KR20210043280A - Preparing method and direct writing method of metal nanoparticle using ac-driven atmospheric pressure plasma - Google Patents
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Abstract
Description
교류-구동 대기압 플라즈마를 사용하는 금속 나노파티클의 제조방법 및 직접 기록방법이 제공된다.A method for producing metal nanoparticles using an AC-driven atmospheric pressure plasma and a direct recording method are provided.
현대사회에서 나노 기술은 가전, 의료, 식품 등 우리 생활의 전반을 걸쳐 응용되고 있다. 나노 기술은 크기 또는 구조가 1 내지 100nm인 물질을 이용한 기술을 의미하는데, 이러한 나노 기술에 필요한 나노 물질을 제조하기 위한 여러 가지 방법이 연구되고 있는 실정이다.In the modern world, nanotechnology is being applied throughout our lives, such as home appliances, medical care, and food. Nanotechnology refers to a technology using a material having a size or structure of 1 to 100 nm, and various methods for preparing nanomaterials required for such nanotechnology are being studied.
나노 물질인 금속 나노파티클(nanoparticle)을 제조하기 위해 사용되는 방법은 금속 진공 기화법 또는 금속 이온 환원법이다. 금속 진공 기화법은 기화된 금속 원자를 차가운 기판 위에 응축시키면서 서서히 뭉치는 과정을 통해 금속 나노파티클을 형성하는 현상을 이용한 방법이고, 금속 이온 환원법은 금속 이온을 환원제를 이용하여 환원시켜 환원된 금속 원자들이 서로 모여 나노파티클을 형성하는 현상을 이용한 방법이다. 이 중에서 금속 이온 환원법은 그 방식이 간편하여 금속 나노파티클을 제조하는데 주로 사용된다. 그런데 금속 이온을 환원시키는데 사용되는 환원제는 환경적으로 매우 유해하고, 나노파티클을 합성한 후에 환원제 사용 후 발생하는 유해물질을 제거하기 위해 세정단계를 거치게 되면 추가비용이 발생되는 문제가 있다.A method used to prepare a nanomaterial, a metal nanoparticle, is a metal vacuum vaporization method or a metal ion reduction method. The metal vacuum vaporization method uses the phenomenon of forming metal nanoparticles by gradually condensing vaporized metal atoms on a cold substrate and agglomerating them. The metal ion reduction method reduces metal atoms by reducing metal ions using a reducing agent. It is a method using the phenomenon of gathering together to form nanoparticles. Among them, the metal ion reduction method is mainly used to manufacture metal nanoparticles because of its simple method. However, the reducing agent used to reduce the metal ions is very harmful to the environment, and after synthesizing the nanoparticles, there is a problem that additional costs are incurred when a cleaning step is performed to remove harmful substances generated after the use of the reducing agent.
이러한 문제를 해결하기 위해 최근 전기화학 플라즈마(Electrochemical Plasma)로 불리는 방법에 따른 나노파티클 제조방법의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 전기화학 플라즈마는 전자, 이온 및 반응성 물질의 공급원으로서, 플라즈마를 통해 공급된 전자가 금속 물질의 전기화학 반응을 가능하게 할 수 있고, 금속 이온이 플라즈마를 통해 공급된 전자에 의해 환원되어 나노파티클이 제조될 수 있다. 이러한 전기화학 플라즈마를 이용한 나노파티클 제조방법의 경우, 기존의 전기화학에서 사용되는 두 개의 고체 전극(환원 전극 및 산화 전극) 중에서 환원 전극을 플라즈마로 대체하여 나노 물질을 제조하게 된다.In order to solve this problem, research on a method of manufacturing nanoparticles according to a method called electrochemical plasma has been actively conducted in recent years. Electrochemical plasma is a source of electrons, ions, and reactive substances, and electrons supplied through the plasma can enable electrochemical reactions of metal substances, and metal ions are reduced by electrons supplied through the plasma, resulting in nanoparticles. Can be manufactured. In the case of a nanoparticle manufacturing method using such an electrochemical plasma, a nanomaterial is manufactured by replacing a reduction electrode with plasma among two solid electrodes (reduction electrode and oxidation electrode) used in conventional electrochemistry.
한편, 플라즈마 구동 방식과 관련하여, 플라즈마에서 액체로의 전류 흐름(current flow)을 갖는 직류-구동 대기압 플라즈마가 널리 연구되고 있다.Meanwhile, in relation to the plasma driving method, a DC-driven atmospheric pressure plasma having a current flow from plasma to liquid has been widely studied.
본 발명의 한 실시예에 따른 금속 나노파티클의 제조방법 및 금속 나노파티클의 기록방법은 교류에 의해 구동되는 대기압 플라즈마를 활용하기 위한 것이다.A method for producing metal nanoparticles and a method for recording metal nanoparticles according to an embodiment of the present invention is for utilizing atmospheric pressure plasma driven by alternating current.
본 발명의 한 실시예에 따른 금속 나노파티클의 제조방법 및 금속 나노파티클의 기록방법은 금속 이온의 환원 반응을 촉진시키기 위한 것이다.A method for producing metal nanoparticles and a method for recording metal nanoparticles according to an embodiment of the present invention is for promoting a reduction reaction of metal ions.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다. In addition to the above problems, embodiments according to the present invention may be used to achieve other tasks not specifically mentioned.
본 발명의 한 실시예에 따른 금속 나노파티클의 제조방법은, 금속 이온을 포함하는 전해액 및 플라즈마 생성부를 포함하는 환원 반응조, 그리고 산화 전극을 포함하는 산화 반응조를 포함하는 금속 나노파티클의 제조 장치에서, 플라즈마 생성부에 교류 전압을 인가하여 교류-구동 대기압 플라즈마를 발생시키는 단계, 그리고 금속 이온과 교류-구동 대기압 플라즈마에서 공급된 전자를 환원 반응시켜 금속 나노파티클을 형성하는 단계를 포함한다.A method for producing metal nanoparticles according to an embodiment of the present invention is an apparatus for producing metal nanoparticles including a reduction reaction tank including an electrolyte solution containing metal ions and a plasma generation unit, and an oxidation reaction tank including an oxidation electrode, And generating an AC-driven atmospheric pressure plasma by applying an AC voltage to the plasma generator, and forming metal nanoparticles by reducing metal ions and electrons supplied from the AC-driven atmospheric pressure plasma.
여기서, 교류-구동 대기압 플라즈마의 실효값 전류가 커질수록 상기 환원 반응의 반응 속도가 증가한다.Here, as the RMS current of the AC-driven atmospheric pressure plasma increases, the reaction rate of the reduction reaction increases.
플라즈마 생성부에 인가되는 전압이 커지면서 교류-구동 대기압 플라즈마의 실효값 전류가 커질 수 있다.As the voltage applied to the plasma generating unit increases, the effective current of the AC-driven atmospheric pressure plasma may increase.
플라즈마 생성부에 인가되는 교류 전원의 주파수가 커지면서 교류-구동 대기압 플라즈마의 실효값 전류가 커질 수 있다.As the frequency of the AC power applied to the plasma generating unit increases, the effective value current of the AC-driven atmospheric pressure plasma may increase.
금속은 금(Au)을 포함할 수 있다.The metal may include gold (Au).
본 발명의 한 실시예에 따른 금속 나노파티클의 기록방법은, SBS 및 PF-108을 포함하는 섬유 매트를 준비하는 단계, 섬유 매트를 금속 이온을 포함하는 금속 전구체 용액에 침지시키는 단계, 섬유 매트를 건조시키는 단계, 섬유 매트 상에 탈이온수를 드롭시켜 탈이온수가 흡수된 섬유 매트를 형성하는 단계, 그리고 탈이온수가 흡수된 섬유 매트를 플라즈마 생성부에 교류 전압을 인가하여 발생된 교류-구동 대기압 플라즈마에 노출시켜 금속 이온을 환원시켜 금속 나노파티클 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.The method for recording metal nanoparticles according to an embodiment of the present invention includes preparing a fiber mat including SBS and PF-108, immersing the fiber mat in a metal precursor solution containing metal ions, and forming the fiber mat. AC-driven atmospheric pressure plasma generated by drying, dropping deionized water on the fiber mat to form a fiber mat absorbed with deionized water, and applying an alternating voltage to the plasma generating part of the fiber mat absorbed with deionized water And forming a metal nanoparticle pattern by exposure to the metal ion to reduce the metal ion.
섬유 매트의 총 질량을 기준으로, PF-108의 함량이 0.1 ~ 30 중량%일 수 있다.Based on the total mass of the fiber mat, the content of PF-108 may be 0.1 to 30% by weight.
PF-108의 함량이 증가하면서 탈이온수가 흡수된 섬유 매트의 탈이온수 흡수율이 증가할 수 있다.As the content of PF-108 increases, the deionized water absorption rate of the fiber mat absorbed with deionized water may increase.
PF-108의 함량이 증가하면서 금속 나노파티클 패턴을 형성하는 단계에서 생성되는 금속 나노파티클의 밀도가 커질 수 있다.As the content of PF-108 increases, the density of the metal nanoparticles generated in the step of forming the metal nanoparticle pattern may increase.
섬유 매트를 준비하는 단계에서, SBS, PF-108, DMF 및 THF를 포함하는 용액을 전기방사하여 섬유 매트를 형성할 수 있다.In the step of preparing the fiber mat, a solution containing SBS, PF-108, DMF, and THF may be electrospun to form a fiber mat.
금속은 금(Au)을 포함하고, 금속 전구체 용액은 금 이온을 포함하는 알코올 용액일 수 있다.The metal may contain gold (Au), and the metal precursor solution may be an alcohol solution containing gold ions.
탈이온수가 흡수된 섬유 매트를 형성하는 단계와 금속 나노파티클 패턴을 형성하는 단계 사이에, 과량이 탈이온수를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.Between the step of forming the fiber mat in which the deionized water is absorbed and the step of forming the metal nanoparticle pattern, the step of removing excess deionized water may be further included.
