나 해킹이 어려운 높은 보안성을 갖는 암호화 소자를 개발할 수 있으며, 최근 취약한 사물인터넷(IoT)의 보안문제 등으로 그 개발에 관심이 높다. When light travels straight, it vibrates and extends in all directions, including left and right, up and down, and light that travels in a spiral shape in a circle is called circularly polarized light. If the characteristic of circularly polarized light rotating in a specific direction is applied to the physical encryption of semiconductors, the number of combinations used to generate an encryption key can be increased without changing the physical size of the device, leading to physical duplication or hacking. It is possible to develop an encryption device with high security, which is difficult to achieve, and interest in its development is high due to recent security issues in the vulnerable Internet of Things (IoT).

한편, 강유전체는 외부 전기를 가하지 않아도 자발적 분극의 성질을 유지하는 물질로, 이러한 강유전체를 응용한 메모리는 전원을 끊어도 데이터를 유지하는 비휘발성 메모리이면서 저소비전력이 필요한 모바일 기기, 전원이 없는 IC카드 등에 적용될 수 있다. 유기재료 중 강유전성을 갖는 재료로는 불소계 고분자인 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)가 대표적이며, 유기 고분자의 경우 가볍고 형태 변화가 자유로운 특성으로 웨어러블 디바이스 등에 활용 가능성이 높다.Meanwhile, ferroelectric is a material that maintains the property of spontaneous polarization even without applying external electricity. Memory using such ferroelectric is a non-volatile memory that retains data even when the power is turned off, and is used in mobile devices that require low power consumption, IC cards without power, etc. It can be applied. Among organic materials, PVDF (Polyvinylidene Fluoride), a fluorine-based polymer, is a representative material with ferroelectricity. In the case of organic polymers, they are highly likely to be used in wearable devices due to their lightness and ability to change shape freely.

이에 강유전성 고분자에 전술한 원편광 감응 능력을 도입하여 새로운 소재를 개발하려는 노력이 있어왔으나, 강유전성 고분자를 원편광 감응이 가능한 나선형 나노 구조체로 형성하기 어렵고, 기존 나노 구조체의 제조는 화학적 개질화 방법을 통하여 많은 시간과 비용이 소요되며, 원편광 감응 물질은 평면성이 강한 π-컨쥬게이션 시스템으로 되어 있어 이를 대칭적으로 자르기(symmetry breaking) 어려운 문제가 있었다.Accordingly, efforts have been made to develop new materials by introducing the above-described circular polarization sensitivity ability to ferroelectric polymers. However, it is difficult to form ferroelectric polymers into helical nanostructures capable of circular polarization sensitivity, and the production of existing nanostructures requires a chemical modification method. It takes a lot of time and money to do so, and since circularly polarized light-sensitive materials are made of a π-conjugated system with strong planarity, it is difficult to symmetry break them.

본 발명자들은 원편광 감응이 가능한 새로운 강유전성 고분자 개발을 위한 방법을 연구하던 중, 블록 공중합체의 자기조립성질을 응용하여 원편광을 감응할 수 있는 계층적 나선형 구조의 강유전성 고분자 구조체를 개발하는 데 성공하여 본 발명을 완성하였다.While researching a method for developing a new ferroelectric polymer capable of responding to circularly polarized light, the present inventors succeeded in developing a ferroelectric polymer structure with a hierarchical helical structure that can respond to circularly polarized light by applying the self-assembly properties of block copolymers. Thus, the present invention was completed.

과제고유번호: SRFC-MA 1902-06Project identification number: SRFC-MA 1902-06

부처명: 삼성전자(주)Name of department: Samsung Electronics Co., Ltd.

과제관리(전문)기관명: 삼성미래기술육성센터Name of project management (professional) organization: Samsung Future Technology Development Center

연구사업명: 소재기술사업Research project name: Material technology business

연구과제명: 액상 투과전자현미경 e-beam 활용 in-situ 자기조립/중합 기반 다차원 아쿠아나노입자 균일합성 연구Research project name: Research on homogeneous synthesis of multidimensional aqua nanoparticles based on in-situ self-assembly/polymerization using liquid transmission electron microscope e-beam

기여율: 3/10Contribution rate: 3/10

과제수행기관명: 광주과학기술원Name of project carrying out organization: Gwangju Institute of Science and Technology

연구기간: 2021.01.01 ~ 2021.12.31Research period: 2021.01.01 ~ 2021.12.31

한국 공개특허 제2020-0018590호Korean Patent Publication No. 2020-0018590

본 발명은 원편광을 감응할 수 있는 강유전성 고분자 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a ferroelectric polymer structure capable of sensitive to circularly polarized light and a method for manufacturing the same.

1. 나선형으로 배열된 공액 디엔 제1 블록 및 상기 제1 블록에 결합된 제2 블록을 포함하는 블록 공중합체; 및 상기 제2 블록에 결합된 강유전성 고분자;를 포함하는 고분자 구조체.1. A block copolymer comprising a helically arranged conjugated diene first block and a second block bonded to the first block; And a ferroelectric polymer bonded to the second block.

2. 위 1에 있어서, 상기 공액 디엔 제1 블록은 3-알킬티오펜 단량체 유래 반복 단위를 포함하는 것인, 고분자 구조체.2. The polymer structure of 1 above, wherein the first conjugated diene block includes a repeating unit derived from a 3-alkylthiophene monomer.

3. 위 1에 있어서, 상기 제2 블록은 상기 제1 블록의 양 말단에 결합된 것인, 고분자 구조체.3. The polymer structure of 1 above, wherein the second block is bonded to both ends of the first block.

