KR20200122670A - 나노 채널 구조물 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따라 나노 채널 구조물을 제공한다. 상기 나노 채널 구조물은 미세 기공들을 구비하도록 개질된 다수의 2차원 물질 시트들이 적층된 형태를 가지며, 상기 시트들 사이의 나노 채널과 상기 미세 기공들에 의해 형성되는 나노 채널을 포함하는 것일 수 있다. 이에 따라, 미세 기공을 갖는 2차원 물질 시트를 적층하여 보다 정교하고 조밀한 기공 구조를 갖는 나노 채널 구조물을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 나노 채널 구조물에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 2차원 물질을 이용한 나노 채널 구조물에 관한 것이다.
나노 채널(nano channel)이란 나노스케일의 폭을 가지는 기공 혹은 유로 등을 말하며, 연산장치 및 메모리소자 등으로 활용되는 이온트랜지스터나, 암, 항원, 항체 등의 생체물질을 감지하는 바이오센서, 해수 담수화, 에너지 하베스팅, 센서 등 다양한 분야로 폭넓게 활용되고 있다.
일반적으로 나노 채널은 이온 교환막과 같은 박막 형태로 제조되어 활용되는데, 이온 교환막이란 양이온과 음이온을 선택하여 어느 한쪽만을 통과시키는 막을 의미하며, 주로 고분자 합성수지로 제조된다. 이러한 이온교환막은 연료전지, 확산투석, 레독스 흐름 전지, 수처리, 해수의 담수화 등의 분야에서 널리 활용되고 있으며, 높은 선택성을 가져야 하기에 용매 및 비이온 용질의 낮은 투과성, 선택된 투과 이온의 확산에 대한 낮은 저항, 높은 기계적 강도 및 내화학성을 필요로 한다.
그러나, 기존의 고분자 이온 교환막은 제조공정이 복잡하고, 교환막의 내부 구조와 거시적 형태를 제어하는 데 한계가 있어 소형화, 유연화가 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 제작 단가가 상승한다는 문제점이 제기되어 왔다.
이에, 기존의 고가의 이온 교환막의 대체재로 활용될 수 있으면서, 내부 구조와 원하는 거시적 형태를 만들 수 있는 재료의 새로운 연구가 필요하다. 나아가, 수 나노미터 크기의 채널을 제작하고, 크기를 조절할 수 있다면 이는 다양한 원자 또는 이온을 분리할 수 있는 가능성을 가지게 되어 보다 다양한 분야에 활용될 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 미세 기공을 갖는 2차원 물질 시트들을 적층하여 보다 정교하고 조밀한 기공 구조를 갖는 나노 채널 구조물을 제조함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 실시예는 나노 채널 구조물을 제공한다. 상기 나노 채널 구조물은 미세 기공들을 구비하도록 개질된 다수의 2차원 물질 시트들이 적층된 형태를 가지며, 상기 시트들 사이의 나노 채널과 상기 미세 기공들에 의해 형성되는 나노 채널을 포함하는 것일 수 있다.
상기 2차원 물질은 2차원 그래핀 물질, 2차원 전이금속 카바이드(Mxene), 2차원 칼코젠 화합물, 2차원 세라믹 물질 또는 2차원 인 계열 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 상기 2차원 물질은 그래핀, 플루오르 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀 또는 육방정계 질화붕소를 포함하는 것일 수 있다.
상기 나노 채널은 이온 선택성을 갖는 것으로, 상기 2차원 물질 시트의 표면 전하와 반대 부호의 전하를 띄는 이온의 선택성을 갖는 것일 수 있다.
상기 시트들 사이의 나노 채널은, 상기 다수 개의 개질된 2차원 물질 시트들 간 층간 간격에 의해 생성되는 것으로, 상기 시트들 사이의 나노 채널을 따라 상기 시트의 평면과 평행한 방향으로 물질을 통과시키는 것일 수 있다.
상기 시트들 사이의 나노 채널의 평균 두께는 0.1 내지 50nm일 수 있다.