금속 나노파티클 패턴을 형성하는 단계에서, 탈이온수가 흡수된 섬유 매트의 일부 영역을 교류-구동 대기압 플라즈마에 노출시켜 패턴이 형성될 수 있다.In the step of forming the metal nanoparticle pattern, the pattern may be formed by exposing a portion of the fiber mat in which the deionized water is absorbed to an AC-driven atmospheric pressure plasma.
탈이온수가 흡수된 섬유 매트를 형성하는 단계에서, 섬유 매트 상에 탈이온수의 증발을 방지하는 필터 또는 종이를 배치시킬 수 있다.In the step of forming the fiber mat in which the deionized water is absorbed, a filter or paper may be disposed on the fiber mat to prevent evaporation of the deionized water.
필터는 친수성 polytetrafluoroethylene(PTFE) 필터일 수 있다.The filter may be a hydrophilic polytetrafluoroethylene (PTFE) filter.
본 발명의 한 실시예에 따른 금속 나노파티클의 제조방법 및 금속 나노파티클의 기록방법은 교류에 의해 구동되는 대기압 플라즈마를 활용할 수 있고, 금속 이온의 환원 반응을 촉진시킬 수 있다.The method of manufacturing metal nanoparticles and recording method of metal nanoparticles according to an exemplary embodiment of the present invention may utilize an atmospheric pressure plasma driven by alternating current, and may promote a reduction reaction of metal ions.
도 1은 실시예에 따른 금속 나노파티클의 제조장치를 나타내는 도면이다.
도 2의 (a)는 도 1의 금속 나노파티클의 제조장치의 일예를 나타내는 사진이고, (b)는 약 90분 동안의 환원 반응을 통해 제조된 금속 나노파티클의 TEM 이미지이며, (c)는 금속 나노파티클의 형성을 확인하기 위한 UV-Vis 흡광도 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3은 인가 전압(input voltage), 주파수(frequency), 접지 형태에 따른 UV-Vis 흡광도 스펙트럼을 나타내는 그래프들이다.
도 4는 도 3의 UV-Vis 흡광도 스펙트럼에서 530 nm 에서 피크의 세기 변화를 나타내는 그래프들이다.
도 5는 플라즈마 노출 시간에 따른 금속 나노파티클의 입자의 TEM 이미지들과 입자 크기 분포를 나타내는 그래프들이다. (a)와 (e)는 플라즈마 노출시간이 30분일 때, (b)와 (f)는 45분일 때, (c)와 (g)는 60분일 때, (d)와 (h)는 90분일 때를 나타낸다.
도 6은 실시예에 따른 금속 나노파티클의 기록방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 직접 기록 과정을 보여주는 이미지들이다.
도 8은 각각 PF-108이 (a) 0, (b) 2, (c) 4 및 (d) 6% 포함된 전기방사 섬유 매트의 SEM 이미지들을 나타낸다.
도 9는 도 8의 (d)의 섬유 매트의 AT-FTIR(FT/IR-6100, Jasco) 스펙트럼 결과를 나타낸다.
도 10은 실시예에 따른 섬유 매트에서의 PF-108의 함량에 따른 에탄올 및 물의 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예에 따른 섬유 매트에 교류-구동 대기압 플라즈마를 사용한 직접 기록 공정을 나타내는 사진들이다.
도 12는 실시예에 따른 섬유 매트의 약 20 ㎕의 탈이온수에 대한 시간에 따른 접촉각 변화를 나타내는 사진들이다.
도 13은 실시예에 따른 섬유 매트의 약 20 ㎕의 에탄올에 대한 시간에 따른 접촉각 변화를 나타내는 사진들이다.
도 14의 (a)는 실시예에 따른 교류-구동 대기압 플라즈마를 사용한 직접 기록 공정을 나타내는 도면이고, (b) 내지 (d)는 섬유 매트가 SBS를 포함하고 PF-108을 포함하지 않는 경우의 직접 기록이 이루어진 섬유 매트의 고해상도 광학 사진 및 SEM 사진이고, (e) 내지 (g)는 섬유 매트가 SBS 및 약 2 wt%의 PF-108을 포함하는 경우의 직접 기록이 이루어진 섬유 매트의 고해상도 광학 사진 및 SEM 사진을 나타낸다.
도 15의 (a)는 실시예에 따른 교류-구동 대기압 플라즈마를 사용한 직접 기록 공정을 나타내는 도면이고, (b)는 직접 기록이 이루어진 섬유 매트의 고해상도 광학 사진들이며, (c)는 SEM 사진들이다.1 is a view showing an apparatus for manufacturing metal nanoparticles according to an embodiment.
FIG. 2 (a) is a photograph showing an example of the apparatus for manufacturing metal nanoparticles of FIG. 1, (b) is a TEM image of metal nanoparticles manufactured through a reduction reaction for about 90 minutes, and (c) is It is a graph showing the UV-Vis absorbance spectrum for confirming the formation of metal nanoparticles.
3 are graphs showing UV-Vis absorbance spectra according to an input voltage, a frequency, and a grounding type.
FIG. 4 is a graph showing a change in intensity of a peak at 530 nm in the UV-Vis absorbance spectrum of FIG. 3.
5 are graphs showing TEM images and particle size distribution of particles of metal nanoparticles according to plasma exposure time. (a) and (e) are when plasma exposure time is 30 minutes, (b) and (f) are 45 minutes, (c) and (g) are 60 minutes, and (d) and (h) are 90 minutes Indicates the time.
6 is a diagram illustrating a method of recording metal nanoparticles according to an embodiment.
7 are images showing a direct recording process according to an embodiment.
8 shows SEM images of an electrospun fiber mat containing (a) 0, (b) 2, (c) 4 and (d) 6% of PF-108, respectively.
9 shows the result of AT-FTIR (FT/IR-6100, Jasco) spectrum of the fiber mat of FIG. 8(d).
10 is a graph showing the absorption rate of ethanol and water according to the content of PF-108 in the fiber mat according to the embodiment.
11 are photographs showing a direct recording process using an AC-driven atmospheric pressure plasma on a fiber mat according to an embodiment.
12 are photographs showing a change in contact angle with time for about 20 μl of deionized water of a fiber mat according to an embodiment.
13 are photographs showing a change in contact angle with time for about 20 μl of ethanol of a fiber mat according to an embodiment.
14A is a diagram showing a direct recording process using an AC-driven atmospheric pressure plasma according to an embodiment, and (b) to (d) are when the fiber mat contains SBS and does not contain PF-108. High-resolution optical and SEM photographs of the fiber mat with direct recording, (e) to (g) are high-resolution optics of the fiber mat with direct recording when the fiber mat contains SBS and about 2 wt% of PF-108 Pictures and SEM pictures are shown.
FIG. 15A is a diagram showing a direct recording process using an AC-driven atmospheric pressure plasma according to an embodiment, (b) is a high-resolution optical picture of a fiber mat in which the direct recording is made, and (c) is an SEM picture.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.With reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. The present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification. In addition, in the case of a well-known technology, a detailed description thereof will be omitted.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thicknesses are enlarged in order to clearly express various layers and regions. When a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where the other part is "directly above", but also the case where there is another part in the middle. On the other hand, when a part is said to be "right above" another part, it means that there is no other part in the middle. Conversely, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "below" another part, this includes not only the case where the other part is "directly below", but also the case where there is another part in the middle. On the other hand, when a part is said to be "right below" another part, it means that there is no other part in the middle.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.
교류-구동 대기압 플라즈마는 공간적으로 제약되거나 구속되지 않으므로 국부적(localized) 플라즈마-유도 화학 반응에 적합할 수 있고, 기체-액체 계면뿐만 아니라 기체-고체(고분자 박막 필름) 계면에서의 플라즈마-유도 화학 반응에도 적합할 수 있다. 또한, 교류-구동 대기압 플라즈마는 단일 스텝(step)으로 패터닝된 금속 나노파티클을 형성하는 직접 기록에 적용될 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 교류-구동 대기압 플라즈마는 플라즈마-액체 상호작용에 의한 금속 나노파티클의 대량 생산이나, 플라즈마-고체 계면에 의한 고해상도(high resolution) 직접 기록 패터닝과 같은 다양한 상황에 유용하게 적용될 수 있다.Since AC-driven atmospheric pressure plasma is not spatially constrained or constrained, it can be suitable for localized plasma-induced chemical reactions, and plasma-induced chemical reactions at the gas-liquid interface as well as the gas-solid (polymer thin film) interface. May also be suitable. In addition, AC-driven atmospheric pressure plasma can be applied to direct recording to form patterned metal nanoparticles in a single step. Therefore, the AC-driven atmospheric pressure plasma according to the embodiment can be usefully applied in various situations such as mass production of metal nanoparticles by plasma-liquid interaction or high resolution direct recording patterning by plasma-solid interface. have.
도 1은 실시예에 따른 금속 나노파티클의 제조장치를 나타내는 도면이다.1 is a view showing an apparatus for manufacturing metal nanoparticles according to an embodiment.
이하 도 1을 참조하여 실시예에 따른 금속 나노파티클(nanoparticle)의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a metal nanoparticle according to an embodiment will be described with reference to FIG. 1.