4. 위 1에 있어서, 상기 제2 블록은 아크릴레이트 계열 단량체 유래 반복 단위를 포함하는 것인, 고분자 구조체.4. The polymer structure of 1 above, wherein the second block includes a repeating unit derived from an acrylate-based monomer.

5. 위 1에 있어서, 상기 강유전성 고분자는 이소불화비닐을 포함하는 것인, 고분자 구조체.5. The polymer structure according to 1 above, wherein the ferroelectric polymer contains vinyl isofluoride.

6. 공액 디엔 제1 블록 및 이와 공중합 가능한 제2 블록으로 이루어진 블록 공중합체를 카이랄 전이제 및 강유전성 고분자 존재 하에 자기조립하는 단계를 포함하는 고분자 구조체 제조 방법.6. A method for producing a polymer structure comprising the step of self-assembling a block copolymer composed of a first conjugated diene block and a second block copolymerizable therewith in the presence of a chiral transfer agent and a ferroelectric polymer.

7. 위 6에 있어서, 상기 자기조립은 블록 공중합체에 대한 상대적인 용해도가 높은 용매를 포함하는 블록 공중합체 용액에 블록 공중합체에 대한 상대적인 용해도가 낮은 용매, 카이랄 전이제 및 강유전성 고분자를 첨가하여 두 용매의 용해도 차이로 인해 수행되는 것인, 고분자 구조체 제조 방법.7. In item 6 above, the self-assembly is performed by adding a solvent with a low relative solubility to the block copolymer, a chiral transfer agent, and a ferroelectric polymer to a block copolymer solution containing a solvent with a high relative solubility to the block copolymer. A method of manufacturing a polymer structure, which is performed due to the difference in solubility of the two solvents.

8. 위 7에 있어서, 상기 블록 공중합체는 poly(3-hexylthiophene)-b-poly(methyl methacrylate) (P3HT-b-PMMA)이고, 상기 용액의 용매는 테트라하이드로퓨란이고, 상기 용해도가 낮은 용매는 n-부틸아세테이트인, 고분자 구조체 제조 방법.8. In item 7 above, the block copolymer is poly(3-hexylthiophene)-b-poly(methyl methacrylate) (P3HT-b-PMMA), the solvent of the solution is tetrahydrofuran, and the low solubility solvent is n-butyl acetate, a method of producing a polymer structure.

9. 위 6에 있어서, 상기 공액 디엔 제1 블록은 3-알킬티오펜 단량체 유래 반복 단위를 포함하는 것인, 고분자 구조체 제조 방법.9. The method of producing a polymer structure according to item 6 above, wherein the conjugated diene first block includes a repeating unit derived from a 3-alkylthiophene monomer.

10. 위 6에 있어서, 상기 제2 블록은 아크릴레이트 계열 단량체 유래 반복 단위를 포함하는 것인, 고분자 구조체 제조 방법.10. The method of manufacturing a polymer structure according to item 6 above, wherein the second block includes a repeating unit derived from an acrylate-based monomer.

11. 위 6에 있어서, 상기 강유전성 고분자는 이소불화비닐을 포함하는 것인, 고분자 구조체 제조 방법.11. The method of manufacturing a polymer structure according to item 6 above, wherein the ferroelectric polymer contains vinyl isofluoride.

12. 위 6에 있어서, 상기 카이랄 전이제는 리모넨인, 고분자 구조체 제조 방법.12. The method of producing a polymer structure according to 6 above, wherein the chiral transfer agent is limonene.

본 발명의 실시예에 따른 고분자 구조체는 원편광 감응이 가능한 강유전성 고분자로써, 증가된 암호화 속성을 가지는 광전자 소자로 활용될 수 있다. The polymer structure according to an embodiment of the present invention is a ferroelectric polymer capable of responding to circularly polarized light, and can be used as an optoelectronic device with increased encryption properties.

본 발명의 실시예에 따른 고분자 구조체 제조 방법을 통하여 원편광 감응이 가능한 강유전성 고분자를 제조할 수 있다.A ferroelectric polymer capable of responding to circularly polarized light can be manufactured through a polymer structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 구조체를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 PMMA 및 P[VDF-TrFE]의 화학식 및 이들의 상호작용을 나타낸 것이다.
도 3은 P3HT-b-PMMA와 리모넨의 화학식을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 혼합 용매의 비율에 따른 용액 외관을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 용해도가 낮은 용매의 비율의 증가에 따른 파장의 흡수 및 방출 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 각 용매에서 자기조립된 P3HT-b-PMMA의 TEM 사진 및 이를 도식화한 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 은 본 발명의 실시예에 따른 카이랄 전이제 첨가를 통해 나선형으로 자기조립된 P3HT-b-PMMA의 TEM 사진 및 이를 도식화한 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 카이랄 전이제 첨가했을 때의 CD 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 카이랄 전이제 및 P(VDF-TrFE)를 첨가했을 때의 CD 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 카이랄 전이제 및 P(VDF-TrFE)를 첨가했을 때의 TEM 사진을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 카이랄 전이제 및 P(VDF-TrFE)를 첨가했을 때의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
Figure 1 schematically shows a polymer structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the chemical formulas of PMMA and P[VDF-TrFE] and their interactions.
Figure 3 shows the chemical formulas of P3HT -b- PMMA and limonene.
Figure 4 is a photograph showing the appearance of a solution according to the ratio of mixed solvents according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows absorption and emission spectra of wavelengths as the ratio of solvent with low solubility increases according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows a TEM photograph and a schematic image of P3HT -b- PMMA self-assembled in each solvent according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows a TEM photograph and a schematic image of P3HT -b- PMMA helically self-assembled through the addition of a chiral transfer agent according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 shows the CD spectrum when a chiral transfer agent according to an embodiment of the present invention is added.
Figure 9 shows a CD spectrum when a chiral transfer agent and P(VDF-TrFE) according to an embodiment of the present invention are added.
Figure 10 shows a TEM photograph when a chiral transfer agent and P(VDF-TrFE) according to an embodiment of the present invention are added.
Figure 11 shows an FT-IR spectrum when a chiral transfer agent and P(VDF-TrFE) according to an embodiment of the present invention are added.