상기 미세 기공들에 의해 형성되는 나노 채널은 상기 2차원 물질 시트들을 관통하는 것으로서, 상기 미세 기공들에 의해 시트의 평면과 수직한 방향으로 연결되는 것일 수 있다.
상기 미세 기공의 평균 직경은 1 내지 20nm일 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 실시예는 나노 채널 구조물의 제조방법을 제공한다. 상기 나노 채널 구조물의 제조방법은 미세 기공들을 구비하도록 개질된 2차원 물질 시트를 제조하는 단계 및 상기 개질된 2차원 물질 시트를 자기조립 하여 나노 채널 구조물을 제조하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
상기 개질된 2차원 물질 시트를 제조하는 단계는 2차원 물질 분산액을 준비하는 단계, 상기 2차원 물질 분산액에 산화제를 첨가하는 단계, 상기 산화제가 첨가된 2차원 물질 분산액에 pH 조절제를 더 첨가하는 단계, 상기 혼합액에 열처리하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 미세 기공을 갖는 2차원 물질 시트들을 적층하여 보다 정교하고 조밀한 기공 구조를 갖는 나노 채널 구조물을 제공할 수 있다. 이러한 나노 채널 구조물은 우수한 이온 선택성을 발휘하여 발전기, 센서, 해수담수화 막, 이온 수송 케이블 등의 장치에 활용될 수 있다.
그러나, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질된 2차원 그래핀 물질을 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질된 2차원 물질을 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 자기 조립(self-assembly)에 의해 적층된 2차원 물질 시트를 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 채널 구조물의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 채널 구조물의 활용예로서, 필름 형태의 나노 채널 구조물을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 채널 구조물의 활용예로서, 섬유 형태의 나노 채널 구조물을 나타낸 모식도이다.
도 7a는 산화 그래핀 시트 실시예에 따른 개질된 산화 그래핀 시트의 기공을 관찰한 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 7b는 산화 그래핀 시트 실시예에 따른 개질된 산화 그래핀 시트의 기공 분율을 분석한 그래프이다.
도 8은 나노 채널 구조물의 제조예 및 비교예에 따른 나노 채널 구조물의 단면을 관찰한 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 9는 나노 채널 구조물 제조예 및 비교예에 따른 나노 채널 구조물의 이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 나노 채널 구조물 제조예 및 비교예에 따른 나노 채널 구조물의 전력 발생 정도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질된 2차원 물질을 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 자기 조립(self-assembly)에 의해 적층된 2차원 물질 시트를 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 채널 구조물의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 채널 구조물의 활용예로서, 필름 형태의 나노 채널 구조물을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 채널 구조물의 활용예로서, 섬유 형태의 나노 채널 구조물을 나타낸 모식도이다.
도 7a는 산화 그래핀 시트 실시예에 따른 개질된 산화 그래핀 시트의 기공을 관찰한 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 7b는 산화 그래핀 시트 실시예에 따른 개질된 산화 그래핀 시트의 기공 분율을 분석한 그래프이다.
도 8은 나노 채널 구조물의 제조예 및 비교예에 따른 나노 채널 구조물의 단면을 관찰한 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 9는 나노 채널 구조물 제조예 및 비교예에 따른 나노 채널 구조물의 이온 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 나노 채널 구조물 제조예 및 비교예에 따른 나노 채널 구조물의 전력 발생 정도를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
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 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 일 측면은, 미세 기공들을 구비하도록 개질된 2차원 물질을 제공할 수 있다.