금속 나노파티클의 제조방법은, 금속 이온을 포함하는 전해액(114) 및 플라즈마 생성부(118)를 포함하는 환원 반응조(110), 그리고 산화 전극을 포함하는 산화 반응조(130)를 포함하는 금속 나노파티클의 제조 장치(100)에서, 플라즈마 생성부(118)에 교류 전압을 인가하여 교류-구동 대기압 플라즈마(AC-driven atmospheric pressure plasma)를 발생시키는 단계, 그리고 금속 이온과 교류-구동 대기압 플라즈마에서 공급된 전자를 환원 반응시켜 금속 나노파티클을 형성하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing metal nanoparticles includes metal nanoparticles including a
금속 나노파티클의 제조 장치(100)는 환원 반응조(110), 산화 반응조(130)를 포함하고, 환원 반응조(110)에 배치된 플라즈마 생성부(118)가 환원 전극(cathode)의 기능을 수행하고, 산화 반응조(130)에는 금속 이온을 포함하는 전해액 및 전해액에 침지되어 있는 산화 전극(anode)이 위치한다. 산화 전극은, 예를 들어, 백금(pt) 포일(foil)일 수 있다.The
환원 반응조(110)에도 금속 이온을 포함하는 전해액(114)이 위치하고, 플라즈마 생성부(118)와 전해액(114)의 계면 사이에서 플라즈마가 발생되며, 플라즈마로부터 전해액(114)으로 전자가 공급될 수 있다.An
플라즈마 생성부(118)는 고전압 교류에 연결되고, 좁은 글래스 튜브(narrow glass tube)를 사용하여 외부 환경과 단절된 내부 전극(tungsten electrode)을 포함한다. 헬륨(He) 가스 플로우(flow)가 글래스 튜브에 연결되어 있고, 질량 유량 컨트롤러(mass flow controller, MFC)에 의해 조절될 수 있다.The
여기서, 금속은, 예를 들어, 금(Au)을 포함할 수 있다. 환원 반응조(110)의 전해액(114)은 금속 전구체 용액일 수 있고, 전해액(114)에 포함되어 있는 금속 이온은, 예를 들어, 금 이온일 수 있다. 금속 이온을 공급하는 금속 전구체는, 예를 들어, HAuCl4 또는 KAuCN2 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Here, the metal may include, for example, gold (Au). The
환원 반응조(110)에서, 금속 이온은 플라즈마에서 공급된 전자와 환원 반응을 하여 금속 나노파티클이 될 수 있다.In the
여기서, 교류-구동 대기압 플라즈마의 실효값(root mean square, RMS) 전류는 환원 반응의 반응 속도(reacting kinetics)에 직접적으로 비례할 수 있고, 교류-구동 대기압 플라즈마의 RMS 전류가 커질수록, 환원 반응의 반응 속도가 증가할 수 있다. RMS 전류가 커지면, 전자의 높은 플럭스(flux)가 전해액 표면에 도달하게 되고, 이로 인해 환원 반응의 반응 속도가 증가할 수 있다.Here, the root mean square (RMS) current of the AC-driven atmospheric pressure plasma can be directly proportional to the reaction kinetics of the reduction reaction, and as the RMS current of the AC-driven atmospheric pressure plasma increases, the reduction reaction The reaction rate of can be increased. When the RMS current increases, a high flux of electrons reaches the surface of the electrolyte solution, thereby increasing the reaction rate of the reduction reaction.
플라즈마 생성부(118)에 인가되는 전압이 커질수록 교류-구동 대기압 플라즈마의 RMS 전류가 커질 수 있다. 또한, 플라즈마 생성부(118)에 인가되는 교류 전원(power)의 주파수가 커지면서 교류-구동 대기압 플라즈마의 RMS 전류가 커질 수 있다.As the voltage applied to the
도 6은 실시예에 따른 금속 나노파티클의 기록방법을 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating a method of recording metal nanoparticles according to an embodiment.
도 6을 참조하면, 금속 나노파티클의 기록방법은, i) SBS (poly(styrene-block-butadiene-block-styrene)) 및 PF-108 (poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol))을 포함하는 섬유 매트(fibrous mat)(210)를 준비하는 단계, ii) 섬유 매트(210)를 금속 이온을 포함하는 금속 전구체 용액(212)에 침지시키는 단계, iii) 섬유 매트(210)를 건조시키는 단계, iv) 섬유 매트(210) 상에 탈이온수(deionized water, DI water)를 드롭(drop)시켜 탈이온수가 흡수된 섬유 매트를 형성하는 단계, 그리고 v) 탈이온수가 흡수된 섬유 매트(210)를 플라즈마 생성부(218)에 교류 전압을 인가하여 발생된 교류-구동 대기압 플라즈마(AC-driven atmospheric pressure plasma)에 노출시켜 금속 이온을 환원시켜 금속 나노파티클 패턴(pattern)을 형성하는 단계를 포함한다.Referring to FIG. 6, the method of recording metal nanoparticles includes i) SBS (poly(styrene-block-butadiene-block-styrene)) and PF-108 (poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)- Preparing a
실시예에 따른 금속 나노파티클의 기록방법은 직접 기록(direct writing) 방법으로, 금속 나노파티클로 이루어진 특정 형태의 패턴을 형성할 수 있다. 플라즈마의 공간 해상도(spatial resolution)가 나노 스케일로 쉽게 축소될 수 있기 때문에, 이러한 직접 기록방법은 금속 나노파티클 패터닝(patterning)을 필요로 하는 모든 분야에 적용 가능하다.The method of writing metal nanoparticles according to the embodiment is a direct writing method, and a pattern of a specific shape made of metal nanoparticles may be formed. Since the spatial resolution of the plasma can be easily reduced to the nanoscale, this direct recording method is applicable to all fields requiring metal nanoparticle patterning.
먼저, 섬유 매트(210)를 준비하는 단계가 수행된다.First, a step of preparing the
섬유 매트(210)를 준비하는 단계에서, 섬유 매트는 수불용성 매트일 수 있고, SBS 물질을 포함한다. SBS는 중간 블록(mid-block)의 폴리스티렌과 양 끝단 블록의 폴리부타디엔으로 이루어진 강한(hard) 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer)이다. 섬유 매트(210)의 총 질량을 기준으로 SBS는 약 9 ~ 20 중량% 포함될 수 있다.In the step of preparing the
SBS는 높은 알코올(에탄올 등) 흡수율을 나타낸다.SBS shows high alcohol (ethanol, etc.) absorption.
PF-108은 섬유 매트가 탈이온수를 흡수 및 보유하는데 기여할 수 있다. 실시예에 따른 금속 나노파티클의 기록방법에서, 탈이온수는 플라즈마에서 공급된 전자의 확산성 및 금속 이온의 이동성을 크게 향상시킴으로써 금속 나노파티클을 형성하는데 중요한 역할을 수행한다. PF-108 로 인해 섬유 매트의 탈이온수 흡수율이 크게 증가할 수 있고, 이로 인해 이후 단계에서 금속 이온의 환원 반응을 촉진시킴으로써, 금속 나노파티클 패턴 형성 단계에서 금속 나노파티클의 밀도가 크게 증가할 수 있으며, 형성된 패턴이 보다 선명하고 명확해질 수 있다.PF-108 can help fiber mats absorb and retain deionized water. In the method of recording metal nanoparticles according to the embodiment, deionized water plays an important role in forming metal nanoparticles by greatly improving diffusibility of electrons supplied from plasma and mobility of metal ions. Due to PF-108, the absorption rate of deionized water of the fiber mat can be greatly increased, and by promoting the reduction reaction of metal ions in a later step, the density of metal nanoparticles can be greatly increased in the metal nanoparticle pattern formation step. , The formed pattern can be more vivid and clear.
섬유 매트(210)의 총 질량을 기준으로, PF-108의 함량이 0.1 ~ 30 중량%일 수 있고, 보다 구체적으로는 0.1 ~ 30 중량%일 수 있다. 이러한 범위 내에서, 섬유 매트(210)의 우수한 신축성 및 유연성이 확보되면서 동시에 선명한 금속 나노파티클 패턴 형성이 가능할 수 있다. Based on the total mass of the
PF-108은 친수성 PEG를 약 82.2 %, 소수성 poly(propylene oxide)(PPO)를 약 17.8 % 함유한 양친성 블록 공중합체로, 높은 물 흡수율을 나타낸다. 따라서, PF-108의 함량이 증가하면서 탈이온수가 흡수된 섬유 매트의 탈이온수 흡수율이 증가할 수 있다. PF-108 is an amphiphilic block copolymer containing about 82.2% of hydrophilic PEG and about 17.8% of hydrophobic poly(propylene oxide) (PPO), and exhibits high water absorption. Accordingly, as the content of PF-108 increases, the deionized water absorption rate of the fiber mat absorbed with deionized water may increase.
섬유 매트(210)는 SBS, PF-108, DMF(dimethylformamide) 및 THF(N,N-dimethylformamide)를 포함하는 용액을 전기방사(electrospinning)하여 제조될 수 있다. 여기서, DMF 및 THF의 부피비는 3:1일 수 있다.The
섬유 매트(210)는 부직 섬유 매트(non-woven fibrous mat)일 수 있다. PF-108의 PPO 부분은 소수성 SBS와의 우수한 혼화성(miscibility)을 나타내는 소수성 중간 블록이고, PEG로 구성된 두 개의 큰 양 끝단 블록은 수분 흡수에 기여할 수 있다.The
실시예에 따른 섬유 매트(210)는 신축성과 유연성 등이 우수하고, 기계적 성능이 뛰어나다.The
이어서, 섬유 매트(210)를 금속 이온을 포함하는 금속 전구체 용액(212)에 침지시키는 단계가 수행된다. 예를 들어, 침지 시간은 20분 내지 1시간일 수 있다.Subsequently, the step of immersing the
금속은, 예를 들어, 금(Au)을 포함할 수 있다. 금속 전구체 용액(212)은 금 이온을 포함하는 알코올 용액일 수 있고, 예를 들어, HAuCl4를 포함하는 에탄올 용액일 수 있다.The metal may include gold (Au), for example. The
이 단계에서, 섬유 매트(210)는 금속 이온(예를 들어, 금 이온)을 매트 내에 포함하게 된다. In this step, the
다음으로, 섬유 매트(210)를 건조하는 단계가 수행된다. 건조 단계는 대기 조건(ambient condition)에서 수행될 수 있고, 예를 들어, 약 60 ℃에서 건조될 수 있다.Next, a step of drying the
이어서, 섬유 매트(210) 상에 탈이온수를 드롭시켜 탈이온수가 흡수된 섬유 매트를 형성하는 단계가 수행된다.Subsequently, a step of forming a fiber mat in which the deionized water is absorbed by dropping deionized water on the
전술한 바와 같이, 섬유 매트에 포함되어 있는 PF-108 물질의 탈이온수 흡수율이 매우 높기 때문에, 탈이온수가 섬유 매트에 충분히 흡수될 수 있고, PF-108의 함량이 높을수록 탈이온수 흡수율이 높아질 수 있다.As described above, since the deionized water absorption rate of the PF-108 material contained in the fiber mat is very high, the deionized water can be sufficiently absorbed in the fiber mat, and the higher the content of PF-108, the higher the absorption rate of deionized water. have.