본 발명은 새로운 원편광 감응 강유전성 고분자 구조체에 관한 것으로, 상기 구조체는 공액 고분자의 나선형 구조로 인한 원편광 감응 능력을 가지며, 상기 나선형 구조에 강유전성 고분자가 계층적으로 결합되어 있다. 또한, 본 발명에서는 공액 고분자의 자기조립 과정을 기반으로 카이랄 전이제 및 강유전성 고분자를 도입하여 상기 고분자 구조체를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 제조 방법은 용액 공정으로 수행 가능하므로 경제적이고 간편한 이점이 있다.The present invention relates to a new circularly polarized light-sensitive ferroelectric polymer structure, which has circularly polarized light-sensitive ability due to the helical structure of a conjugated polymer, and the ferroelectric polymer is hierarchically bonded to the helical structure. In addition, the present invention provides a method of manufacturing the polymer structure by introducing a chiral transfer agent and a ferroelectric polymer based on the self-assembly process of conjugated polymers, and the manufacturing method can be performed through a solution process, so it has the advantage of being economical and convenient. there is.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 나선형으로 배열된 공액 디엔 제1 블록 및 상기 제1 블록에 결합된 제2 블록을 포함하는 블록 공중합체; 및 상기 제2 블록에 결합된 강유전성 고분자;를 포함하는 고분자 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a block copolymer comprising a first conjugated diene block arranged in a spiral and a second block bonded to the first block; and a ferroelectric polymer bonded to the second block.

상기 "공액 디엔 제1 블록"은 한 쌍의 공액 이중 결합을 포함하는 단량체 유래 반복 단위로 구성된 블록을 의미한다. 블록은 상기 단량체 한 개 유래의 반복 단위로 이루어질 수도 있고, 복수개로 이루어질 수도 있다. 즉, 상기 공액 디엔 제1 블록은 공액 블록으로서, 이중결합과 단일결합의 반복구조로 인한 반도체적 전기 전도성과 가시광선 영역대의 흡수 및 발광을 특징으로 한다. 예를 들면 상기 공액 디엔 제1 블록은 P3AT (poly(3-alkylthiophene)), PBTTT (poly(2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno(3,2-b)thiophene), P3BT (Poly(3-butylthiophene-2,5-diyl)), F8BT (poly(9,9-dioctylfluorene-cobenzothiadiazole)) 또는 DPP2T-TT (poly(diketopyrrolopyrrole-co-thiopheneco-thieno[3,2-b]thiophene-cothiophene))일 수 있으며, 바람직하게는 P3HT(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl))일 수 있다.The “conjugated diene first block” refers to a block composed of repeating units derived from a monomer containing a pair of conjugated double bonds. The block may be composed of repeating units derived from one monomer, or may be composed of multiple units. That is, the first conjugated diene block is a conjugated block, and is characterized by semiconductor electrical conductivity and absorption and emission in the visible light range due to a repeating structure of double bonds and single bonds. For example, the conjugated diene first block is P3AT (poly(3-alkylthiophene)), PBTTT (poly(2,5-bis(3-tetradecylthiophen-2-yl)thieno(3,2-b)thiophene), P3BT (Poly(3-butylthiophene-2,5-diyl)), F8BT (poly(9,9-dioctylfluorene-cobenzothiadiazole)) or DPP2T-TT (poly(diketopyrrolopyrrole-co-thiopheneco-thieno[3,2-b]thiophene -cothiophene)), preferably P3HT (poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)).

상기 "제2 블록"은 상기 제1 블록과 강유전성 고분자의 결합을 매개하기 위한 것으로, 제1 블록과 공중합체를 이루며, 강유전성 고분자와 결합 가능한 것이면 특별히 제한되지 않는다.The “second block” is used to mediate the bond between the first block and the ferroelectric polymer, and is not particularly limited as long as it forms a copolymer with the first block and can be bonded to the ferroelectric polymer.

상기 "강유전성 고분자와의 결합"은 비공유 상호작용을 포함한다. 예를 들면, 상기 제2 블록은 강유전성 고분자가 이소불화비닐(Polyvinylidene fluoride, PVDF)을 포함하는 고분자일 경우, 이와 수소 결합 및 쌍극자 상호작용을 형성할 수 있는 아크릴레이트 계열 모노머 유래 반복 단위를 1개 또는 복수개 포함하는 것일 수 있다. 예를 들면 상기 블록 공중합체는 P3HT-b-poly(acrylic acid)(P3HT-b-PAA), P3HT-b-poly(methyl methacrylate)(P3HT-b-PMMA)일 수 있으며, P3HT-b-PMMA와 P(VDF-TrFE)의 상호작용을 도식화 하면 도 2와 같다.The “bonding with a ferroelectric polymer” includes non-covalent interactions. For example, when the ferroelectric polymer is a polymer containing polyvinylidene fluoride (PVDF), the second block contains one repeating unit derived from an acrylate-based monomer that can form a hydrogen bond and dipole interaction with the ferroelectric polymer. Or, it may include a plurality. For example, the block copolymer may be P3HT -b- poly(acrylic acid) (P3HT -b- PAA), P3HT -b- poly(methyl methacrylate) (P3HT -b- PMMA), and P3HT -b- PMMA. The interaction between and P(VDF-TrFE) is schematized as shown in Figure 2.

