KR20220151377A - 불포화 비고리 아민 화합물로 표면 개질된 기질 및 그의 표면 개질 방법 - Google Patents

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이경훈
박형진
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Abstract

본 발명은 표면의 적어도 일부가 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 개질된 기질 및 그 표면 개질방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 불포화 비고리 아민 화합물의 수용액을 제공하는 단계, 상기 수용액을 기질 표면의 적어도 일부에 접촉시키는 단계, 상기 기질을 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기질의 표면개질 방법을 제공한다.

Description

불포화 비고리 아민 화합물로 표면 개질된 기질 및 그의 표면 개질 방법{Surface-modified Substrate with Unsaturated Acyclic Amine compound and Method for Surface-modification thereof}
본 발명은 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 표면 개질된 기질 및 그 개질 방법에 관한 것이다.
기질의 표면을 화학적으로 개질시키는 기술은 다양한 학문 및 응용기술 분야에서 요구되는 중요한 기술이다. 그러한 화학적 개질에 대한 기본적인 방법은 표면 처리 반응과 기타 물리화학적 처리 기술들을 포함하는데, 이러한 방법에 의해 활성이 거의 없거나 전혀 없는 기질 표면상에 원하는 화학적 및/또는 물리적 특성들을 부여할 수 있다. 특히 표면 처리 반응을 통한 화학적 개질에 사용되는 화합물들은 대부분 양 말단에 화학적 작용기를 가지는데, 한쪽 말단의 작용기는 화학 반응을 통해 기질에 부착되고, 다른 쪽 말단의 작용기는 그 자체로 기질 표면에 화학적 기능성을 부여하는 역할을 한다.
다양한 기질 중 특히 전반적인 산업분야에 걸쳐 널리 사용되는 고분자 재료의 경우 고분자 재료 자체의 고유 성질로 경량성, 유연성, 가공성, 절연성 및 투명성 등을 갖는다. 이러한 고유 성질은 변화시키지 않으면서 각각의 응용분야에 적합한 성질을 갖는 표면으로 고분자 표면을 개질시킬 수 있다면 고분자의 활용 분야가 더욱 넓어질 뿐만 아니라, 고분자 재료를 더욱 효과적으로 사용할 수 있다. 고분자 재료가 때때로 부적합한 표면 성질을 갖게 되는 주된 이유는 표면 장력이 낮고 반응성이 거의 없기 때문이므로, 고분자 재료의 표면 장력을 높이거나 반응성을 갖는 작용기의 분포를 늘릴 수 있다면 고분자 재료의 활용 분야가 매우 넓어지는 결과를 가져올 수 있다. 특히, 고분자 재료의 친수성(hydrophilicity)은 고분자 재료의 접착력, 생체 적합성, 착색성, 인쇄성, 염색성 및 정전기 방지 효과와 직접 관련되는 중요한 성질이므로 친수성이 보다 강한 표면을 만들고자 다양한 표면 개질 기술이 개발되고 있다. 반대로 고분자 재료 표면의 소수성(hydrophobicity)을 더욱 증대시키면 발수성, 내오염성 등을 향상시키는 결과를 가져올 수 있다.
그런데 기질의 표면을 개질하기 위해 화학적 처리를 하는 경우 기질 자체의 성질에 의해 제한되는 경우가 많다. 예컨대 친핵성 반응을 통해 기질 표면을 개질하고자 하는 경우, 기질 자체에 친핵성 반응기가 존재하지 않거나 매우 낮은 농도로 존재하면 효과적인 개질이 이루어지기 어려우므로 기질내에 친핵성 반응기를 미리 도입하는 단계가 필요하다. 이러한 추가 단계는 시간과 비용적인 면에서 결코 바람직하지 않으며, 기질내에 도입된 친핵성 반응기를 갖는 물질들이 시간이 경과함에 따라 기질 표면으로 이동하는 현상에 의해 개질된 표면의 성질이 변화하는 문제점도 갖고 있다. 따라서 기질에 의존하지 않는 표면개질 방법의 요구가 절실하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2003-0009732호는 다중 아미노에틸 분자층으로 표면을 코팅한 유기고분자기질에 대해 기술하고 있다. 구체적으로, 친핵성 작용기를 함유한 다양한 유기 고분자 또는 올리고머로 이루어진 기질을 아지리딘 혹은 그 유도체와 반응시켜 기질의 표면상에 고밀도 중합체로 이루어진 다중 아미노에틸 분자층을 형성함으로써 기질 표면의 이화학적 특성을 변화시킨 유기 고분자 기질 및 그 제조방법을 개시하고 있다. 그러나 친핵성 반응을 통한 표면 개질방법을 채택하고 있어서 기질내에 친핵성 작용기가 존재해야 하는 근본적인 제약을 가지고 있다.