과량의 탈이온수를 제거하는 단계가 이어서 수행될 수 있다.The step of removing excess deionized water can then be carried out.
이어서, 탈이온수가 흡수된 섬유 매트(210)를 플라즈마에 노출시켜 금속 나노파티클 패턴을 형성하는 단계가 수행된다.Subsequently, a step of forming a metal nanoparticle pattern is performed by exposing the
섬유 매트(210)에서 일부 영역만 플라즈마에 노출될 수 있으며, 플라즈마에 노출된 부분에서 금속 이온이 환원되어 금속 나노파티클 패턴이 형성된다.Only a portion of the
패턴 형성을 위해서, 기판을 x 및 y 방향으로 이동시키기 위해 한 쌍의 컴퓨터 제어 스테핑 모터(computer-controlled stepping motors)가 사용될 수 있다.For pattern formation, a pair of computer-controlled stepping motors can be used to move the substrate in the x and y directions.
전술한 바와 같이, 섬유 매트에 포함된 PF-108 로 인해 섬유 매트의 탈이온수 흡수율이 크게 증가할 수 있고, 이로 인해 이후 단계에서 금속 이온의 환원 반응을 촉진시킴으로써, 금속 나노파티클 패턴 형성 단계에서 금속 나노파티클의 밀도가 크게 증가할 수 있으며, 형성된 패턴이 보다 선명하고 명확해질 수 있다.As described above, due to the PF-108 included in the fiber mat, the deionized water absorption rate of the fiber mat can be greatly increased, and thus, the reduction reaction of metal ions is promoted in a later step, thereby The density of nanoparticles can be greatly increased, and the formed pattern can be made clearer and clearer.
패턴의 형태는 설계에 따라 다양할 수 있다. 설계에 따라 섬유 매트의 일부 영역만을 노출시켜 원하는 패턴을 형성할 수 있다.The shape of the pattern can vary depending on the design. Depending on the design, a desired pattern can be formed by exposing only a portion of the fiber mat.
이하에서, Gold(III) chloride trihydrate (HAuCl4ㆍ3H2O, 99.9% purity), potassium dicyanoaurate (KAuCN2, 98% purity), 그리고 D-(-)-fructose는 Sigma-Aldrich, Korea.로부터 구매하였다. HCl(36.5 ~ 38%) 및 ethylalcohol anhydrous(C2H5OH, 99.9% purity)은 덕산케미칼 및 대정케미칼로부터 구매하였다. 아노드(anode)에 적용되는 Pt 포일(0.025 mm thick, 99.9% purity)은 Alfa Aesar, USA.로부터 구매하였다. 고순도 헬륨 가스(순도 99.999%)가 교류-구동 대기압 플라스마 생성을 위해 사용되었다. 실험에 사용되는 탈이온수(18.2 MΩ·cm)는 Millipore water purification system(Millipore Corp., Billerica, MA, USA)을 통해 처리되었다. 친수성 polytetrafluoroethylene(PTFE) 필터(pore size 0.2 ㎛, =25 mm, Cat.No:SL.HP020025D)는 SciLab, Korea.로부터 구매하였다. 깨끗한 선형의 삼블록(triblock) 중합체인 SBS(폴리스티렌 함량 28.4 wt%(Mn = 142,000 g/mol))는 Kraton, USA.로부터 구매하였다. PF-108(poly(ethylene glycol)(PEG) 함량 82.5 wt% (Mn = 14,600 g/mol))은 Sigma-Aldrich, Korea.로부터 구매하였다. 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF, 99.5%) 및 N,N-dimethylformamide(DMF, 99%)은 J.T. Baker, USA.로부터 구매하였다.In the following, Gold(III) chloride trihydrate (HAuCl 4 ㆍ3H 2 O, 99.9% purity), potassium dicyanoaurate (KAuCN 2 , 98% purity), and D-(-)-fructose are purchased from Sigma-Aldrich, Korea. I did. HCl (36.5 ~ 38%) and ethylalcohol anhydrous (C 2 H 5 OH, 99.9% purity) were purchased from Duksan Chemical and Daejeong Chemical. Pt foil (0.025 mm thick, 99.9% purity) applied to the anode was purchased from Alfa Aesar, USA. High purity helium gas (99.999% purity) was used to generate the AC-driven atmospheric pressure plasma. Deionized water (18.2 MΩ·cm) used in the experiment was treated through a Millipore water purification system (Millipore Corp., Billerica, MA, USA). Hydrophilic polytetrafluoroethylene (PTFE) filter (pore size 0.2 ㎛, =25 mm, Cat.No:SL.HP020025D) was purchased from SciLab, Korea. A clean linear triblock polymer, SBS (polystyrene content 28.4 wt% (Mn = 142,000 g/mol)) was purchased from Kraton, USA. PF-108 (poly(ethylene glycol) (PEG) content 82.5 wt% (Mn = 14,600 g/mol)) was purchased from Sigma-Aldrich, Korea. Tetrahydrofuran (THF, 99.5%) and N,N-dimethylformamide (DMF, 99%) were purchased from JT Baker, USA.
또한, 이하에서, 금(Au) 나노파티클의 표면 플라즈마 공명 밴드(surface plasmon resonance band)는 UV-VIS 분광기(Shimadzu UV-3600, Shimadzu Corporation, Japan)를 사용하여 측정하였다. 시료들은 약 1 ml의 용액이 약 3 ml의 탈이온수로 희석되었을 때, 매 15분마다 추출되었고, 스펙트럼은 약 300 ~ 800 nm의 범위로 측정되었다. RMS 전류 및 RMS 전압은 고전압 프로브(P6015A, Tektronix, USA) 및 교류 전류 프로브(Ac current probe)(P6022, Tektronix, USA)로 측정되었다. 전압은 디지털 오실로스코프(digital oscilloscope)(DPO 2002B, Tektronix, USA)로 측정되었다. 접촉각은 Drop shape analyzer (KRUSS, Germany)로 측정되었다. 에탄올 또는 탈이온수 약 20 ㎕ 드롭(drop)은 전기방사 매트 상에 배치시켰고, 접촉각은 시간의 함수로 특성화되었다. 표면 모폴로지(morphology)를 측정하기 위해 Field emission scanning electron microscopy(FE-SEM, ZEISS, Germany) 및 광학 마이크로스코프(optical microscopes)(KH-7700, Hirox, Japan)가 사용되었다. 고해상도 투과 전자현미경(High-resolution transmission electron microscopy, HR-TEM) 이 약 200 kV에서 작동하는 Tecnai G2 F20과 함께 사용되었다.In addition, hereinafter, the surface plasmon resonance band of gold (Au) nanoparticles was measured using a UV-VIS spectrometer (Shimadzu UV-3600, Shimadzu Corporation, Japan). Samples were extracted every 15 minutes when about 1 ml of the solution was diluted with about 3 ml of deionized water, and the spectrum was measured in the range of about 300 to 800 nm. RMS current and RMS voltage were measured with a high voltage probe (P6015A, Tektronix, USA) and an AC current probe (P6022, Tektronix, USA). Voltage was measured with a digital oscilloscope (DPO 2002B, Tektronix, USA). The contact angle was measured with a Drop shape analyzer (KRUSS, Germany). Approximately 20 μl drops of ethanol or deionized water were placed on an electrospinning mat and the contact angle was characterized as a function of time. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, ZEISS, Germany) and optical microscopes (KH-7700, Hirox, Japan) were used to measure the surface morphology. High-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) was used with a Tecnai G2 F20 operating at about 200 kV.
또한, 이하에서, 플라즈마는 교류 고전압 파워(AC hig-voltage power)의 단일 전극(ATMD-02, Applied Plasma Devices, Korea)에 의해 생성되었다. 플라즈마 생성부는 고전압 교류에 연결되고, 좁은 글래스 튜브(narrow glass tube)(내부 직경은 약 1 mm)를 사용하여 외부 환경과 단절된 내부 전극(tungsten rod, = 1.6 mm)을 포함한다. 헬륨(He) 가스 플로우(flow)가 글래스 튜브에 연결되어 있고, 질량 유량 컨트롤러(mass flow controller, MFC)에 의해 조절된다. 교류-구동 대기압 플라즈마는 글래스 튜브의 팁-노즐(tip-nozzle)에서 형성되었다. 실험이 진행되는 동안, 고정된 약 500 sccm의 헬륨 가스 유속, 조절되는 약 3 ~ 4 kV의 인가 전압, 조절되는 약 10 ~ 25 kHz의 주파수(frequency)의 조건에서, 교류-구동 대기압 플라즈마가 작동되었다. 실험이 진행되는 동안, 듀티 사이클(duty cycle)은 약 50 %에서 고정되었다.In addition, hereinafter, plasma was generated by a single electrode (ATMD-02, Applied Plasma Devices, Korea) of AC hig-voltage power. The plasma generating unit is connected to high voltage AC, and an internal electrode (tungsten rod, which is disconnected from the external environment) using a narrow glass tube (inner diameter of about 1 mm) = 1.6 mm). The helium (He) gas flow is connected to the glass tube and is regulated by a mass flow controller (MFC). An alternating current-driven atmospheric pressure plasma was formed in the tip-nozzle of the glass tube. During the experiment, an AC-driven atmospheric pressure plasma was operated under conditions of a fixed helium gas flow rate of about 500 sccm, a controlled applied voltage of about 3 to 4 kV, and a controlled frequency of about 10 to 25 kHz. Became. During the experiment, the duty cycle was fixed at about 50%.