상기 "나선형 배열"은, 상기 제1 블록이 스택킹(stacking)된 나노 섬유의 구조가 나선형으로 회전하며 나아가는 구조인 것을 의미하며, 도 1에서 그 구조를 구체적으로 나타내었다. 이 때 전술한 바와 같이 상기 제2 블록 및 강유전성 고분자는 각 제1 블록에 결합되어 규칙적으로 배열되게 되므로, 상기 고분자 구조체는 전체적으로 계층적 나선형(hierarchical helical array)을 이룬다. 상기 나선형 구조는 왼쪽 방향으로 회전하는 나선형 구조(M-helix) 또는 오른쪽 방향으로 회전하는 나선형 구조(R-helix)일 수 있다.The “spiral arrangement” means that the structure of the nanofibers in which the first block is stacked rotates and advances in a spiral shape, and the structure is shown in detail in FIG. 1. At this time, as described above, the second block and the ferroelectric polymer are bonded to each first block and arranged regularly, so that the polymer structure as a whole forms a hierarchical helical array. The helical structure may be a helical structure that rotates to the left (M-helix) or a helical structure that rotates to the right (R-helix).

상기 제2 블록은 도 1에서와 같이 상기 제1 블록의 양 말단에 결합된 것일 수 있다.The second block may be coupled to both ends of the first block as shown in FIG. 1.

본 발명의 고분자 구조체는 상기 나선형 구조로 인하여 원편광을 감응할 수 있으며, 후술하는 실시예에서 그 효과를 구체적으로 확인하였다.The polymer structure of the present invention can respond to circularly polarized light due to the helical structure, and the effect was confirmed in detail in the examples described later.

상기 원편광(circularly polarized light)은, 편광의 일종으로서 광파의 진동 벡터의 끝이 원운동(빛의 진행을 생각하면 스파이럴 운동)을 하는 것을 의미한다. 원편광 진행 방향에 마주보는 관측자로부터 볼 때의 방향에 따라 시계(반시계)방향인 것을 각각 우(좌)회전 원편광이라 한다. 원편광은 빛의 응용 범위를 확장할 수 있는 장점이 있으며, 따라서 원편광 감응이 가능한 고분자는 증가된 암호화 속성을 가지므로 높은 보안성이 필요한 메모리 소자 등으로 활용될 수 있다.The circularly polarized light is a type of polarized light and means that the end of the vibration vector of a light wave moves circularly (spiral motion when considering the progress of light). Circular polarization that is clockwise (counterclockwise) as seen from an observer facing the direction of circular polarization is called right-handed (left-handed) circular polarization. Circular polarization has the advantage of expanding the application range of light, and therefore polymers capable of responding to circular polarization have increased encryption properties and can be used in memory devices that require high security.

상기 강유전성 고분자는 강유전성을 가지는 고분자로, 절연체나 유전체에서 외부의 전기 자극이 없이 자발적으로 양전하와 음전하가 갈라지는 자발분극 현상을 가지는 고분자를 의미한다. 예를 들면 상기 강유전성 고분자는 이소불화비닐(Polyvinylidene fluoride, PVDF)을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들면 PVDF, P(VDF-TrFE) 또는 P(VDF-TrFE-CFE)일 수 있다.The ferroelectric polymer refers to a polymer that has ferroelectricity and has a spontaneous polarization phenomenon in which positive and negative charges are spontaneously split in an insulator or dielectric without external electrical stimulation. For example, the ferroelectric polymer may include polyvinylidene fluoride (PVDF), for example, PVDF, P(VDF-TrFE), or P(VDF-TrFE-CFE).

구체적으로, 상기 PVDF는 α-, β-, γ- 및 δ-상과 같이 최소 4개의 상(phase)을 갖는 것으로 알려져 있는데, α상은 비극성이고 다른 세 개는 극성상이며, 그 중 β상은 가장 높은 분극과 가장 유리한 강유전체 특성을 나타낸다. 상기 PVDF를 TrFE(trifluoroethylene)와 공중합한 P(VDF-TrFE)는 PVDF에서 보다 β상이 잘 일어나도록 하는 이점이 있다.Specifically, the PVDF is known to have at least four phases, such as α-, β-, γ-, and δ-phase, where the α phase is non-polar and the other three are polar phases, of which the β phase is the most active. It exhibits high polarization and the most advantageous ferroelectric properties. P(VDF-TrFE), which is a copolymerization of PVDF with trifluoroethylene (TrFE), has the advantage of allowing the β phase to occur more easily than PVDF.

또한, 본 발명은 공액 디엔 제1 블록 및 이와 공중합 가능한 제2 블록으로 이루어진 블록 공중합체를 카이랄 전이제 및 강유전성 고분자 존재 하에 자기조립하는 단계를 포함하는 고분자 구조체 제조 방법에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a method for producing a polymer structure comprising the step of self-assembling a block copolymer composed of a conjugated diene first block and a second block copolymerizable therewith in the presence of a chiral transfer agent and a ferroelectric polymer.