2차원 물질은 2차원 그래핀 물질, 2차원 전이금속 카바이드(Mxene), 2차원 칼코젠 화합물, 2차원 세라믹 물질, 2차원 산화물, 2차원 인 계열 물질일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
자세하게는, 2차원 그래핀 물질은 그래핀, 플루오르 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀, 육방정계 질화붕소(h-BN) 등 일 수 있다. 상기 그래핀은 단일층 그래핀(single-layer graphene) 또는 다층 그래핀(few-layer graphene)일 수 있다. 2차원 칼코젠 화합물의 일 예로서, TMD(transition metal dichalcogenide), TMT(transition metal trichalcogenide), MPT(metal phosphorous tricahlcogenide), MMC(metal monochalcogenide)일 수 있다. 2차원 세라믹 물질은 카올리나이트, 몬모릴로나이트, 일라이트 또는 녹니석일 수 있다. 2차원 산화물의 일 예로서, MoO3, WO3, TiO2, MnO2, V2O5, TaO3, RuO2 일 수 있다. 2차원 인 계열 물질의 일 예로서, 흑린(black phosphorous), 포스포린(phosphorene)일 수 있다. 상기 2차원 물질의 형태는 시트(sheet)형일 수 있다.
상기 2차원 물질은 미세 기공들을 구비하도록 개질될 수 있다. 미세 기공은 2차원 물질의 입자 사이에 불규칙적인 배열로 형성되는 것으로, 미세 기공의 평균 직경은 수 내지 수십 nm일 수 있으며, 일 예로 1 내지 20nm일 수 있다. 구체적으로, 1 내지 5nm일 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질된 2차원 그래핀 물질을 도시한 모식도이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 2차원 그래핀 물질(10)은 2차원 그래핀 물질 시트로서, 미세 기공(11)들을 구비하도록 개질된 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질된 2차원 물질을 제조하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
2차원 물질의 분산액을 준비하는 단계(S10)를 포함하는 것일 수 있다. 2차원 물질의 분산액은 수nm 내지 수백nm, 일 예로, 1nm 내지 100nm 의 두께를 갖는 2차원 물질 시트가 하나의 축 방향으로 불규칙하게 배열된 상태일 수 있다. 2차원 물질의 분산액은 위치에 대한 규칙성은 없으나 일 방향으로 질서를 가지고 배열된 것으로 네마틱(nematic) 액정상일 수 있다. 2차원 물질의 분산액은 2차원 물질의 수 분산액일 수 있다.
상기 2차원 물질의 분산액에 산화제를 첨가하는 단계(S20)를 포함하는 것일 수 있다. 산화제는 자신은 환원시키면서 2차원 물질을 산화시키는 물질로, 2차원 물질 내 미세 기공을 형성시키는 것일 수 있다. 산화제의 일 예로서, 산화력이 큰 물질을 이용할 수 있다. 자세하게는, 산화제는 과산화수소(H2O2)일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 산화제가 첨가된 2차원 물질의 분산액에 pH 조절제를 더 첨가하는 단계(S30)를 포함하는 것일 수 있다. pH 조절제는 2차원 물질과 산화제가 충분히 반응할 수 있도록 pH 환경을 조성하는 것일 수 있다. pH 조절제의 일 예로서, LiOH, NaOH, KOH, NH4OH, Ca(OH)2, Sr(OH)2, CsOH, Ba(OH)2, Mg(OH)2, Cd(OH)2, La(OH)3, In(OH)3, Nd(OH)3, FeO2H, RbOH, Al(OH)3, Ni(OH)2, NaF, K2Co3 또는 NH4ClO 일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 2차원 물질의 분산액 내에 산화제와 pH 조절제가 첨가됨에 따라, 하기 화학식 1 및 화학식 2에 따른 반응이 형성되는 것일 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 2]
즉, 산화제인 과산화수소와 pH 조절제에 의해 제공된 수산화 이온(OH-)이 반응하여, HO2 -이온이 생성될 수 있으며, HO2 -이온은 과산화수소와 반응하여 OH 라디칼(·OH)을 생성시킬 수 있다. 상기 OH 라디칼(·OH)은 2차원 물질을 산화시킴으로써, 2차원 물질 내에 미세 기공을 형성시키는 것일 수 있다.