플라즈마-액체 계면에서 플라즈마-유도 반응을 구동하기 위하여, 교류-구동 대기압 및 백금(Pt) 접지 전극(ground electrode)이 반전지(half-cell)에 설치되었다. 교류-구동 대기압 플라즈마 및 Pt 전극(1.25 mm Х 25 mm)은 각각의 환원 반응조 및 산화 반응조 내에 배치되고 글래스 프릿(glass frit)에 의해 환원 반응조와 산화 반응조가 분리되었다. 플라즈마-유도 반응은 최대 약 90분 동안 수행되었다.In order to drive the plasma-induced reaction at the plasma-liquid interface, an AC-driven atmospheric pressure and a platinum (Pt) ground electrode were installed on the half-cell. AC-driven atmospheric pressure plasma and Pt electrode (1.25 mm Х 25 mm) were disposed in each reduction reactor and oxidation reactor, and the reduction reactor and the oxidation reactor were separated by a glass frit. Plasma-induced reactions were carried out for up to about 90 minutes.
교류-구동 대기압 플라즈마를 이용한 직접 기록이 진행되었다. 기판을 x 및 y 방향으로 이동시키기 위해 한 쌍의 컴퓨터 제어 스테핑 모터(computer-controlled stepping motors)에 의해 xy-stage가 구동되었다. 스캔을 위한 스텝 크기(step size)는 약 1 ㎛였고, 스캐닝 속도는 약 100 ㎛/sec로 고정되었다. 고해상도 패턴을 얻기 위해, 약 10 ㎛ 직경(μTipTM, WPI, USA)의 유리 마이크로피펫(micropipette) 및 텅스텐 와이어(ф = 250 μm)가 사용되었다.Direct recording was performed using AC-driven atmospheric pressure plasma. The xy-stage was driven by a pair of computer-controlled stepping motors to move the substrate in the x and y directions. The step size for scanning was about 1 μm, and the scanning speed was fixed at about 100 μm/sec. To obtain a high-resolution pattern, a glass micropipette and tungsten wire (ф = 250 μm) of about 10 μm diameter (μTip™, WPI, USA) were used.
섬유 매트의 제조를 위해, 27 측정 니들(gauge needle)의 시린지 펌프(syringe pump)를 사용하여 노즐-컬렉터 거리(nozzle to collector distance) 약 15 cm, 고정된 유속 약 15 ㎕/min, 실온 및 약 25% 상대 습도에서 약 20 kV의 전압 조건에서 SBS 및 PF-108을 사용한 전기 방사 공정이 수행되었다. SBS(15 wt%) 및 PF-108(다양한 함량, 예를 들어, 0, 2, 4, 6 wt% 등)을 THF/DMF(3:1 혼합비)로 용해시켜 맑은 용액을 제조하였다. 약 4 시간 동안 섬유를 수집하였고, 컬렉터(collector)에서 섬유들을 분리시켰다. 섬유 매트의 평균 두께는 약 0.86 mm 였다.For the fabrication of the fiber mat, a nozzle to collector distance of about 15 cm, a fixed flow rate of about 15 μl/min, room temperature and approx. The electrospinning process using SBS and PF-108 was performed under a voltage condition of about 20 kV at 25% relative humidity. A clear solution was prepared by dissolving SBS (15 wt%) and PF-108 (various contents, eg 0, 2, 4, 6 wt%, etc.) in THF/DMF (3:1 mixing ratio). The fibers were collected for about 4 hours, and the fibers were separated in a collector. The average thickness of the fiber mat was about 0.86 mm.
도 2의 (a)는 도 1의 금속 나노파티클의 제조장치의 일예를 나타내는 사진이고, (b)는 약 90분 동안의 환원 반응을 통해 제조된 금속 나노파티클의 TEM 이미지이며, (c)는 금속 나노파티클의 형성을 확인하기 위한 UV-Vis 흡광도 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.FIG. 2 (a) is a photograph showing an example of the apparatus for manufacturing metal nanoparticles of FIG. 1, (b) is a TEM image of metal nanoparticles manufactured through a reduction reaction for about 90 minutes, and (c) is It is a graph showing the UV-Vis absorbance spectrum for confirming the formation of metal nanoparticles.
도 2를 참조하면, 교류-구동 대기압 플라즈마에 의한 플라즈마-유도 환원 반응을 확인하기 위해, 금 전구체 용액을 포함하는 반전지에서의 반응을 관찰하였다. 환원 반응조 및 산화 반응조 각각 약 50 ml의 전해액이 채워졌고, 전해액은 약 0.5 mM의 HAuCl4, 약 10 mM의 D-(-)-fructose, 그리고 약 1 mM의 HCl을 포함하였다. 플라즈마는 약 4 kV의 인가 전압, 약 25 kHz의 주파수에서, 약 90분 동안 전해액의 표면에서 점화되었다. 결과적으로, 환원 반응조(플라즈마 반응조)에서만 노란색에서 보라색으로의 색상 변화가 발생하였고, 이는 금 나노파티클의 형성을 나타내는 지표이다. 반면, 산화 반응조에서는 색상 변화가 관찰되지 않았다(도 2의 (a)). Referring to FIG. 2, in order to confirm a plasma-induced reduction reaction by an AC-driven atmospheric pressure plasma, a reaction in a half cell containing a gold precursor solution was observed. Each of the reduction reactor and the oxidation reactor was filled with about 50 ml of an electrolyte solution, and the electrolyte solution contained about 0.5 mM HAuCl 4 , about 10 mM D-(-)-fructose, and about 1 mM HCl. The plasma was ignited on the surface of the electrolyte for about 90 minutes at an applied voltage of about 4 kV, a frequency of about 25 kHz. As a result, the color change from yellow to purple occurred only in the reduction reactor (plasma reactor), which is an indicator of the formation of gold nanoparticles. On the other hand, no color change was observed in the oxidation reaction tank (FIG. 2(a)).
금 나노파티클의 형성을 확인하기 위하여, UV-VIS 흡광도 분석(UV-VIS absorbance spectroscopy)이 수행되었다(도 2의 (c)). 그 결과, 약 530 nm 파장 대역에서 플라즈몬 밴드(plasmon band)가 명확히 관찰되었고, 이는 구형 금 나노파티클의 존재를 나타낸다. To confirm the formation of gold nanoparticles, UV-VIS absorbance spectroscopy was performed (FIG. 2(c)). As a result, a plasmon band was clearly observed in the wavelength band of about 530 nm, indicating the presence of spherical gold nanoparticles.
추가적으로, HR-TEM 사진에서 평균 직경 약 50 nm의 구형 파티클이 관찰되었다. 도 2의 (d)에서, 약 0.24 nm의 격자 공간(lattice spacing)을 갖는 격자 구조가 관찰되었고, 이는 면심입방구조(fcc)의 금(Au)의 구조에 대응된다. Additionally, spherical particles with an average diameter of about 50 nm were observed in the HR-TEM photograph. In Fig. 2(d), a lattice structure having a lattice spacing of about 0.24 nm was observed, which corresponds to the structure of gold (Au) of a face-centered cubic structure (fcc).
이러한 결과들은, 전극에 인가된 전압이 양의 값과 음의 값 사이에서 진동하는 교류 전압임에도 불구하고, 교류-구동 대기압 플라즈마가 플라즈마-액체 계면에서 금 전구체의 환원 반응을 유도하였다는 것을 나타낸다.These results indicate that the AC-driven atmospheric pressure plasma induced a reduction reaction of the gold precursor at the plasma-liquid interface, although the voltage applied to the electrode was an AC voltage oscillating between a positive value and a negative value.
도 3은 인가 전압(input voltage), 주파수(frequency), 접지 형태에 따른 UV-Vis 흡광도 스펙트럼을 나타내는 그래프들이다. 도 4는 UV-Vis 흡광 스펙트럼에서 530 nm 에서 피크의 세기 변화를 나타내는 그래프들이다. 3 are graphs showing UV-Vis absorbance spectra according to an input voltage, a frequency, and a grounding type. 4 is a graph showing a change in intensity of a peak at 530 nm in the UV-Vis absorption spectrum.
교류-구동 대기압 플라즈마에 의한 플라즈마-액체 상호작용과 관련하여, RMS 전류와 환원 반응의 속도와의 관계에 대한 분석을 진행하였다. In relation to the plasma-liquid interaction by AC-driven atmospheric pressure plasma, the relationship between the RMS current and the rate of the reduction reaction was analyzed.
도 3을 참조하면, 교류-구동 대기압 플라즈마의 RMS 전류는 인가 전압, 주파수 및 전기 접지 변화(electrical ground change)를 조절함으로써 조절될 수 있다. 추가적으로, 우리는 다양한 작동 조건 하에서 플라즈마-유도 환원 반응을 수행하였고, 시간의 함수로 UV-VIS 흡광도를 측정하였으며, 그 결과는 도 3에 도시되었다. 인가 전압이 4 kV에서 3kV로 감소할 때, RMS 전류는 7.4 mA 에서 5.4 mA로 감소하였고, AC 파워의 주파수가 25 kHz에서 10 kHz로 감소하였을 때, RMS 전류는 7.4 mA에서 4.1 mA로 감소하였다. 여기서, RMS 전류의 감소에 따라 UV-VIS 흡광도의 피크 강도(peak intensity)가 유의미하게 감소하였다. 그러나 피크의 위치(peak position)는 모두 거의 동일한 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 3, the RMS current of the AC-driven atmospheric pressure plasma can be adjusted by adjusting the applied voltage, frequency, and electrical ground change. Additionally, we performed plasma-induced reduction reactions under various operating conditions, and measured UV-VIS absorbance as a function of time, and the results are shown in FIG. 3. When the applied voltage decreased from 4 kV to 3 kV, the RMS current decreased from 7.4 mA to 5.4 mA, and when the frequency of AC power decreased from 25 kHz to 10 kHz, the RMS current decreased from 7.4 mA to 4.1 mA. . Here, as the RMS current decreases, the peak intensity of UV-VIS absorbance significantly decreases. However, it can be seen that all of the peak positions are almost the same.