상기 공액 디엔 제1 블록, 이와 공중합 가능한 제2 블록 및 강유전성 고분자에 대해서는 전술한 내용과 중복을 피하기 위하여 생략하였다. 즉, 본 발명은 상기 공액 디엔 제1 블록은 3-알킬티오펜 단량체 유래 반복 단위를 포함하는 것이거나, 상기 제2 블록은 아크릴레이트 계열 단량체 유래 반복 단위를 포함하는 것이거나, 상기 강유전성 고분자는 이소불화비닐을 포함하는 것인, 고분자 구조체 제조 방법을 포함한다.The conjugated diene first block, the second block copolymerizable therewith, and the ferroelectric polymer are omitted to avoid overlap with the above-mentioned information. That is, in the present invention, the conjugated diene first block includes a repeating unit derived from a 3-alkylthiophene monomer, the second block includes a repeating unit derived from an acrylate-based monomer, or the ferroelectric polymer is an isoelectric polymer. A method for producing a polymer structure comprising vinyl fluoride is included.

상기 블록 공중합체는 자기조립성질 때문에 나노 섬유 구조를 자기 조립 방법으로 만들 수 있다. 상기 자기 조립은 그 언어적 의미 그대로 외력의 개입 없이 물질과 주변 사이의 국부적 상호작용에 의해 스스로 일정한 양식으로 배열되는 현상을 의미하며, 공액 고분자의 경우 분자 간의 π-π stacking interaction이 작용하여 자기 조립이 가능하다.Because the block copolymer has self-assembly properties, nanofiber structures can be created by self-assembly method. Self-assembly, as its linguistic meaning implies, refers to the phenomenon of self-arrangement in a certain manner due to local interactions between the material and its surroundings without the intervention of external forces. In the case of conjugated polymers, self-assembly occurs due to π-π stacking interaction between molecules. This is possible.

본 발명에서는 카이랄 전이제와 강유전성 고분자 존재 하에 상기 자기조립을 수행함으로써, 계층적 나선형 구조를 이루는 고분자 구조체를 제조한 것이다.In the present invention, a polymer structure forming a hierarchical helical structure was manufactured by performing the above self-assembly in the presence of a chiral transfer agent and a ferroelectric polymer.

상기 카이랄 전이제(chiral transfer agent)란, 비카이랄성인 공액 고분자에 작용하여 나선형 구조를 형성하게 함으로써 카이랄성을 도입하는 전이제를 의미하며, 블록 공중합체가 스택킹 될 때 유발 효과(inductive effect)를 통해 카이랄 트랜스퍼를 일으킨다.The chiral transfer agent refers to a transfer agent that introduces chirality by acting on a non-chiral conjugated polymer to form a helical structure, and has an inductive effect when the block copolymer is stacked. effect) to cause chiral transfer.

상기 카이랄 트랜스퍼는 사용된 블록 공중합체와의 상호작용을 고려하여 당업자가 적절하게 선택할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 상기 블록 공중합체가 P3HT-b-PMMA일 때 카이랄 전이제는 리모넨일 수 있으며, 리모넨은 상기 용액 공정의 용매에 첨가되어 P3HT-b-PMMA가 오른쪽 또는 왼쪽 방향으로 회전하는 나선형 구조를 형성하게 할 수 있다. 도 3에서 P3HT-b-PMMA와 리모넨의 화학식을 나타내었다.The chiral transfer is not particularly limited as long as it can be appropriately selected by a person skilled in the art considering the interaction with the block copolymer used. For example, when the block copolymer is P3HT -b- PMMA, the chiral transfer agent is It may be limonene, and limonene may be added to the solvent in the solution process to cause P3HT -b- PMMA to form a helical structure rotating in the right or left direction. Figure 3 shows the chemical formulas of P3HT -b- PMMA and limonene.

상기 자기조립은 블록 공중합체에 대한 상대적인 용해도가 높은 용매(good solvent)를 포함하는 블록 공중합체 용액에, 블록 공중합체에 대한 상대적인 용해도가 낮은 용매(poor solvent), 카이랄 전이제 및 강유전성 고분자를 첨가하여 두 용매의 용해도 차이로 인해 수행되는 것일 수 있다.The self-assembly involves mixing a block copolymer solution containing a solvent (good solvent) with high relative solubility to the block copolymer, a solvent (poor solvent) with low relative solubility to the block copolymer, a chiral transfer agent, and a ferroelectric polymer. The addition may be performed due to the difference in solubility of the two solvents.

상기 용해도 차이를 고려한 두 가지 용매의 선택은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에 의해 적절히 선택될 수 있는 것이며, 구체적으로, 본 발명 실시예에서 good solvent와 poor solvent는 한센 용해도 파라미터를 기준으로 결정되었다. 예를 들면, 사용된 블록 공중합체 P3HT-b-PMMA에 대해 상대적으로 용해도가 높은 용매인 THF를 good solvent로 선택하였으며, P3HT-b-PMMA에 대해 상대적으로 용해도가 낮은 용매인 n-BuOAc를 poor solvent로 선택하였다. P3HT-b-PMMA가 good solvent인 THF에 용해되어 있는 용액에 poor solvent인 n-BuOAc를 첨가하면 두 용매의 용해도 차이로 인해 P3HT 블록의 π-π stacking interaction을 유도할 수 있으며, 이를 통해 고분자 구조체를 형성할 수 있다.The selection of the two solvents considering the difference in solubility can be appropriately selected by a person skilled in the art. Specifically, in the embodiments of the present invention, the good solvent and the poor solvent are Hansen solubility parameters. It was decided based on . For example, THF, a solvent with relatively high solubility for the block copolymer P3HT-b-PMMA used, was selected as a good solvent, and n-BuOAc, a solvent with relatively low solubility for P3HT-b-PMMA, was selected as a poor solvent. was selected as solvent. When n-BuOAc, a poor solvent, is added to a solution in which P3HT-b-PMMA is dissolved in THF, a good solvent, π-π stacking interaction of P3HT blocks can be induced due to the difference in solubility of the two solvents, thereby forming a polymer structure. can be formed.