홍합은 실질적으로 모든 유형의 무기 또는 유기 기질에 접착할 수 있는데, 홍합의 족사(足絲) 말단에서 분비되는 홍합 접착 단백질은 대표적인 기질 비의존적인 천연 접착제이다. 이러한 홍합 접착 단백질의 접착 메카니즘을 연구하여 이를 모방하는 기술들도 개발되고 있는데, 예컨대 카테콜과 아민기 모두를 함유하는 도파민 또는 이와 유사한 화합물을 알칼리 용액 상태로 사용하는 것이다. 미국 특허공보 US8,541,060호 및 US8,999,452호는 기질에 비의존적으로 표면 개질할 수 있는 다기능 코팅 및 그 적용예에 대한 것으로서, 도파민 또는 도파민과 유사한 화합물을 표면 개질제로 이용하여 알칼리 용액에서 기질과 접촉시켜 기질 표면을 개질하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 도파민 또는 도파민 유사체를 이용하는 기초한 기술에는 여러가지 기술적 제한들이 존재한다. 우선 상기 특허공보에도 기재되어 있듯이 상기 표면 개질 방법은 알칼리 조건 하에서만 실행될 수 있다. 대다수의 실험들이 트리스[tris(hydroxymethyl)aminomethane] 완충용액 10 mM pH 8.5에서 수행되는데, 상기 값은 대략 pH 9정도인 도파민의 pKa(해리상수) 값에 가까우므로, 필요에 따른 반응도를 제어하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 도파민 또는 그의 유사체 화합물은 적어도 2개의 히드록실기와 1개의 아미노기와 같은 두 종류의 다른 반응기들을 가지고 있어, 개질된 표면의 기능성을 일정하게 제어하기 어렵다. 마지막으로, 상기 방법에 사용한 화합물의 화학 구조상 아미노기가 다수 존재할 수 없고, 그에 따라 아민 구조의 개질을 기초로 하는 후속 적용예들의 성능이 제한된다.
대한민국 특허공보 제1831613호는 방향족 아민계 화합물이 기질 독립적으로 표면 코팅된 폴리머 및 그 표면 코팅방법을 개시하고 있다. 상기 특허에 따른 코팅방법은 산화-환원 반응에 기초한 것이어서 산화-환원 반응을 일으키기 위한 화합물의 추가, 즉 방향족 아민계 화합물의 산화를 촉진하고 이후의 환원반응을 위한 염기성 pH 조건을 필요로 한다. 따라서 이러한 화합물의 추가가 필요치 않으며 반응성이 우수하여 보다 온화한 조건하에서도 기질의 표면을 효과적으로 개질할 수 있는 표면개질 화합물의 요구가 여전히 존재한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2003-0009732호 미국 특허공보 US 8,541,060호 미국 특허공보 US 8,999,452호 대한민국 특허공보 제1831613호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 개질된 기질을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 불포화 비고리 아민 화합물을 사용하여 기질에 비의존적으로 고형 기질의 표면을 화학적으로 개질할 수 있는 개질방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 기질 표면의 적어도 일부에 하기 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물을 표면개질제로 반응시켜, 상기 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 표면개질된 기질을 제공한다.
<화학식 (I)>
Figure pat00001
상기 식에서,
X는 -NH2, -N=CH-OH, 또는 -N=O이고,
R1은 수소, C1-C6 알킬, 또는 -CN이며,
R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, C1-C6알킬, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 C1-C6알킬임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
바람직하게는, 상기 화학식 (I)에서,
X는 -NH2이고,
R1은 수소, C1-C3 알킬, 또는 -CN이며
R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, C1-C3알킬, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 C1-C3알킬임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
더욱 바람직하게는, 상기 화학식 (I)에서,
X는 -NH2이고,
R1은 수소, 메틸, 또는 -CN이며
R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, 메틸, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 메틸임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
가장 바람직하게는, 상기 화학식 (I)의 화합물은 예컨대, 3-아미노크로톤산 메틸, 3-아미노크로톤산 에틸, N-비닐포름아미드, 3-아미노크로토니트릴, N[(2E)-3-니트로소부트-2-엔-2일]하이드록시아민, 디아미노말레오니트릴, 4-아미노펜트-3-엔-2-온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물이다.