한편, RMS 전류는 접지의 종류(전기적 접지(electrical ground), 부동 접지(floating ground))에 무관한 것으로 나타났고, UV-VIS 흡광도의 세기 또한 유사하게 나타났다.Meanwhile, the RMS current was found to be independent of the type of ground (electrical ground, floating ground), and the intensity of UV-VIS absorbance was also similar.
도 4를 참조하면, 전체적으로, 플라즈마 노출 시간에 따라 UV-VIS 흡광도의 세기가 선형적으로 증가하였다. 인가 전압 및 주파수가 작아지면서, 환원 속도를 나타내는 기울기와 함께 플라즈마의 RMS 전류가 감소하였다. 반면, 접지 방식에 따라 RMS 전류는 변화하지 않았다. 여기서, 주어진 RMS 전류에서 UV-VIS 흡광도가 선형적으로 증가하는 것은 상대적으로 일정한 환원 속도를 의미하고, 교류-구동 대기압 플라즈마에서 액체 표면으로의 일정한 전자 플럭스(flux)(단위 시간 단위 영역당 전자의 개수)를 의미한다. 추가적으로, RMS 전류가 감소하면, 플라즈마에서의 전자 밀도가 감소하고, 이에 따라 전자의 낮은 플럭스가 용액 표면에 도달하고, 환원 속도가 감소한다. 따라서, 결론적으로, 플라즈마-유도 환원 반응은 교류-구동 대기압 플라즈마의 RMS 전류에 비례하고, 전기화학 반응이 플라즈마-액체(전해액) 계면에서 발생한다.Referring to FIG. 4, as a whole, the intensity of UV-VIS absorbance increased linearly with the plasma exposure time. As the applied voltage and frequency decreased, the RMS current of the plasma decreased with the slope indicating the reduction rate. On the other hand, the RMS current did not change according to the grounding method. Here, the linear increase in UV-VIS absorbance at a given RMS current means a relatively constant reduction rate, and a constant electron flux from the AC-driven atmospheric pressure plasma to the liquid surface (electrons per unit time area) Number). Additionally, as the RMS current decreases, the electron density in the plasma decreases, so that a low flux of electrons reaches the solution surface, and the reduction rate decreases. Thus, in conclusion, the plasma-induced reduction reaction is proportional to the RMS current of the AC-driven atmospheric pressure plasma, and the electrochemical reaction occurs at the plasma-liquid (electrolyte) interface.
도 5는 플라즈마 노출 시간에 따른 금속 나노파티클의 입자의 TEM 이미지들과 입자 크기 분포를 나타내는 그래프들이다. (a)와 (e)는 플라즈마 노출시간이 30분일 때, (b)와 (f)는 45분일 때, (c)와 (g)는 60분일 때, (d)와 (h)는 90분일 때를 나타낸다. 5 are graphs showing TEM images and particle size distribution of particles of metal nanoparticles according to plasma exposure time. (a) and (e) are when plasma exposure time is 30 minutes, (b) and (f) are 45 minutes, (c) and (g) are 60 minutes, and (d) and (h) are 90 minutes Indicates the time.
도 5를 참조하면, 플라즈마 노출 시간 함수에 따른 최대 피크 위치의 어떤 유의미한 변화가 관찰되지 않았다. 이는 플라즈마-유도 환원 반응이 진행되는 동안 금속 나노파티클의 입자 크기가 거의 변화하지 않았다는 것을 나타낸다. 평균 입자 크기는 약 50 nm 인 것으로 나타났고, 상당히 넓은 분포를 나타내었다. Referring to FIG. 5, no significant change in the maximum peak position was observed as a function of plasma exposure time. This indicates that the particle size of the metal nanoparticles hardly changed during the plasma-induced reduction reaction. The average particle size was found to be about 50 nm, showing a fairly wide distribution.
이러한 결과는 UV-VIS 흡광도 결과와 상당히 일치한다. 따라서, UV-VIS 흡광도 강도가 증가함에 따라 금 전구체의 환원 정도가 더 커진다는 것을 의미한다. 다만, 플라즈마-유도 환원 반응 동안 나노파티클의 입자 크기의 변화는 거의 없다.These results are in good agreement with the UV-VIS absorbance results. Thus, it means that the degree of reduction of the gold precursor becomes larger as the UV-VIS absorbance intensity increases. However, there is little change in the particle size of the nanoparticles during the plasma-induced reduction reaction.
도 7은 실시예에 따른 교류-구동 대기압 플라즈마를 사용한 직접 기록 과정을 보여주는 이미지들이다. 플라즈마 발생을 위한 인가 전압은 약 4 kV, 주파수는 약 25 kHz, 듀티 사이클(duty cycle)은 약 50 %였고, 헬륨 가스 주입 속도는 약 100 sccm이었다.7 are images showing a direct recording process using an AC-driven atmospheric pressure plasma according to an embodiment. The applied voltage for plasma generation was about 4 kV, the frequency was about 25 kHz, the duty cycle was about 50%, and the helium gas injection rate was about 100 sccm.
섬유 매트는 200 mM HAuCl4을 포함하는 에탄올 용액에 약 30 분 동안 침지되고, 순차적으로 대기 조건(ambient condition) 건조되었고, 이어서, 탈이온수(DI water)가 섬유 매트 상에 배치되었다. 과량의 탈이온수는 산업용 종이 와이퍼인 Kimwipes로 부드럽게 제거되었고, 교류-구동 대기압 플라즈마를 사용한 직접 기록 공정이 수행되었다. 금 나노 파티클의 형성을 의미하는 진한 분홍색(dark pink)의 맞물린(interdigitated) 형태의 패턴이 명확하게 형성되었다. 게다가, 패터닝된 섬유 매트는 유연하고(flexible) 고신축성(highly stretchable)을 갖는다. The fiber mat was immersed in an ethanol solution containing 200 mM HAuCl 4 for about 30 minutes, sequentially dried under ambient conditions, and then DI water was placed on the fiber mat. Excess deionized water was gently removed with Kimwipes, an industrial paper wiper, and a direct recording process using an AC-driven atmospheric pressure plasma was performed. A dark pink interdigitated pattern was clearly formed, indicating the formation of gold nanoparticles. In addition, the patterned fiber mat is flexible and highly stretchable.
도 8은 각각 PF-108이 (a) 0, (b) 2, (c) 4 및 (d) 6% 포함된 전기방사 섬유 매트의 SEM 이미지들을 나타낸다. 도 9는 도 8의 (d)의 섬유 매트의 AT-FTIR(FT/IR-6100, Jasco) 스펙트럼 결과를 나타낸다.8 shows SEM images of an electrospun fiber mat containing (a) 0, (b) 2, (c) 4 and (d) 6% of PF-108, respectively. 9 shows the AT-FTIR (FT/IR-6100, Jasco) spectrum result of the fiber mat of FIG. 8D.
도 8의 (a)에서 (d)로 갈수록 섬유 밀도가 높아지는 것을 볼 수 있고, 도 9에서, SBS의 스티렌에 대응되는 피크가 1492, 1451, and 911 cm-1 에서 나타났고, 부타디엔에 대응되는 피크가 963 cm-1 에서 나타났다. 또한, PF-108에서 유래한 C-O-C 결합 진동을 나타내는 피크가 1100 cm-1 에서 나타났다. 따라서, AT-FTIR 스펙트럼은 PF-108이 SBS 내에 존재한다는 것을 나타낸다.It can be seen that the fiber density increases from (a) to (d) of FIG. 8, and in FIG. 9, peaks corresponding to styrene of SBS appeared at 1492, 1451, and 911 cm -1 , corresponding to butadiene. A peak appeared at 963 cm -1. In addition, a peak indicating COC coupling vibration derived from PF-108 appeared at 1100 cm -1. Thus, the AT-FTIR spectrum indicates that PF-108 is present in the SBS.
도 10은 섬유 매트에서의 PF-108의 함량에 따른 에탄올 및 물의 흡수율을 나타내는 그래프이다.10 is a graph showing the absorption rate of ethanol and water according to the content of PF-108 in the fiber mat.
에탄올 또는 탈이온수 약 20 ㎕ 드롭(drop)을 섬유 매트 상에 떨어뜨린 후, 섬유 매트의 에탄올 및 탈이온수에 대한 흡수율이 측정되었다. 섬유 매트는 약 60 ℃에서 건조되었고, 건조된 섬유 매트의 중량을 측정하였다(Wdry). 이어서, 건조된 섬유 매트를 탈이온수 또는 에탄올에 약 5분 동안 침지하였다. 과량의 탈이온수 또는 에탄올은 kimwipes로 제거하였고, 중량이 측정되었다(Wwet). 예를 들어, 물 흡수율은 하기 방정식에 의해 측정되었다.After dropping about 20 [mu]l drop of ethanol or deionized water onto the fiber mat, the absorption rate of the fiber mat to ethanol and deionized water was measured. The fiber mat was dried at about 60° C., and the weight of the dried fiber mat was measured (W dry ). Then, the dried fiber mat was immersed in deionized water or ethanol for about 5 minutes. Excess deionized water or ethanol was removed with kimwipes and weighed (W wet ). For example, the water absorption rate was determined by the following equation.