이후, 상기 혼합액에 열처리하는 단계(S40)를 포함하는 것일 수 있으며, 열처리에 필요한 온도는 40 내지 70℃, 구체적으로, 45 내지 60℃의 범위에서 3시간 내지 6시간, 일 예로, 5시간 동안 수행될 수 있다. 상기 열처리 단계 후에는 원심 분리를 통해 생성된 부산물을 제거하고, 예를 들어, 투석(dialysis)을 통하여 잔존하는 반응물을 제거할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 나노 채널 구조물을 제공할 수 있다. 관련하여, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 자기 조립(self-assembly)에 의해 적층된 2차원 물질 시트를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 2차원 물질 시트는 자기 조립에 의해 적층되는 구조로 나노 채널 구조물을 형성하는 것일 수 있다. 자세하게는, 층상 자기 조립법(layer by layer assembly method)에 의한 것일 수 있다. 층상 자기 조립은 입자의 상호 작용에 의해 인접한 층 간 질서도를 가지며 정교한 적층 구조를 형성시키는 것일 수 있다. 층상 자기 조립의 일 예로서, 2차원 물질 분산액으로 여과(filtration) 공정을 이용하는 것일 수 있다. 이는, 외부 압력을 이용한 여과 공정일 수 있다. 자세하게는, 2차원 물질 분산액에 외부 압력을 이용하여 여과 공정을 거친 후, 용매를 제거하면, 2차원 물질 시트는 적층 구조로 정렬되는 것일 수 있다. 2차원 나노 물질 시트의 자기 조립에 의한 정렬은 반데르발스력(van der waals interaction), 수소 결합(hydrogen bonding) 등의 상호 작용에 의한 것일 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 채널 구조물을 나타낸 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 나노 채널 구조물(100)은 다수의 2차원 물질 시트(10)들을 포함하는 것일 수 있다. 이 때, 나노 채널 구조물(100)은 상기 도 3에서 살펴본 바와 같이, 자기 조립에 의하여 다수의 2차원 물질 시트(10)들이 적층된 형태를 가지는 것일 수 있다. 이에 따라, 나노 채널 구조물(100)은 층상 구조를 가지므로, 2차원 물질 시트(10)들 간에 층간 간격이 형성되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 층간 간격에 의해 생성되는 공간으로, 시트들 사이의 나노 채널(20)이 형성될 수 있다. 나노 채널은 나노 스케일의 폭을 가지는 유로 혹은 기공을 의미할 수 있으며, 나노 채널을 통해 물질을 통과시키는 것일 수 있다. 즉, 시트들 사이의 나노 채널(20)을 통과하여 물질이 이동할 수 있으며, 나노 채널 구조물(100)의 시트들 사이의 나노 채널(20)을 따라 시트의 평면과 평행한 방향으로 물질이 통과될 수 있다.
상기 2차원 물질은, 도 1 및 도 2에서 살펴본 바와 같이, 미세 기공들을 구비하도록 개질된 2차원 물질일 수 있다. 개질된 2차원 물질 시트들은 나노 채널 구조물(100) 내에 다수 개 구비되어, 나노 채널 구조물(100)은 2차원 물질 시트들이 적층된 형태를 가지는 것일 수 있다. 미세 기공(11)은 결합이 일부 제거되어 형성될 수 있으며, 개질되지 않은 2차원 물질 시트를 포함하는 나노 채널 구조물 대비 유연성이 강화된 것일 수 있다.
또한, 개질된 2차원 물질 시트는 다수의 미세 기공(11)을 구비함으로써, 개질되지 않은 2차원 물질 시트 대비 유연성이 증가하여 적층 구조에 따른 층간 간격이 감소하는 것일 수 있다. 2차원 물질 시트들이 조밀하게 쌓임으로써, 나노 채널 구조물(100)은 고밀도의 2차원 물질 시트들을 갖는 것일 수 있으며, 2차원 물질 시트 간 층간 간격은 개질되지 않은 2차원 물질 대비 감소하므로, 나노 채널(20)들이 조밀하게 형성될 수 있다. 시트 간의 평균적인 간격, 즉, 나노 채널의 평균 두께(T)는 0.1 내지 50nm일 수 있으며, 일 예로서, 0.1 내지 30nm일 수 있으며, 0.1 내지 15nm일 수도 있다. 바람직하게는, 나노 채널의 평균 두께(T)는 0.1 내지 10nm일 수 있다.