본 발명자들은 대한민국 특허출원 제10-2020-0008102호, 제10-2020-0008103호, 제10-2020-0008109호 및 10-2020-0008115호에서 각각 특정 구조를 갖는 아미노 불포화 헤테로사이클 화합물, 비닐 헤테로사이클 화합물, 아미노 사이클로알켄 화합물 및 비닐 아미노 비방향족고리 화합물로 기질의 표면을 개질하는 방법 및 표면개질된 기질에 대한 발명을 개시한 바 있다. 상기 출원들의 명세서 전체 기재 내용은 본 출원에 참고로 인용한다. 본 발명의 불포화 비고리 아민 화합물은 상기 선행출원들에 정의된 화학식에 속하지 않으며, 단독으로는 물론 상기 선행출원들에 언급된 화합물들과 함께 표면 개질에 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 불포화 비고리 아민 화합물은 기질 표면의 친핵체에 의한 친핵성 반응과 동시에, 또는 그 전후에 불포화 비고리 아민 화합물들간의 연쇄 중합 반응이 일어나는 것으로 예상된다(하기 반응식 1 내지 3 참조). 그러나, 이러한 예상 반응 경로는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이러한 반응 경로 자체에 의해 구속되거나 특별히 한정되지는 않는다.
<반응식 1>
Figure pat00002
<반응식 2>
Figure pat00003
<반응식 3>
Figure pat00004
본 발명의 또 다른 일면에 따라, 하기 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물의 수용액을 제조하는 단계, 상기 수용액을 기질 표면의 적어도 일부에 접촉시키는 단계, 상기 기질을 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기질의 개질방법을 제공한다.
<화학식 (I)>
Figure pat00005
상기 식에서,
X는 -NH2, -N=CH-OH, 또는 -N=O이고,
R1은 수소, C1-C6 알킬, 또는 -CN이며,
R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, C1-C6알킬, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 C1-C6알킬임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
바람직하게는, 상기 화학식 (I)에서,
X는 -NH2이고,
R1은 수소, C1-C3 알킬, 또는 -CN이며
R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, C1-C3알킬, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 C1-C3알킬임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
더욱 바람직하게는, 상기 화학식 (I)에서,
X는 -NH2이고,
R1은 수소, 메틸, 또는 -CN이며
R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, 메틸, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 메틸임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
가장 바람직하게는, 상기 화학식 (I)의 화합물은 예컨대, 3-아미노크로톤산 메틸, 3-아미노크로톤산 에틸, N-비닐포름아미드, 3-아미노크로토니트릴, N[(2E)-3-니트로소부트-2-엔-2일]하이드록시아민, 디아미노말레오니트릴, 4-아미노펜트-3-엔-2-온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물이다.
본 발명에 따르면 불포화 비고리 아민 화합물을 사용하여 기질에 비의존적으로 기질의 표면을 화학적으로 개질할 수 있으며, 특별한 장치나 처리수단을 사용하지 않고도 간단한 공정으로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 표면 개질제로 사용하는 불포화 비고리 아민 화합물은 선행 발명에 개시된 표면 개질제인 방향족 아민계 화합물에 비해 반응성이 보다 우수하여 기질의 표면을 효과적으로 개질할 수 있고, 본 발명자들이 먼저 완성한 발명인 아미노 불포화 헤테로사이클 화합물, 비닐 헤테로사이클 화합물, 아미노 사이클로알켄 화합물 및 비닐 아미노 비방향족고리 화합물과 대비하여 비용적인 측면에서 유리하고, 예컨대 식품 포장재와 같이 독성 문제가 민감한 적용분야에 유리하게 적용할 수 있는 이점이 존재한다.
본 명세서에 사용된 "올리고머"라는 용어는 비교적 적은 수의 반복단위, 대략 100 이하의 반복단위로 이루어진 중합체를 의미한다. 이때 반복단위는 동일한 분자들로 이루어질 수 있거나 서로 상이한 분자들로 이루어질 수도 있다.
본 명세서에 사용된 "(공)중합체"라는 용어는 "중합체"와 "공중합체"를 함께 일컫는 용어로서, 올리고머보다 많은 수의 반복단위로 이루어진 중합체를 의미하며, 상이한 분자들간의 결합에 의해 생성된 것을 특히 "공중합체"라 지칭한다. 공중합체의 형태는 교호 공중합체(alternating copolymer), 랜덤 공중합체(random copolymer), 블록 공중합체(block copolymer), 그래프트 공중합체(graft copolymer) 등 다양한 형태가 가능하다.