예를 들면 상기 블록 공중합체가 P3HT-b-PMMA일 때, 상기 용해도가 높은 용매는 클로로포름, 테트라하이드로퓨란, 클로로벤젠군 및 브로모벤젠군에서 선택된 것일 수 있으며, 용해도가 낮은 용매는 메탄올, 이소프로판올(IPA), 아세토니트릴, n-부틸 아세테이트 또는 에탄올일 수 있고, 바람직하게는 각각 테트로하이드로퓨란 및 n-부틸아세테이트일 수 있다.For example, when the block copolymer is P3HT -b- PMMA, the high solubility solvent may be selected from chloroform, tetrahydrofuran, chlorobenzene group, and bromobenzene group, and the low solubility solvent may be methanol and isopropanol. (IPA), acetonitrile, n-butyl acetate, or ethanol, preferably tetrohydrofuran and n-butyl acetate, respectively.

이 때 사용되는 두 용매의 비율에 따라 형성되는 나노 구조체의 결정성을 제어할 수 있으며, 관련 실험결과를 실시예에서 후술하였다.At this time, the crystallinity of the formed nanostructure can be controlled depending on the ratio of the two solvents used, and the related experimental results are described later in the Examples.

상기 강유전성 고분자는 카이랄 전이제와 함께 첨가될 수 있으며, 전술한 블록 공중합체의 구성 중 제2 블록과 결합하여 고분자 구조체의 템플렛이 되는 상기 나선형 구조에 규칙적으로 배열될 수 있다.The ferroelectric polymer may be added together with a chiral transfer agent, and may be regularly arranged in the helical structure that becomes a template for the polymer structure by combining with the second block of the block copolymer described above.

상기 공정 후, 상기 용매는 자연 건조 또는 열 처리 등 당업자가 선택할 수 있는 적절한 방법을 통하여 제거될 수 있다.After the above process, the solvent can be removed through an appropriate method that can be selected by a person skilled in the art, such as natural drying or heat treatment.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.

실시예Example

1. 결정화 기반 P3HT1. Crystallization-based P3HT -b--b- PMMA의 자기조립Self-assembly of PMMA

공액 고분자의 자기조립을 이용하여 나노 템플릿을 형성하였다. 본 실시예에서 사용된 블록 공중합체는 PH3T-b-PMMA로, PH3T-b-PMMA에 대한 용해도가 높은 THF를 용매를 사용하여 용액을 제조한 후, PH3T-b-PMMA에 대한 용해도가 낮은 용매 n-BuOAc 다양한 비율로 첨가하여 나노와이어 고분자 구조체를 형성하였다.A nanotemplate was formed using self-assembly of conjugated polymers. The block copolymer used in this example was PH3T -b- PMMA, and a solution was prepared using THF, which has high solubility for PH3T -b- PMMA, as a solvent, and then using a solvent with low solubility for PH3T -b- PMMA. Nanowire polymer structures were formed by adding n-BuOAc in various ratios.

P3HT-b-PMMA를 THF에 넣고 실온에서 초음파 처리하여 완전히 용해된 농도 5 mg/mL의 P3HT-b-PMMA 용액을 제조하였다. THF와 n-BuOAc가 각각 9:1, 7:3, 5:5, 3:7, 1:9의 부피비를 나타내도록 앞서 제조한 P3HT-b-PMMA 용액 50μL에 THF와 n-BuOAc를 순서대로 첨가하였다. 12시간의 에이징을 통해 나노와이어 고분자 구조체를 형성하였다. 이때 제조된 P3HT-b-PMMA 용액의 최종 농도는 0.5 mg/mL로 고정되었다.P3HT- b -PMMA was placed in THF and sonicated at room temperature to prepare a completely dissolved P3HT- b -PMMA solution with a concentration of 5 mg/mL. THF and n-BuOAc were added in order to 50 μL of the previously prepared P3HT- b -PMMA solution so that THF and n-BuOAc had volume ratios of 9:1, 7:3, 5:5, 3:7, and 1:9, respectively. Added. A nanowire polymer structure was formed through aging for 12 hours. At this time, the final concentration of the prepared P3HT- b -PMMA solution was fixed at 0.5 mg/mL.