개질된 2차원 물질은 미세 기공을 구비하므로, 나노 채널 구조물(100)은 미세 기공들에 의해 형성되는 나노 채널(30)을 포함하는 것일 수 있다. 자세하게는, 미세 기공(11)들은 각 층을 이루는 2차원 물질 시트마다 형성되어 있으므로, 적층 구조의 시트들을 관통하는 것으로서, 미세 기공(11)들에 의해 시트의 평면과 수직한 방향으로 연결되는 채널이 형성되는 것일 수 있다.
미세 기공을 구비하도록 개질되지 않은 2차원 물질 시트를 이용하여 자기 조립하는 경우, 나노 채널 구조물에 주름이 발생하여 2차원 물질 시트 간 일정한 간격으로 형성되지 않는 문제점이 발생할 수 있다. 그러나, 상기와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세 기공을 구비하도록 개질된 2차원 물질 시트는 미세 기공을 포함하므로, 도 3을 참고하여 설명한 바와 같이, 분산액 내의 용매가 자기 조립시 미세 기공들에 의해 형성되는 나노 채널을 통해 용이하게 이동됨으로써 쉽게 제거될 수 있다. 따라서, 개질된 2차원 물질 시트를 이용하는 경우, 시트 간 층간 간격을 최소화하여 더욱 조밀한 적층 구조를 형성할 수 있으므로, 나노 채널 구조물은 더욱 정교하고 규칙적인 구조로 형성될 수 있어 상기의 문제점을 극복할 수 있다.
한편, 자기 조립에 의하여 형성된 나노 채널 구조물은 하나의 층 내에 시트 간 간격(W)이 형성될 수 있다. 상기 하나의 층 내에 형성되는 시트 간 간격(W)에 의하여도 물질 또는 용매가 통과될 수 있다. 하나의 층 내에 형성되는 시트 간 간격(W), 즉 크기는, 시트 내에 포함된 미세 기공의 평균 직경(D)보다 클 수 있다. 또한, 미세 기공의 평균 직경(D) 대비 하나의 층 내에 형성되는 시트 간 간격(W)에 대한 분포도가 크게 나타남에 따라, 그 크기는 일정하지 않을 수 있다.
상기에서 살펴 본 바와 같이, 나노 채널 구조물(100)은 시트들 사이의 나노 채널(20)들과 미세 기공들에 의해 형성되는 나노 채널(30)들이 얽히어 네트워크 구조를 형성한 나노 채널망을 형성하는 것일 수 있다. 상기 나노 채널 구조물(100)의 형태는 막(membrane), 필름(film) 또는 섬유(fiber)형일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 채널 구조물의 단면도이다.
도 4b를 참조하면, 나노 채널 구조물에 포함된 2차원 물질 시트는 단층 시트이거나, 다층 시트일 수 있다. 다층 시트는 단일층의 시트가 수 개 적층되어 하나의 시트를 형성하는 것일 수 있다.
상기 2차원 물질 시트는 각 표면에 작용기(R)를 구비하는 것일 수 있다. 시트의 표면에 작용기를 갖도록 별도의 표면 개질 공정을 거치는 것일 수 있다. 상기 작용기는 -OH, -COOH일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 작용기는 인접한 작용기 사이에서 반데르발스력 또는 수소결합을 형성할 수 있다. 이에 따라, 단층 시트(40)의 경우 매 시트마다 표면을 가지므로 모든 시트의 표면은 작용기를 가질 수 있으며, 작용기(R)에 의해, 단층 시트(40) 간 층간 간격(t1)을 형성할 수 있다. 또한, 다층 시트(50)의 경우, 이를 구성하는 단일층의 시트 중에서 표면에 위치하는 시트는 작용기(R)를 가질 수 있으며, 인접한 다층 시트(50) 간 층간 간격(t1)을 형성할 수 있다. 또한, 다층 그래핀의 내부에 위치한 그래핀은 작용기를 구비하지 않을 수 있으므로, 그래핀의 내부에 위치한 그래핀 사이의 층간 간격(t2)은 인접한 다층 그래핀 간 층간 간격(t1)보다 작을 수 있다.