본 명세서에 사용된 "개질" 또는 "표면개질"이라는 용어는 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물을 표면 개질제로 작용시켜 기질의 표면에 상기 화합물, 그의 올리고머 또는 (공)중합체가 화학적 결합을 통해 부착되는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 기질의 개질방법은 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물의 수용액을 제조하는 단계, 상기 수용액을 기질 표면의 적어도 일부에 접촉시키는 단계, 상기 기질을 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
<화학식 (I)>
Figure pat00006
상기 식에서,
X는 -NH2, -N=CH-OH, 또는 -N=O이고,
R1은 수소, C1-C6 알킬, 또는 -CN이며,
R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, C1-C6알킬, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 C1-C6알킬임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
바람직하게는, 상기 화학식 (I)에서,
X는 -NH2이고,
R1은 수소, C1-C3 알킬, 또는 -CN이며
R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, C1-C3알킬, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 C1-C3알킬임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
더욱 바람직하게는, 상기 화학식 (I)에서,
X는 -NH2이고,
R1은 수소, 메틸, 또는 -CN이며
R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, 메틸, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 메틸임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
가장 바람직하게는, 상기 화학식 (I)의 화합물은 예컨대, 3-아미노크로톤산 메틸, 3-아미노크로톤산 에틸, N-비닐포름아미드, 3-아미노크로토니트릴, N[(2E)-3-니트로소부트-2-엔-2일]하이드록시아민, 디아미노말레오니트릴, 4-아미노펜트-3-엔-2-온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물이다.
본 발명에 따른 기질의 개질방법에서 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물의 수용액은 산성, 중성 또는 염기성일 수 있다. 예컨대, 순수(pure water), 완충액(buffer: 약산성, 중성 또는 염기성), NaOH 용액 (0.01 M, 0.1 M 또는 1 M), 또는 15~20% DMEA(N,N-디메틸아민: CAS 598-56-1; salt free, pH 13~14) 등을 용매로 사용할 수 있으며, 이들로 특별히 제한되지는 않는다. 이들 용매에 화학식 (I)의 화합물을 가하여 수용액을 제조한다. 용액의 농도는 특별히 한정되지 않으며, 사용하는 용질과 용매, 기타 반응 조건에 따라 적절히 조절 가능하다. 예컨대 용액의 농도는 0.1 ~ 10 mg/mL일 수 있다.
개질하고자 하는 기질을 충분히 수용할 수 있는 용적의 용기에 상기한 바와 같이 준비한 용액을 채운 다음, 개질하고자 하는 기질을 상기 수용액에 담근다. 다만, 개질하고자 하는 기질의 표면이 화학식 (I)의 화합물의 수용액과 일정 시간 동안 충분히 접촉할 수만 있다면 기질을 수용액에 담그는 방식 이외에 어떠한 방식으로도 가능하다. 예컨대, 기질의 표면이 상기 수용액과 충분히 접촉할 수 있도록 기질의 표면에 상기 수용액을 뿌려 주거나 다양한 코팅 프로세스에서 사용하는 방법에 의해 기질과 상기 수용액을 접촉시키는 것이 가능하다.
기질과 상기 수용액이 접촉한 상태로 일정 시간 방치하는 항온처리만으로 본 발명에 따른 개질이 수행될 수 있다. 기질과의 결합반응을 활성화하기 위해 가열하거나 화학식 (I) 화합물의 수용액을 교반할 수 있다. 또한 촉매를 사용할 수 있는 경우에는 반응을 촉진시키기 위한 촉매를 투입할 수도 있으나, 반드시 필요한 것은 아니다. 반응시간 및 반응온도는 특별히 제한되지는 않으며, 사용하는 구체적인 화합물의 종류 및 기질의 종류에 따라 통상의 기술자가 적절히 선택 및 조절할 수 있다. 예컨대 반응온도는 50℃ 내지 100℃일 수 있고, 반응시간은 6 내지 48시간일 수 있으나, 이로 한정되지는 않는다.
일정시간의 항온처리 후 기질을 세척하여 결합 또는 중합되지 않은 화학식 (I) 화합물이나 불순물을 제거한다. 세척 후 상온 또는 승온하에서 건조하여 표면개질된 기질을 얻는다.
다른 표면 개질제와 함께 사용하는 경우에는 본 발명의 불포화 비고리 아민 화합물과 다른 표면 개질제 화합물을 모두 포함하는 수용액을 제조하여 상기한 제조방법에 그대로 적용하는 것만으로 충분하다.