도 10을 참조하면, 물 흡수율은 PF-108의 함량이 0 에서 4 wt%까지 증가하면서 점차적으로 증가하였고, 150% 정도에서 포화되었다. 반면, 에탄올 흡수율은 2 wt%에서 급격하게 감소하였고, 이후 거의 변화하지 않았다. 그러므로, SBS 및 PF-108를 포함하는 섬유 매트에서 SBS 및 PF-108의 양을 조절함으로써 물 및 에탄올 흡수율이 조절될 수 있다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 10, the water absorption rate gradually increased as the content of PF-108 increased from 0 to 4 wt%, and was saturated at about 150%. On the other hand, the ethanol absorption rate rapidly decreased at 2 wt%, and thereafter hardly changed. Therefore, it can be seen that the water and ethanol absorption rate can be controlled by adjusting the amount of SBS and PF-108 in the fiber mat including SBS and PF-108.
도 11은 실시예에 따른 섬유 매트에 교류-구동 대기압 플라즈마를 사용한 직접 기록 공정을 나타내는 사진들이다. 도 11의 (a)는 섬유 매트가 탈이온수를 포함할 때를 나타내고, (b)는 탈이온수를 포함하지 않을 때를 나타낸다.11 are photographs showing a direct recording process using an AC-driven atmospheric pressure plasma on a fiber mat according to an embodiment. Fig. 11(a) shows when the fiber mat contains deionized water, and (b) shows when the deionized water is not included.
도 11을 참조하면, 탈이온수 없이 건조된 섬유 매트 상에 직접 기록을 수행하게 되면, 패턴이 형성되지 않았다. 이러한 결과는, 교류-구동 대기압 플라즈마를 사용한 직접 기록 공정에서, 탈이온수가 금 나노파티클의 형성에 핵심적인 역할을 수행한다는 것을 나타낸다.Referring to FIG. 11, when recording was performed directly on the dried fiber mat without deionized water, no pattern was formed. These results indicate that in a direct recording process using an AC-driven atmospheric pressure plasma, deionized water plays a key role in the formation of gold nanoparticles.
도 12는 실시예에 따른 섬유 매트의 약 20 ㎕의 탈이온수에 대한 시간에 따른 접촉각 변화를 나타내는 사진들이다. 도 12의 (a)는 섬유 매트에서 SBS가 약 15 wt% 포함되고, PF-108은 포함되지 않은 경우이며, (b)는 SBS가 약 15 wt% 포함되고 PF-108이 약 2 wt% 포함된 경우이며, (c)는 SBS가 약 15 wt% 포함되고 PF-108이 약 4 wt% 포함된 경우이며, (d)는 SBS가 약 15 wt% 포함되고 PF-108이 약 6 wt% 포함된 경우이다.12 are photographs showing a change in contact angle with time for about 20 μl of deionized water of a fiber mat according to an embodiment. Figure 12 (a) is a case where about 15 wt% of SBS is included in the fiber mat and PF-108 is not included, and (b) is about 15 wt% of SBS and about 2 wt% of PF-108 are included. (C) is about 15 wt% of SBS and about 4 wt% of PF-108, (d) is about 15 wt% of SBS and about 6 wt% of PF-108 This is the case.
도 13은 실시예에 따른 섬유 매트의 약 20 ㎕의 에탄올에 대한 시간에 따른 접촉각 변화를 나타내는 사진들이다. 도 13의 (a)는 섬유 매트에서 SBS가 약 15 wt% 포함되고, PF-108은 포함되지 않은 경우이며, (b)는 SBS가 약 15 wt% 포함되고 PF-108이 약 2 wt% 포함된 경우이며, (c)는 SBS가 약 15 wt% 포함되고 PF-108이 약 4 wt% 포함된 경우이며, (d)는 SBS가 약 15 wt% 포함되고 PF-108이 약 6 wt% 포함된 경우이다. 13 are photographs showing a change in contact angle with time for about 20 μl of ethanol of a fiber mat according to an embodiment. Figure 13 (a) is a case where about 15 wt% of SBS is included in the fiber mat and PF-108 is not included, and (b) is about 15 wt% of SBS and about 2 wt% of PF-108 are included. (C) is about 15 wt% of SBS and about 4 wt% of PF-108, (d) is about 15 wt% of SBS and about 6 wt% of PF-108 This is the case.
도 12 및 도 13을 참조하면, 섬유 매트는 PF-108의 함량이 높아질수록 탈이온수에 대한 빠른 흡수를 나타내었다. 따라서, 섬유 매트에서의 PF-108의 함량이 높아지면 섬유 매트의 물 흡수율이 높아지므로, 물 흡수율 조절이 가능할 수 있다.Referring to FIGS. 12 and 13, the fiber mat exhibited rapid absorption of deionized water as the content of PF-108 increased. Therefore, when the content of PF-108 in the fiber mat is increased, the water absorption rate of the fiber mat is increased, so that the water absorption rate can be adjusted.
이와 비교하여, 에탄올의 경우, PF-108의 함량에 무관하게 섬유 매트가 에탄올을 즉시 흡수하였다. In comparison, in the case of ethanol, the fiber mat immediately absorbed ethanol regardless of the content of PF-108.
도 14의 (a)는 교류-구동 대기압 플라즈마를 사용한 직접 기록 공정을 나타내는 도면이고, (b) 내지 (d)는 섬유 매트가 SBS를 포함하고 PF-108을 포함하지 않는 경우의 직접 기록이 이루어진 섬유 매트의 고해상도 광학 사진 및 SEM 사진이고, (e) 내지 (g)는 섬유 매트가 SBS 및 약 2 wt%의 PF-108을 포함하는 경우의 직접 기록이 이루어진 섬유 매트의 고해상도 광학 사진 및 SEM 사진을 나타낸다. 플라즈마 발생을 위한 인가 전압은 약 3 kV, 주파수는 약 25 kHz, 듀티 사이클은 약 50% 이고, 헬륨 가스 주입 속도는 약 10 sccm이며, 직접 기록의 스캐닝 속도(scanning rate)는 약 10 ㎛의 팁 사이즈(tip size)로 약 100 ㎛/sec 이다. 섬유 매트들은 dir 100 mM의 HAuCl4 를 포함하는 에탄올 용액에 약 10분 동안 침지되었고, 탈이온수의 저장소 역할을 하는 친수성 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 필터 상에 배치되었다. 교류-구동 대기압 플라즈마에 의한 직접 기록 공정을 수행한 후, 섬유 매트들은 미반응 금 전구체를 제거하기 위해 에탄올로 수세되었다.Figure 14 (a) is a diagram showing a direct recording process using an AC-driven atmospheric pressure plasma, and (b) to (d) are direct recording when the fiber mat contains SBS and does not contain PF-108. High-resolution optical photos and SEM photos of the fiber mat, (e) to (g) are high-resolution optical photos and SEM photos of the fiber mat directly recorded when the fiber mat contains SBS and about 2 wt% of PF-108 Represents. The applied voltage for plasma generation is about 3 kV, the frequency is about 25 kHz, the duty cycle is about 50%, the helium gas injection rate is about 10 sccm, and the scanning rate of direct recording is about 10 μm. It is about 100 μm/sec in tip size. The fiber mats were immersed in an ethanol solution containing dir 100 mM HAuCl 4 for about 10 minutes and placed on a hydrophilic PTFE (Polytetrafluoroethylene) filter serving as a reservoir for deionized water. After performing the direct recording process by AC-driven atmospheric pressure plasma, the fiber mats were washed with ethanol to remove unreacted gold precursors.
도 14를 참조하면, 두 섬유 매트 모두에서 명확한 패턴들이 관찰되었다. 그러나, 고해상도 광학 이미지를 판독한 결과, SBS 만으로 이루어진 섬유 매트의 경우 상대적으로 낮은 금 나노파티클 밀도를 나타내었고, 더 높은 금 전구체 밀도를 나타내었다. 반면, SBS 및 2 wt%의 PF-108를 포함하는 섬유 매트는 상대적으로 더 높은 금 나노파티클 밀도를 나타내었다. 이로부터 PF-108이 탈이온수를 함유하는 것을 촉진하는 핵심적인 기능을 수행하고, 친수성 PTFE 필터가 수분의 증발을 막음으로써, 금 이온의 환원 반응이 촉진되었음을 알 수 있다.14, clear patterns were observed in both fiber mats. However, as a result of reading the high-resolution optical image, the fiber mat made of only SBS showed a relatively low gold nanoparticle density and a higher gold precursor density. On the other hand, the fiber mat containing SBS and 2 wt% of PF-108 showed a relatively higher gold nanoparticle density. From this, it can be seen that PF-108 performs a key function of promoting the containment of deionized water, and a hydrophilic PTFE filter prevents evaporation of moisture, thereby promoting a reduction reaction of gold ions.
친수성 필터 이외에도 종이 등의 재료를 적용하여 탈이온수의 증발을 최소화시킴으로써 금 이온의 환원 반응을 촉진시킬 수 있다.In addition to the hydrophilic filter, a reduction reaction of gold ions can be promoted by minimizing evaporation of deionized water by applying materials such as paper.