상기의 시트 간 층간 간격(t1)은 통로로서 채널 역할을 수행하여 물질을 통과시킬 수 있다. 자세하게는, 작용기에 따라, 시트의 표면 전하가 음이온인 경우, 표면 전하와 같은 부호의 전하를 띄는 이온은 반발(repulsion)에 의해 통과할 수 없으므로 음이온의 이동을 막고, 표면 전하와 반대 부호의 전하를 띄는 이온인 양이온은 통과시킬 수 있다. 즉, 2차원 물질 시트의 표면 전하와 반대 부호의 전하를 띄는 이온에 대한 선택성을 가지며, 이온 채널의 역할을 수행하는 것일 수 있다. 나아가, 시트의 표면 전하가 반대 전하를 띄도록 별도의 후 처리를 하는 경우, 후 처리 하기 전에 통과시킨 이온과 반대 부호의 전하를 띄는 이온에 대한 선택성을 가질 수도 있다.
2차원 물질 시트의 일 예로서, 그래핀 시트를 이용할 수 있으며, 그래핀으로 단층 그래핀(single-layer graphene) 또는 다층 그래핀(few-layer graphene)을 이용할 수 있다. 다층 그래핀은 단일층의 그래핀(51)이 2개 내지 10개가 적층된 구조일 수 있다. 상기 그래핀 시트는 산화된 것을 이용할 수 있다. 산화된 그래핀 시트는 각 표면의 에지(edge) 부분 및 상하 부분에 R(작용기)을 구비하는 구조일 수 있다. 상기 R은 -OH, -COOH일 수 있다. 산화된 그래핀 시트와 같이, 시트의 표면에 작용기를 갖는 나노 채널은 채널 자체가 이온 선택성을 가질 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 나노 채널 구조물은 2차원 물질의 표면 전하, 표면 작용기, 기공도 등을 개질함으로써, 이온 선택성을 제어할 수 있으며, 최종적으로 원하는 나노 채널 구조물의 구조를 제조할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 채널 구조물의 활용예로서, 각각 필름 형태 및 섬유 형태의 나노 채널 구조물을 나타낸 모식도이다.
도 5를 참조하면, 필름 형태의 나노 채널 구조물을 포함하는 발전기 시스템을 나타낸 것으로, 이를 통해 에너지를 얻을 수 있다. 자세하게는, 농도 차를 갖는 두 전해질 사이에 상기 나노 채널 구조물이 위치할 수 있다. 전해질 내의 이온은 발전기 시스템 내에서 삼투압 현상에 의해 수송되며, 수송된 이온은 나노 채널 구조물을 통해 투과되는 것일 수 있다. 이 때, 나노 채널 구조물에 포함된 것으로, 시트들 사이의 나노 채널(20)을 따라 나노 채널을 구성하는 시트의 평면과 평행한 방향으로 이온이 이동하는 것일 수 있다. 따라서, 상기 나노 채널은 이온 교환막 역할을 수행할 수 있으며, 이온 교환막은 선택적으로 이온을 투과시키며, 삼투압 에너지를 만드는 것일 수 있다.
도 6을 참조하면, 섬유 형태의 나노 채널 구조물을 포함하는 케이블을 나타낸 것이다. 자세하게는, 전해 용액 A 및 B의 두 전해 용액 사이에 나노 채널 구조물이 위치할 수 있다. 용액에 전압을 가함으로써 전해 용액 내의 이온은 나노 채널 구조물을 통하여 수송되는 것일 수 있다. 이 때, 나노 채널 구조물은 이온 수송 케이블 역할을 수행하는 것일 수 있으며, 이온 수송 케이블은 선택적으로 이온을 수송시키는 것일 수 있다.