본 발명에서 기질은 유리, 목재, 석재, 금속, 세라믹, 천연 및 합성 고분자 등일 수 있고 특별히 한정되지 않는다.
금속 기질로는 예컨대, 철, 구리, 알루미늄, 아연, 주석, 은, 금, 티탄, 텅스텐, 니켈, 몰리브덴, 코발트, 마그네슘 및 이들의 합금류가 있으며 이들로 특별히 제한되지는 않는다.
세라믹은 금속, 비금속 또는 준금속의 무기 화합물로서, 예컨대, 산화아연, 산화지르코늄, 산화티탄, 붕산 알루미늄, 산화철, 탄산칼슘, 탄산바륨, 산화납, 산화주석, 산화세륨, 산화리튬, 산화칼슘, 산화마그네슘, 사산화삼망간, 산화니오브, 산화탄탈, 산화텅스텐, 산화안티몬, 인산알루미늄, 칼슘실리케이트, 지르코늄실리케이트, ITO(주석 함유 산화 인듐), 티탄실리케이트, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 티탄산칼슘, 몬모릴로나이트, 사포나이트, 버미클라이트, 하이드로탈사이트, 카올리나이트, 카네마이트, 마가디아이트, 케니아이트, 실리카, 알루미나, 제올라이트, 리튬나이트라이드, 리튬실리케이트, 리튬보레이트, 리튬알루미네이트, 리튬포스페이트, 리튬 인 옥시나이트라이드, 리튬 실리콘설파이드, 리튬 란탄 옥사이드, 리튬 티타늄 옥사이드, 리튬 보로설파이드, 리튬 알루미노설파이드, 리튬 포스포설파이드, 알루미늄 티타늄 옥사이드 등이 있으며 이들로 특별히 제한되지는 않는다.
천연 고분자로는 예컨대 전분, 셀룰로스, 키토산, 키틴, 젤라틴, 펙틴, 카라기난, 덱스트란, 콜라겐, 히알루론산, 알지네이트, 글루텐, 피브린, 아가로스 등이 있으며 이들로 특별히 제한되지는 않는다.
합성 고분자로는 모든 범용 열가소성 고분자, 열경화성 고분자, 엔지니어링 고분자, 엘라스토머 등이 포함되며, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐, 폴리부텐-1 등을 포함하는 폴리올레핀, 폴리이소부틸렌, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 고무(EPDM) 등을 포함하는 폴리올레핀 엘라스토머, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 포함하는 할로겐화폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리아세탈, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 페놀수지, 에폭시수지, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 등을 포함하는 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리실록산, 폴리나프탈렌, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리파라페닐렌설파이드, 폴리클로로프렌, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴고무, 실리콘고무 및 이들의 공중합체 등이 있으며 이들로 특별히 제한되지는 않는다.
기질의 형상도 분말(powder), 비드(bead), 평판(plate), 막대(rod), 튜브(tube) 또는 임의의 3차원 형상일 수 있고 특별히 한정되지 않는다. 또한 필요에 따라 기질의 일부분만을 화학식 (I) 화합물의 수용액과 접촉시킴으로써 기질의 일부분만을 개질하는 것도 가능하다.
<실시예>
이하에서는 실시예에 의거하여 본 발명의 다양한 실시 형태들을 더욱 상세히 설명하고자 하나, 본 발명의 보호범위는 결코 후술하는 실시예에 의해 제한되지 않는다. 통상의 기술자는 실시예에 예시된 화합물과 기질, 실시 기법들은 본 발명을 실시하는데 있어서 대표적인 예들을 나타내는 것임을 잘 알 수 있다. 또한, 통상의 기술자는 개시된 내용을 바탕으로 기재된 구체적인 실시 형태들을 여러가지로 변경시킬 수 있으며 본 발명의 기술사상과 보호 범위를 벗어나지 않는 유사한 결과를 얻을 수 있을 것이다.
실시예 1: 실온의 약염기성 용액에서 유리 슬라이드 상에 3- 아미노크로톤산 메틸 개질
pH 9.0의 보레이트 버퍼(50 mM)에 3-아미노크로톤산 메틸을 가하여 1 mg/1mL 농도의 용액을 제조하였다. 상기 용액에 유리 슬라이드를 실온에서 20시간 동안 담가두었다. 유리 슬라이드를 꺼내 70℃ 오븐에 3시간 동안 두었다가 NaOH 용액으로 20초간 세척하였다. 그 다음 충분한 양의 물로 세척하고 70℃에서 5분간 건조시켰다. 다시 유리 슬라이드를 HCl 용액으로 20초간 세척하고 충분한 양의 물로 세척한 다음 70℃에서 5분간 건조시켰다.