상기 단계에서, PH3T-b-PMMA에 대한 용해도가 낮은 용매의 비율을 높임으로써 더 긴 나노 구조체를 형성할 수 있다. 도 4에서 각 용액의 시간 경과에 따른 보라색으로의 색 변화를 통해 용해도가 낮은 용매의 비율이 낮은 용액은 주황색을, 용해도가 낮은 용매의 비율이 높은 용액은 보라색을 띤다. 시각적으로 나노 구조체의 응집을 확인할 수 있으며, 도 5에서 용해도가 낮은 용매의 비율이 증가함에 따라 나노 구조체가 더욱 응집되어 적색편이가 일어나며 퀀칭(quenching)되는 것을 확인하였다. 도 6에서 각 사용된 용매의 비율 별로 나노 구조체의 길이의 확장을 나타내었다.In this step, longer nanostructures can be formed by increasing the ratio of solvents with low solubility to PH3T -b- PMMA. In Figure 4, the color of each solution changes to purple over time. The solution with a low proportion of solvents with low solubility appears orange, and the solution with a high proportion of solvents with low solubility appears purple. The aggregation of the nanostructures can be visually confirmed, and in Figure 5, it was confirmed that as the ratio of solvent with low solubility increases, the nanostructures become more agglomerated, red shift occurs, and quenching occurs. In Figure 6, the extension of the length of the nanostructure is shown for each ratio of solvent used.

2. 카이랄 전이제 및 강유전성 고분자 첨가를 통한 계층적 나선형 구조체 형성2. Formation of hierarchical helical structure through addition of chiral transfer agent and ferroelectric polymer

사용된 블록 공중합체는 PH3T-b-PMMA로, PH3T-b-PMMA에 대한 용해도가 높은 THF를 용매로 사용하여 용액을 제조한 후, PH3T-b-PMMA에 대한 용해도가 낮은 용매 n-BuOAc 및 카이랄 전이제, 강유전성 고분자를 첨가하였다. 카이랄 전이제로는 [S]-[-]-리모넨 및 [R]-[-]-리모넨을, 강유전성 고분자로는 P(VDF-TrFE)를 사용하였다. 이후, 자연 건조를 통해 용매를 제거하였다.The block copolymer used was PH3T -b- PMMA, and the solution was prepared using THF, which has high solubility for PH3T -b- PMMA, as a solvent, followed by n-BuOAc and n-BuOAc, which have low solubility for PH3T -b- PMMA. A chiral transfer agent and ferroelectric polymer were added. [S]-[-]-limonene and [R]-[-]-limonene were used as chiral transfer agents, and P(VDF-TrFE) was used as a ferroelectric polymer. Afterwards, the solvent was removed through natural drying.

P3HT-b-PMMA를 THF에 넣고 실온에서 초음파 처리하여 완전히 용해된 농도 5 mg/mL의 P3HT-b-PMMA 용액을 제조하였다. P3HT-b-PMMA와 리모넨이 1:4600의 몰 비율을 나타내도록 앞서 제조한 P3HT-b-PMMA 용액 50μL에 [S]-[-]-리모넨 또는 [R]-[-]-리모넨을 각각 첨가하였다. 그 다음 THF와 n-BuOAc가 1:9의 부피비를 나타내도록 [S]-[-]-리모넨 또는 [R]-[-]-리모넨이 첨가된 두 종류의 용액에 n-BuOAc를 첨가하였다. 12시간의 에이징을 통해 나선형 고분자 구조체를 형성하였다. 이때 제조된 P3HT-b-PMMA 용액의 최종 농도는 0.5 mg/mL였다. 또한, P(VDF-TrFE)를 THF에 용해시켜 농도 5 mg/mL의 강유전성 고분자 용액을 제조하였다. P3HT-b-PMMA와 P(VDF-TrFE)가 4:1의 몰 비율을 나타내도록 나선형 고분자 구조체가 형성된 P3HT-b-PMMA 용액에 5 mg/mL의 P(VDF-TrFE) 용액을 첨가하였다. 6시간의 에이징을 통해 계층적 나선형 고분자 구조체를 형성하였다.P3HT- b -PMMA was placed in THF and sonicated at room temperature to prepare a completely dissolved P3HT- b -PMMA solution with a concentration of 5 mg/mL. Add [S]-[-]-limonene or [R]-[-]-limonene to 50 μL of the P3HT- b -PMMA solution prepared previously so that the molar ratio of P3HT- b -PMMA and limonene is 1:4600. did. Next, n-BuOAc was added to the two solutions containing [S]-[-]-limonene or [R]-[-]-limonene so that THF and n-BuOAc had a volume ratio of 1:9. A helical polymer structure was formed through aging for 12 hours. At this time, the final concentration of the prepared P3HT- b -PMMA solution was 0.5 mg/mL. Additionally, P(VDF-TrFE) was dissolved in THF to prepare a ferroelectric polymer solution with a concentration of 5 mg/mL. 5 mg/mL of P(VDF-TrFE) solution was added to the P3HT- b -PMMA solution in which the helical polymer structure was formed so that the molar ratio of P3HT- b -PMMA and P(VDF-TrFE) was 4:1. A hierarchical helical polymer structure was formed through aging for 6 hours.

도 7에서 비카이랄성 공액 고분자가 카이랄 전이제 첨가를 통해 오른쪽 또는 왼쪽 방향으로 나선형 구조체를 형성하였음을 TEM 사진과 도식화한 그림을 통해 나타내었다.In Figure 7, it is shown through TEM images and schematic drawings that the achiral conjugated polymer forms a helical structure in the right or left direction through the addition of a chiral transfer agent.

도 8에서 CD 스펙트럼 분석 결과를 통해 PH3T-b-PMMA에 카이랄 전이제를 도입함으로써 서로 반대 방향을 나타내는 나선형 나노구조체가 형성 되었음을 확인하였다.In Figure 8, it was confirmed through the CD spectrum analysis results that helical nanostructures showing opposite directions were formed by introducing a chiral transfer agent into PH3T -b- PMMA.