상기의 활용예 외에도, 나노 채널 구조물은 이온 선택적 특성을 이용하여, 이온 측정을 위한 전극에 이용할 수 있으며, 타겟 물질을 검출하는 센서 분야로 활용할 수 있으며, 해수의 담수화에 이용하는 막으로 수처리 분야에서 활용할 수도 있을 것이다. 이온 선택적 특성을 이용하여 활용 가능한 구조라면, 이에 제한되지 않고 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실험예들; Examples]
개질된 2차원 물질 시트 실시예
물을 용매로 이용한 0.2wt%의 산화 그래핀 분산액, 28 내지 30%의 암모니아 용액(용매로 물을 이용함) 및 30%의 과산화수소 용액(용매로 물을 이용함)을 혼합한 후, 55℃에서 5시간 열처리하였다. 이후, 원심 분리하여 생성된 부산물을 제거한 다음, 투석(dialysis)장치를 이용하여 용액 내 존재하는 암모니아를 제거하였다. 이에 따라, 15μm 두께의 개질된 산화 그래핀 시트를 얻었다.
도 7a는 산화 그래핀 시트 실시예에 따른 개질된 산화 그래핀 시트의 기공을 관찰한 투과전자현미경(TEM) 이미지이다. 도 7b는 상기 기공의 지름 분율을 분석한 그래프이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 개질된 산화 그래핀 시트에는 다수의 미세 기공이 형성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 미세 기공의 지름 분율은 평균 10.6±7.5nm 인 것을 확인할 수 있다.
나노 채널 구조물 제조예
상기 개질된 2차원 물질 시트 제조예에 따라 얻어진 개질된 산화 그래핀 시트의 분산액에 외부 압력을 이용하여 진공 여과 공정을 거친 후, 분산액에 포함된 용매인 물을 제거하여 막(membrane)을 제조함으로써 나노 채널 구조물을 얻었다.
나노 채널 구조물 비교예
산화 그래핀 시트가 개질되지 않은 것을 사용한 것을 제외하고는 나노 채널 구조물 제조예와 동일한 방법으로 산화 그래핀 시트로 자기 조립하여 막(membrane)을 제조하여 나노 채널 구조물을 얻었다.
도 8은 나노 채널 구조물의 제조예 및 비교예에 따른 나노 채널 구조물의 단면을 관찰한 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 8을 참조하면, 나노 채널 구조물의 제조예에 따른 나노 채널 구조물은 개질된 산화 그래핀 시트를 포함하고 있어 상기 시트들은 시트의 층간 간격이 좁아 조밀한 구조를 형성하므로, 비교예에 따른 나노 채널 구조물에 비하여 시트가 촘촘히 적층되고 보다 정교한 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다.
이온 전도도 및 전력 측정예
상기 나노 채널 구조물 제조예에 따라 얻어진 나노 채널 구조물을 유리 사이에 삽입하여 셀(cell)을 제작하였다. 이 때, 유리는 소수성 처리하여, 나노 채널 구조물으로만 이온이 통과할 수 있도록 하였다. 제작된 셀은 폴리디메틸실록산(PDMS)로 만든 스테이지(stage)에 놓고, 전해질 용액이 담긴 저장조(reservoir) 사이에 위치시켰다.
도 9는 나노 채널 구조물 제조예 및 비교예에 따른 나노 채널 구조물의 이온 전도도를 나타낸 그래프이다. 상기 저장조에 담긴 KCl 전해질 용액의 농도가 같은 경우, 외부의 전압 차이에 의해 이온이 이동하면서 전류가 흐르게 되므로 이를 통해 이온 전도도를 구한 것이다. 정확한 비교를 위하여 벌크 채널을 대조군으로 하여 함께 측정하였다.