비교예 1
pH 9.0의 보레이트 버퍼(50 mM)에 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 규격의 유리 슬라이드를 실온에서 20시간 동안 담가 두었다. 유리 슬라이드를 꺼내 70℃ 오븐에 3시간 동안 두었다가 NaOH 용액으로 20초간 세척하였다. 그 다음 충분한 양의 물로 세척하고 70℃에서 5분간 건조시켰다. 다시 유리 슬라이드를 HCl용액으로 20초간 세척하고 충분한 양의 물로 세척한 다음 70℃에서 5분간 건조시켰다.
실시예 2: 실온의 강염기성 용액에서 유리 슬라이드 상에 3- 아미노크로톤산 메틸 개질
pH 13의 디메틸에탄올아민 8% 수용액에 3-아미노크로톤산 메틸을 가하여 1mg/1mL 농도의 용액을 제조하였다. 상기 용액에 유리 슬라이드를 실온에서 12시간 동안 담가 두었다. 유리 슬라이드를 꺼내 70℃ 오븐에 3시간 동안 두었다가 NaOH 용액으로 20초간 세척하였다. 그 다음 충분한 양의 물로 세척하고 70℃에서 5분간 건조시켰다. 다시 유리 슬라이드를 HCl 용액으로 20초간 세척하고 충분한 양의 물로 세척한 다음 70℃에서 5분간 건조시켰다.
비교예 2
pH 9.0의 보레이트 버퍼(50 mM)에 실시예 2에서 사용한 것과 동일한 규격의 유리 슬라이드를 실온에서 12시간 동안 담가 두었다. 유리 슬라이드를 꺼내 70℃ 오븐에 3시간 동안 두었다가 NaOH 용액으로 20초간 세척하였다. 그 다음 충분한 양의 물로 세척하고 70℃에서 5분간 건조시켰다. 다시 유리 슬라이드를 HCl용액으로 20초간 세척하고 충분한 양의 물로 세척한 다음 70℃에서 5분간 건조시켰다.
실시예 3: 실온의 약염기성 용액에서 폴리이미드 필름 상에 3- 아미노크로톤산 메틸 개질
폴리이미드(PI) 필름을 사용한 점만 제외하고 실시예 1에서와 동일한 방법으로 표면개질 필름을 제조하였다.
비교예 3
폴리이미드(PI) 필름을 사용한 점만 제외하고 비교예 1에서와 동일한 방법으로 시료를 준비하였다.
실시예 4: 실온의 강염기성 용액에서 폴리이미드 필름 상에 3- 아미노크로톤산 메틸 개질
폴리이미드(PI) 필름을 사용한 점만 제외하고 실시예 2에서와 동일한 방법으로 표면개질 필름을 제조하였다.
비교예 4
폴리이미드(PI) 필름을 사용한 점만 제외하고 비교예 2에서와 동일한 방법으로 시료를 준비하였다.
실시예 5: 실온의 약염기성 용액에서 폴리에틸렌 필름 상에 3- 아미노크로톤산 메틸 개질
식품포장재용 폴리에틸렌 (PE) 필름(양면의 폴리에틸렌 필름 사이에 인쇄면 필름 및 알루미늄 필름이 존재하는 복합 필름)을 사용한 점만 제외하고 실시예 1에서와 동일한 방법으로 표면개질 필름을 제조하였다.
비교예 5
식품포장재용 폴리에틸렌 (PE) 필름을 사용한 점만 제외하고 비교예 1에서와 동일한 방법으로 시료를 준비하였다.
실시예 6: 실온의 강염기성 용액에서 폴리에틸렌 필름 상에 3- 아미노크로톤산 메틸 개질
식품포장재용 폴리에틸렌 (PE) 필름을 사용한 점만 제외하고 실시예 2에서와 동일한 방법으로 표면개질 필름을 제조하였다.
비교예 6
식품포장재용 폴리에틸렌 (PE) 필름을 사용한 점만 제외하고 비교예 2에서와 동일한 방법으로 시료를 준비하였다.
<접촉각의 측정>
접촉각을 측정하기 위하여 미국 뉴저지주 소재 라메하트 인스트루먼트사의 고니오미터(모델 300)를 사용하였다. 미량주사기를 사용하여 시료액(디메틸에탄올 아민 15% 수용액 또는 증류슈) 2 ㎕의 액체방울을 고니오미터 샘플스테이지 상의 시료 표면에 올려놓았다. 고니오미터의 샘플스테이지에 올려 놓은 시료액 방울과 시료 표면과의 접촉상태를 알 수 있는 측면사진을 찍은 후에, 고니오미터의 드롭이미지(DROPImage) 소프트웨어를 사용하여 접촉각의 정량적인 정보를 알아내는 방식으로 접촉각을 측정하였다.