도 9 및 도 10에서 카이랄 전이제 및 P(VDF-TrFE)를 도입했을 때의 CD 스펙트럼 분석 결과와 TEM 사진을 나타내었다. 도 11은 FT-IR 스펙트럼 결과로, P(VDF-TrFE)를 첨가하자 PH3T-b-PMMA가 PMMA 부분을 통해 P(VDF-TrFE)와 수소결합 및 쌍극자 상호작용을 형성하였음을 확인할 수 있다.Figures 9 and 10 show CD spectrum analysis results and TEM images when a chiral transfer agent and P(VDF-TrFE) were introduced. Figure 11 shows the FT-IR spectrum results, confirming that upon addition of P(VDF-TrFE), PH3T -b- PMMA formed hydrogen bonds and dipole interactions with P(VDF-TrFE) through the PMMA portion.

Claims (12)

나선형으로 배열된 공액 디엔 제1 블록 및 상기 제1 블록에 결합된 제2 블록을 포함하는 블록 공중합체; 및 상기 제2 블록에 결합되어 상기 제1 블록을 따라 나선형으로 배열된 강유전성 고분자;를 포함하는 고분자 구조체.
A block copolymer comprising a first conjugated diene block arranged in a spiral and a second block bonded to the first block; and a ferroelectric polymer coupled to the second block and arranged in a spiral along the first block.
청구항 1에 있어서,
상기 공액 디엔 제1 블록은 3-알킬티오펜 단량체 유래 반복 단위를 포함하는 것인, 고분자 구조체.
In claim 1,
A polymer structure in which the first conjugated diene block includes a repeating unit derived from a 3-alkylthiophene monomer.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 블록은 상기 제1 블록의 양 말단에 결합된 것인, 고분자 구조체.
In claim 1,
The second block is a polymer structure bonded to both ends of the first block.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 블록은 아크릴레이트 계열 단량체 유래 반복 단위를 포함하는 것인, 고분자 구조체.
In claim 1,
The second block is a polymer structure comprising a repeating unit derived from an acrylate-based monomer.
청구항 1에 있어서,
상기 강유전성 고분자는 이소불화비닐을 포함하는 것인, 고분자 구조체.
In claim 1,
A polymer structure wherein the ferroelectric polymer includes vinyl isofluoride.
공액 디엔 제1 블록 및 이와 공중합 가능한 제2 블록으로 이루어진 블록 공중합체를 카이랄 전이제 및 강유전성 고분자 존재 하에 자기조립하는 단계를 포함하며,
상기 제1 블록은 나선형으로 배열되고,
상기 강유전성 고분자는 제2 블록과 결합하여 상기 제1 블록을 따라 나선형으로 배열되는 고분자 구조체 제조 방법.
It includes the step of self-assembling a block copolymer composed of a conjugated diene first block and a second block copolymerizable therewith in the presence of a chiral transfer agent and a ferroelectric polymer,
The first block is arranged in a spiral,
A method of manufacturing a polymer structure in which the ferroelectric polymer is combined with a second block and arranged in a spiral along the first block.
청구항 6에 있어서,
상기 자기조립은 블록 공중합체에 대한 상대적인 용해도가 높은 용매를 포함하는 블록 공중합체 용액에 블록 공중합체에 대한 상대적인 용해도가 낮은 용매, 카이랄 전이제 및 강유전성 고분자를 첨가하여 두 용매의 용해도 차이로 인해 수행되는 것인, 고분자 구조체 제조 방법.
In claim 6,
The self-assembly is achieved by adding a solvent, a chiral transfer agent, and a ferroelectric polymer with a relatively low solubility to the block copolymer to a block copolymer solution containing a solvent with a high relative solubility to the block copolymer, due to the difference in solubility of the two solvents. A method for manufacturing a polymer structure, which is performed.
청구항 7에 있어서,
상기 블록 공중합체는 poly(3-hexylthiophene)-b-poly(methyl methacrylate) (P3HT-b-PMMA)이고, 상기 용액의 용매는 테트라하이드로퓨란이고, 상기 용해도가 낮은 용매는 n-부틸아세테이트인, 고분자 구조체 제조 방법.
In claim 7,
The block copolymer is poly(3-hexylthiophene)-b-poly(methyl methacrylate) (P3HT-b-PMMA), the solvent of the solution is tetrahydrofuran, and the low solubility solvent is n-butyl acetate, Method for manufacturing polymer structures.
청구항 6에 있어서,
상기 공액 디엔 제1 블록은 3-알킬티오펜 단량체 유래 반복 단위를 포함하는 것인, 고분자 구조체 제조 방법.
In claim 6,
A method of producing a polymer structure, wherein the conjugated diene first block includes a repeating unit derived from a 3-alkylthiophene monomer.
청구항 6에 있어서,
상기 제2 블록은 아크릴레이트 계열 단량체 유래 반복 단위를 포함하는 것인, 고분자 구조체 제조 방법.
In claim 6,
A method of producing a polymer structure, wherein the second block includes a repeating unit derived from an acrylate-based monomer.
청구항 6에 있어서,
상기 강유전성 고분자는 이소불화비닐을 포함하는 것인, 고분자 구조체 제조 방법.
In claim 6,
A method of manufacturing a polymer structure, wherein the ferroelectric polymer includes vinyl isofluoride.
청구항 6에 있어서,
상기 카이랄 전이제는 리모넨인, 고분자 구조체 제조 방법.
In claim 6,
A method for producing a polymer structure, wherein the chiral transfer agent is limonene.
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