도 15의 (a)는 실시예에 따른 교류-구동 대기압 플라즈마를 사용한 직접 기록 공정을 나타내는 도면이고, (b)는 직접 기록이 이루어진 섬유 매트의 고해상도 광학 사진들이며, (c)는 SEM 사진들이다. 도 15의 (b)에서 (i)은 섬유 매트에서 SBS가 약 15 wt% 포함되고, PF-108은 포함되지 않은 경우이며, (ii)는 SBS가 약 15 wt% 포함되고 PF-108이 약 2 wt% 포함된 경우이며, (iii)는 SBS가 약 15 wt% 포함되고 PF-108이 약 4 wt% 포함된 경우이며, (iv)는 SBS가 약 15 wt% 포함되고 PF-108이 약 6 wt% 포함된 경우이다. 섬유 매트들은 100 mM의 KAuCN2 를 포함하는 탈이온수 용액에 약 10분 동안 침지되었고, 과량의 탈이온수는 Kimwipes로 제거되었다.(A) of FIG. 15 is a diagram showing a direct recording process using an AC-driven atmospheric pressure plasma according to an embodiment, (b) is a high-resolution optical picture of a fiber mat in which the direct recording is made, and (c) is an SEM picture. In Figure 15 (b), (i) is a case where about 15 wt% of SBS is included in the fiber mat, and PF-108 is not included, and (ii) is about 15 wt% of SBS and PF-108 is about 2 wt% is included, (iii) is when about 15 wt% of SBS is included and about 4 wt% of PF-108 is included, and (iv) is about 15 wt% of SBS and PF-108 is about This is the case where 6 wt% is included. Fiber mats were immersed in a solution of deionized water containing 100 mM KAuCN 2 for about 10 minutes, and excess deionized water was removed with Kimwipes.
도 15를 참조하면, 교류-구동 대기압 플라즈마를 사용한 직접 기록 결과, PF-108의 함량이 0 에서 6 wt%로 증가함에 따라 패턴이 보다 명확해(distinct)지는 것을 파악하였다. 또한, 대응되는 SEM 이미지를 보면, PF-108의 함량이 0 에서 6 wt%로 증가함에 따라 금 나노파티클의 함량이 더 높아지는 것을 확인할 수 있다. 섬유 매트는 직접 기록 이후에도 파괴되지 않았다. 이러한 결과들로부터, 우리는 섬유 매트에 흡수되는 탈이온수가 환원 반응에 핵심적인 역할을 수행한다는 것을 알 수 있다. 탈이온수는 고분자 필름에서 금속 이온의 이동성(mobility)를 촉진시킬 수 있다. 또한, 고분자 필름에서의 플라즈마-유도 반응의 구동력(driving force)은 흡수된 탈이온수이고, 전기화학적 반응이 플라즈마-고분자 필름의 계면에서 발생한다는 사실을 파악할 수 있다.Referring to FIG. 15, as a result of direct recording using an AC-driven atmospheric pressure plasma, it was found that the pattern became more distinct as the content of PF-108 increased from 0 to 6 wt%. In addition, looking at the corresponding SEM image, it can be seen that the content of gold nanoparticles increases as the content of PF-108 increases from 0 to 6 wt%. The fiber mat was not destroyed even after direct recording. From these results, we can see that the deionized water absorbed by the fiber mat plays a key role in the reduction reaction. Deionized water can promote the mobility of metal ions in the polymer film. In addition, it can be seen that the driving force of the plasma-induced reaction in the polymer film is absorbed deionized water, and the electrochemical reaction occurs at the interface of the plasma-polymer film.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also present. It belongs to the scope of rights of
100: 금속 나노파티클의 제조 장치 110: 환원 반응조
114: 전해액
118: 플라즈마 생성부
130: 산화 반응조100: metal nanoparticle manufacturing apparatus 110: reduction reactor
114: electrolyte 118: plasma generation unit
130: oxidation reactor
Claims (14)
상기 금속 이온과 상기 교류-구동 대기압 플라즈마에서 공급된 전자를 환원 반응시켜 금속 나노파티클(nanoparticle)을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 교류-구동 대기압 플라즈마의 실효값(root mean square, RMS) 전류가 커질수록 상기 환원 반응의 반응 속도(reacting kinetics)가 증가하는
금속 나노파티클의 제조방법.
In an apparatus for manufacturing metal nanoparticles including a reduction reaction tank including an electrolyte solution containing metal ions and a plasma generation unit, and an oxidation reaction tank including an oxidation electrode, an AC-driven atmospheric pressure plasma ( Generating AC-driven atmospheric pressure plasma), and
Forming metal nanoparticles by reducing the metal ions and electrons supplied from the AC-driven atmospheric pressure plasma
Including,
As the root mean square (RMS) current of the AC-driven atmospheric pressure plasma increases, the reaction kinetics of the reduction reaction increases.
Method for producing metal nanoparticles.
상기 플라즈마 생성부에 인가되는 전압이 커지면서 상기 교류-구동 대기압 플라즈마의 실효값 전류가 커지는 금속 나노파티클의 제조방법.
In claim 1,
As the voltage applied to the plasma generating unit increases, the RMS current of the AC-driven atmospheric pressure plasma increases.
상기 플라즈마 생성부에 인가되는 교류 전원(power)의 주파수가 커지면서 상기 교류-구동 대기압 플라즈마의 실효값 전류가 커지는 금속 나노파티클의 제조방법.
In claim 1,
A method of manufacturing metal nanoparticles in which the RMS current of the AC-driven atmospheric pressure plasma increases as the frequency of the AC power applied to the plasma generating unit increases.
상기 금속은 금(Au)을 포함하는 금속 나노파티클의 제조방법.
In claim 1,
The metal is a method of manufacturing a metal nanoparticle containing gold (Au).
상기 섬유 매트를 금속 이온을 포함하는 금속 전구체 용액에 침지시키는 단계,
상기 섬유 매트를 건조시키는 단계,
상기 섬유 매트 상에 탈이온수(deionized water)를 드롭(drop)시켜 탈이온수가 흡수된 섬유 매트를 형성하는 단계, 그리고
상기 탈이온수가 흡수된 섬유 매트를 플라즈마 생성부에 교류 전압을 인가하여 발생된 교류-구동 대기압 플라즈마(AC-driven atmospheric pressure plasma)에 노출시켜 상기 금속 이온을 환원시켜 금속 나노파티클(nanoparticle) 패턴(pattern)을 형성하는 단계
를 포함하는
금속 나노파티클의 기록방법.
A fibrous mat including SBS (poly(styrene-block-butadiene-block-styrene)) and PF-108 (poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol)) ) To prepare,
Immersing the fiber mat in a metal precursor solution containing metal ions,
Drying the fiber mat,
Dropping deionized water on the fiber mat to form a fiber mat in which deionized water is absorbed, and
The fiber mat in which the deionized water is absorbed is exposed to an AC-driven atmospheric pressure plasma generated by applying an AC voltage to a plasma generating unit to reduce the metal ions to form a metal nanoparticle pattern ( forming a pattern)
Including
Method of recording metal nanoparticles.
상기 섬유 매트의 총 질량을 기준으로, 상기 PF-108의 함량이 0.1 ~ 30 중량%인 금속 나노파티클의 기록방법.
In clause 5,
A method of recording metal nanoparticles in which the content of the PF-108 is 0.1 to 30% by weight, based on the total mass of the fiber mat.
상기 PF-108의 함량이 증가하면서 상기 탈이온수가 흡수된 섬유 매트의 탈이온수 흡수율이 증가하는 금속 나노파티클의 기록방법.
In paragraph 6,
A method of recording metal nanoparticles in which the deionized water absorption rate of the fiber mat in which the deionized water is absorbed increases as the content of PF-108 increases.
상기 PF-108의 함량이 증가하면서 상기 금속 나노파티클 패턴을 형성하는 단계에서 생성되는 금속 나노파티클의 밀도가 커지는 금속 나노파티클의 기록방법.
In clause 7,
A method of recording metal nanoparticles in which the density of the metal nanoparticles generated in the step of forming the metal nanoparticle pattern increases as the content of the PF-108 increases.
상기 섬유 매트를 준비하는 단계에서,
상기 SBS, 상기 PF-108, DMF(dimethylformamide) 및 THF(N,N-dimethylformamide)를 포함하는 용액을 전기방사(electrospinning)하여 상기 섬유 매트를 형성하는 금속 나노파티클의 기록방법.
In clause 5,
In the step of preparing the fiber mat,
A method of recording metal nanoparticles in which the fiber mat is formed by electrospinning a solution containing the SBS, the PF-108, DMF (dimethylformamide), and THF (N,N-dimethylformamide).
상기 금속은 금(Au)을 포함하고, 상기 금속 전구체 용액은 금 이온을 포함하는 알코올 용액인 금속 나노파티클의 기록방법.
In clause 5,
The method of recording metal nanoparticles, wherein the metal includes gold (Au), and the metal precursor solution is an alcohol solution containing gold ions.
상기 탈이온수가 흡수된 섬유 매트를 형성하는 단계와 상기 금속 나노파티클 패턴을 형성하는 단계 사이에, 과량이 탈이온수를 제거하는 단계를 더 포함하는 금속 나노파티클의 기록방법.
In clause 5,
The method of recording metal nanoparticles further comprising removing excess deionized water between the step of forming the fiber mat in which the deionized water is absorbed and the step of forming the metal nanoparticle pattern.
상기 금속 나노파티클 패턴을 형성하는 단계에서,
상기 탈이온수가 흡수된 섬유 매트의 일부 영역을 상기 교류-구동 대기압 플라즈마에 노출시켜 상기 패턴이 형성되는 금속 나노파티클의 기록방법.
In clause 5,
In the step of forming the metal nanoparticle pattern,
A method of recording metal nanoparticles in which the pattern is formed by exposing a portion of the fiber mat in which the deionized water is absorbed to the AC-driven atmospheric pressure plasma.
탈이온수가 흡수된 섬유 매트를 형성하는 단계에서,
상기 섬유 매트 상에 상기 탈이온수의 증발을 방지하는 필터 또는 종이를 배치시키는 금속 나노파티클의 기록방법.
In clause 5,
In the step of forming a fiber mat in which deionized water is absorbed,
A method of recording metal nanoparticles in which a filter or paper for preventing evaporation of the deionized water is disposed on the fiber mat.
상기 필터는 친수성 polytetrafluoroethylene(PTFE) 필터인 금속 나노파티클의 기록방법.In claim 13,
The filter is a hydrophilic polytetrafluoroethylene (PTFE) filter, a method for recording metal nanoparticles.
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