위와 같은 방법으로 모든 실시예 시료 필름과 각각의 비교예 시료 필름에 대해 접촉각을 측정한 결과를 표 1 내지 표 6에 나타내었다. "점적액"이란 접촉각 측정에 사용한 시료액을 의미한다.
실시예 1 시료와 비교예 1 시료의 접촉각 측정 결과
실시예 1 비교예 1
1 60.2˚ 48.2˚
2 56.6˚ 52.5˚
3 58.4˚ 53.2˚
4 61.4˚ 51.0˚
5 52.6˚ 54.0˚
평균 57.8˚ 51.8˚
실시예 2 시료와 비교예 2 시료의 접촉각 측정 결과
점적액: 물
실시예 2 비교예 2
1 56.2˚ 32.9˚
2 33.2˚ 35.6˚
3 28.4˚ 27.9˚
4 33.6˚ 30.6˚
5 45.2˚ 28.2˚
평균 39.3˚ 31.0˚
실시예 3 시료와 비교예 3 시료의 접촉각 측정 결과
점적액: 물
실시예 3 비교예 3
1 66.2˚ 73.0˚
2 69.8˚ 70.6˚
3 65.8˚ 65.4˚
4 67.5˚ 73.0˚
5 80.4˚ 67.6˚
평균 69.9˚ 69.9˚
실시예 4 시료와 비교예 4 시료의 접촉각 측정 결과
점적액: 물 점적액: 15% DMEA 수용액
실시예 4 비교예 4 실시예 4 비교예 4
1 78.0˚ < 10˚ 31.9˚ -
2 68.8˚ < 10˚ 30.0˚ 21.8˚
3 66.6˚ < 15˚ 23.9˚ 25.8˚
4 61.2˚ - 36.6˚ 28.3˚
5 69.0˚ - 37.3˚ 33.0˚
평균 68.7˚ < 15˚ 31.9˚ 27.2˚
실시예 5 시료와 비교예 5 시료의 접촉각 측정 결과
점적액: 물 점적액: 15% DMEA 수용액
실시예 5 비교예 5 실시예 5 비교예 5
1 104.2˚ 95.8˚ 97.0˚ 85.9˚
2 106.6˚ 91.2˚ 88.5˚ 77.2˚
3 96.9˚ 87.9˚ 93.0˚ 64.6˚
4 109.2˚ 93.4˚ 97.4˚ 90.1˚
5 107.4˚ 90.6˚ 83.1˚ 86.6˚
평균 104.9˚ 91.8˚ 91.8˚ 80.1˚
실시예 6 시료와 비교예 6 시료의 접촉각 측정 결과
점적액: 15% DMEA 수용액
실시예 6 비교예 6
1 91.2˚ 74.7˚
2 94.0˚ 76.3˚
3 81.0˚ 74.1˚
4 78.6˚ 86.3˚
5 73.3˚ 76.0˚
평균 83.6˚ 77.5˚
상기 결과로부터, 다양한 기질의 표면 개질에 불포화 비고리 아민 화합물을 사용하는 경우 소수성 코팅을 제공한다는 사실을 확인할 수 있었다. 특정한 기질과 표면 개질 조건에 따라 개질된 표면의 성질이 다양하게 변할 수 있으며 표면 개질에 사용하는 불포화 비고리 아민 화합물을 적절히 선택함으로써 개질된 표면의 성질을 조정하는 것도 가능하다는 사실을 확인할 수 있었다. 통상의 기술자는 위 실험 결과로부터 원하는 성질을 갖는 기질 표면을 얻기 위해 적합한 화합물 및 표면 개질 조건을 최적화할 수 있을 것이다.
본 발명은 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체가 기질에 비의존적으로 표면 개질된 기질 및 그 개질 방법에 관한 것으로서, 다양한 기질의 화학적 표면 개질에 사용할 수 있다. 특히, 소수성이 필요한 적용 분야에 사용되는 재료의 표면에 적합한 소수성을 부여하거나, 그 반대의 개질도 가능하다. 또한, 계면간의 접착력 향상을 위하여 한쪽 계면의 화학적 성질을 개질하거나, 고정 및/또는 분리하고자 하는 생화학물질의 성질에 맞도록 적절히 선택된 개질 화합물을 사용함으로써 생화학물질의 분리 수율 및 신뢰성을 높이는 것도 가능하므로, 본 발명을 이용할 수 있는 산업 분야는 무궁무진하다.