도 9를 참조하면, 나노 채널 구조물 비교예 및 대조군에 비하여 나노 채널 구조물의 제조예에 따른 나노 채널 구조물이 우수한 이온 전도도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는, 나노 채널 구조물 제조예의 경우, 채널이 나노 크기의 간격을 가지므로 낮은 농도에서도 이온을 선택적으로 수송시킬 수 있으나, 대조군의 벌크 채널은 이온 선택 특성이 없으므로 대조군에 비해 높은 이온전도도를 갖는 것으로 해석된다. 또한, 나노 채널 구조물 제조예인 개질된 산화 그래핀 시트는 미세 기공을 가지므로, 나노 채널 구조물 비교예의 개질되지 않은 산화 그래핀 시트보다 더 조밀한 구조로 나노 채널을 형성할 수 있음을 뒷받침 한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질된 산화 그래핀 시트를 이용한 나노 채널 구조물은 용이하게 이온 수송을 할 수 있으며 개질되지 않은 산화 그래핀보다 높은 이온 전도도를 가질 수 있다.
도 10은 나노 채널 구조물 제조예 및 비교예에 따른 나노 채널 구조물의 전력 발생 정도를 나타낸 그래프이다. 상기 저장조에 담긴 KCl 전해질 용액의 농도를 달리하여 형성된 전위차에 의해 발생된 전력을 측정하였다.
도 10을 참조하면, 제조예인 미세 기공을 갖는 개질된 산화 그래핀 시트는 보다 조밀한 구조로 인한 높은 이온 선택성과 이온 수송 속도를 가지며, 이로 인해 산화 그래핀 시트에 비하여 보다 높은 전력 수치를 나타냄을 알 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (10)
- 미세 기공들을 구비하도록 개질된 다수의 2차원 물질 시트들이 적층된 형태를 가지며,
상기 시트들 사이의 나노 채널과 상기 미세 기공들에 의해 형성되는 나노 채널을 포함하는 나노 채널 구조물. - 청구항 1에 있어서,
상기 2차원 물질은 2차원 그래핀 물질, 2차원 전이금속 카바이드(Mxene), 2차원 칼코젠 화합물, 2차원 세라믹 물질 또는 2차원 인 계열 물질을 포함하는 나노 채널 구조물. - 청구항 1에 있어서,
상기 2차원 물질은 그래핀, 플루오르 그래핀, 산화 그래핀, 환원된 산화 그래핀 또는 육방정계 질화붕소를 포함하는 나노 채널 구조물. - 청구항 1에 있어서,
상기 나노 채널은 이온 선택성을 갖는 것으로,
상기 2차원 물질 시트의 표면 전하와 반대 부호의 전하를 띄는 이온에 대한 선택성을 갖는 나노 채널 구조물. - 청구항 1에 있어서,
상기 시트들 사이의 나노 채널은,
상기 다수 개의 개질된 2차원 물질 시트들 간 층간 간격에 의해 생성되는 것으로, 상기 시트들 사이의 나노 채널을 따라 상기 시트의 평면과 평행한 방향으로 물질을 통과시키는 나노 채널 구조물. - 청구항 1에 있어서,
상기 시트들 사이의 나노 채널의 평균 두께는 0.1 내지 50nm인 나노 채널 구조물. - 청구항 1에 있어서,
상기 미세 기공들에 의해 형성되는 나노 채널은,
상기 2차원 물질 시트들을 관통하는 것으로서, 상기 미세 기공들에 의해 시트의 평면과 수직한 방향으로 연결되는 나노 채널 구조물. - 청구항 1에 있어서,
상기 미세 기공의 평균 직경은 1 내지 20nm인 나노 채널 구조물. - 미세 기공들을 구비하도록 개질된 2차원 물질 시트를 제조하는 단계; 및
상기 개질된 2차원 물질 시트를 자기조립 하여 나노 채널 구조물을 제조하는 단계를 포함하는 나노 채널 구조물의 제조방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 개질된 2차원 물질 시트를 제조하는 단계는,
2차원 물질 분산액을 준비하는 단계;
상기 2차원 물질 분산액에 산화제를 첨가하는 단계;
상기 산화제가 첨가된 2차원 물질 분산액에 pH 조절제를 더 첨가하는 단계;
상기 혼합액에 열처리하는 단계를 포함하는 나노 채널 구조물의 제조방법.
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2019
- 2019-04-18 KR KR1020190045651A patent/KR20200122670A/ko not_active Application Discontinuation
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