Claims (15)

  1. 기질 표면의 적어도 일부에 하기 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물을 표면개질제로 반응시켜, 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 표면개질된 기질.
    <화학식 (I)>
    Figure pat00007

    상기 식에서,
    X는 -NH2, -N=CH-OH, 또는 -N=O이고,
    R1은 수소, C1-C6 알킬, 또는 -CN이며,
    R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, C1-C6알킬, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 C1-C6알킬임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 (I)에서,
    X는 -NH2이고,
    R1은 수소, C1-C3 알킬, 또는 -CN이며
    R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, C1-C3알킬, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 C1-C3알킬임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기인 것을 특징으로 하는,
    화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 표면개질된 기질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 (I)에서,
    X는 -NH2이고,
    R1은 수소, 메틸, 또는 -CN이며
    R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, 메틸, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 메틸임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기인 것을 특징으로 하는,
    화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 표면개질된 기질.
  4. 제1항에 있어서, 상기 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물은 3-아미노크로톤산 메틸, 3-아미노크로톤산 에틸, N-비닐포름아미드, 3-아미노크로토니트릴, N[(2E)-3-니트로소부트-2-엔-2일]하이드록시아민, 디아미노말레오니트릴, 및 4-아미노펜트-3-엔-2-온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물인 것을 특징으로 하는,
    화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 표면개질된 기질.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서, 상기 기질은 유리, 목재, 석재, 금속, 세라믹, 천연 및 합성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는,
    상기 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 표면개질된 기질.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기질은 합성 고분자인 것을 특징으로 하는,
    상기 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 표면개질된 기질.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기질은 폴리올레핀, 폴리올레핀 엘라스토머, 할로겐화폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리아세탈, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 페놀수지, 에폭시수지, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리실록산, 폴리나프탈렌, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리파라페닐렌설파이드, 폴리클로로프렌, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴고무, 실리콘고무 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는,
    상기 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물 또는 그의 올리고머 또는 (공)중합체로 표면개질된 기질.
  8. 하기 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물의 수용액을 제조하는 단계,
    상기 수용액을 기질 표면의 적어도 일부에 접촉시키는 단계,
    상기 기질을 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기질의 표면개질 방법.
    <화학식 (I)>
    Figure pat00008

    상기 식에서,
    X는 -NH2, -N=CH-OH, 또는 -N=O이고,
    R1은 수소, C1-C6 알킬, 또는 -CN이며,
    R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, C1-C6알킬, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 C1-C6알킬임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기이다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 화학식 (I)에서,
    X는 -NH2이고,
    R1은 수소, C1-C3 알킬, 또는 -CN이며
    R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, C1-C3알킬, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 C1-C3알킬임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기인 것을 특징으로 하는, 기질의 표면개질 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 화학식 (I)에서,
    X는 -NH2이고,
    R1은 수소, 메틸, 또는 -CN이며
    R2 및 R3은 각각 독립적으로 수소, 메틸, -CN, -OH, -NH2, -NH-OH, -C(O)R4 및 -C(O)OR5 (여기서, R4 및 R5는 수소 또는 메틸임)로 이루어진 군에서 선택되는 치환기인 것을 특징으로 하는, 기질의 표면개질 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 화학식 (I)의 불포화 비고리 아민 화합물은 3-아미노크로톤산 메틸, 3-아미노크로톤산 에틸, N-비닐포름아미드, 3-아미노크로토니트릴, N[(2E)-3-니트로소부트-2-엔-2일]하이드록시아민, 디아미노말레오니트릴, 및 4-아미노펜트-3-엔-2-온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물인 것을 특징으로 하는, 기질의 표면개질 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수용액은 산성 용액, 중성 용액 또는 염기성 용액 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기질의 표면개질 방법.
  13. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기질은 유리, 목재, 석재, 금속, 세라믹, 천연 및 합성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 기질의 표면개질 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 기질은 합성 고분자인 것을 특징으로 하는 기질의 표면개질 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 기질은 폴리올레핀, 폴리올레핀 엘라스토머, 할로겐화폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리아세탈, 폴리비닐아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 페놀수지, 에폭시수지, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리실록산, 폴리나프탈렌, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리파라페닐렌설파이드, 폴리클로로프렌, 스티렌-부타디엔 고무, 니트릴고무, 실리콘고무 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 기질의 표면개질 방법.
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