KR20230131989A - Control method of surface properties of carbon quantum dots - Google Patents

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KR20230131989A KR1020220028570A KR20220028570A KR20230131989A KR 20230131989 A KR20230131989 A KR 20230131989A KR 1020220028570 A KR1020220028570 A KR 1020220028570A KR 20220028570 A KR20220028570 A KR 20220028570A KR 20230131989 A KR20230131989 A KR 20230131989A
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Abstract

본 발명은 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법은 탄소 양자점을 이소시아네이트 그룹과 반응시켜 탄소 양자점의 표면 특성을 제어한다. 즉 이소시아네이트 그룹의 이소시아네이트가 탄소 양자점의 산소기능기와 결합하여 탄소 양자점의 표면을 개질함으로써, 탄소 양자점의 젖음성, 용해도 및 발광 특성을 제어할 수 있다.The present invention relates to a method for controlling the surface properties of carbon quantum dots. The method for controlling the surface properties of carbon quantum dots according to the present invention controls the surface properties of carbon quantum dots by reacting carbon quantum dots with an isocyanate group. That is, the isocyanate of the isocyanate group combines with the oxygen functional group of the carbon quantum dot to modify the surface of the carbon quantum dot, thereby controlling the wettability, solubility, and luminescence characteristics of the carbon quantum dot.

Description

탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법{Control method of surface properties of carbon quantum dots}{Control method of surface properties of carbon quantum dots}

본 발명은 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이소시아네이트 그룹을 이용하여 탄소 양자점의 표면 특성을 제어하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of controlling the surface properties of carbon quantum dots, and more specifically, to a method of controlling the surface properties of carbon quantum dots using an isocyanate group.

양자점은 수 나노미터 크기의 결정 구조를 가진 물질로, 수백에서 수천 개 정도의 원자로 구성되어 있다. 이렇게 작은 크기의 물질은 단위 부피 당 표면적이 넓어 대부분의 원자들이 표면에 존재하게 되고, 양자제한(quantum confinement) 효과 등을 나타내게 되어, 물질 자체의 고유한 특성과는 다른 독특한 전기적, 자기적, 광학적, 화학적, 기계적 특성을 가지게 된다.Quantum dots are materials with a crystal structure several nanometers in size and are composed of hundreds to thousands of atoms. This small-sized material has a large surface area per unit volume, so most atoms exist on the surface, and it exhibits quantum confinement effects, resulting in unique electrical, magnetic, and optical properties that are different from the inherent characteristics of the material itself. , it has chemical and mechanical properties.

양자점은 같은 물질로 만들어지더라도 입자의 크기에 따라서 방출하는 빛의 색상이 달라질 수 있다. 입자의 크기가 작을수록 짧은 파장의 형광을 내며 입자의 크기가 커지면 장파장 영역으로 파장이 이동한다. 반도체 기반 양자점의 경우 일반적인 유기 형광물질에 비해 흡광계수가 100~1000 배 크고 양자 효율이 높아 매우 강한 형광을 발생한다. 이와 같은 특성에 의하여, 양자점은 차세대 고휘도 발광 다이오드, 바이오 센서, 레이져, 태양 전지 나노 소재 등으로 주목을 받고 있다.Even if quantum dots are made of the same material, the color of light they emit can vary depending on the size of the particle. The smaller the particle size, the shorter the wavelength of fluorescence, and as the particle size increases, the wavelength moves to the longer wavelength region. In the case of semiconductor-based quantum dots, the extinction coefficient is 100 to 1,000 times larger than that of general organic fluorescent materials and the quantum efficiency is high, producing very strong fluorescence. Due to these characteristics, quantum dots are attracting attention as next-generation high-brightness light-emitting diodes, biosensors, lasers, and solar cell nanomaterials.

반도체 양자점의 경우 장시간 모니터링이 가능하고 발광파장이 일정하기 때문에, 바이오 이미징 분야에서 아주 많이 사용되고 있으나, 대부분이 독성을 띠는 중금속 물질을 코어 물질로 사용하므로 우수한 특성에도 불구하고 사용에 제한적이다.Semiconductor quantum dots are widely used in the bio-imaging field because they enable long-term monitoring and have a constant emission wavelength. However, most of them use toxic heavy metal materials as core materials, so their use is limited despite their excellent properties.

이러한 반도체 양자점의 문제점을 해결하기 위한 연구로 비유기물 무독성 형광물질의 연구가 시도되고 있다. 일 예로 수용액 분산가능, 화학적 불활성, 적은 광표백특성 등과 같은 우수한 물성을 갖는 탄소 양자점이 소개되고 있다.In order to solve these problems of semiconductor quantum dots, research on non-toxic, non-toxic fluorescent materials is being attempted. As an example, carbon quantum dots with excellent physical properties such as dispersibility in aqueous solutions, chemical inertness, and low photobleaching properties are being introduced.

탄소 양자점은 무기계열의 양자점과 비슷하게 독특한 형광 특성을 나타낸다. 그리고 탄소 양자점은 표면에 위치한 수 많은 산소기능기, 예컨대 수산기(hydroxyl group), 카르복실산기(carboxylic acid group)에 의해서 매우 높은 친수성을 갖는다. 이러한 탄소 양자점의 친수성으로 인해서, 소수성을 가지는 고분자와의 복합시 고분자 매트릭스와의 혼화성에 한계점이 존재한다.Carbon quantum dots exhibit unique fluorescence properties similar to inorganic quantum dots. In addition, carbon quantum dots have very high hydrophilicity due to numerous oxygen functional groups located on the surface, such as hydroxyl group and carboxylic acid group. Due to the hydrophilic nature of carbon quantum dots, there is a limit to their miscibility with the polymer matrix when complexed with a hydrophobic polymer.

따라서 탄소 양자점의 표면 특성을 제어하기 위한 표면 개질 방법으로, 열환원 방법을 통한 친수성 산소기능기 밀도 제어 방법과, 소수성 표면 개질 화합물을 이용한 화학적 변형(chemical modification) 방법 등이 있다.Therefore, surface modification methods for controlling the surface properties of carbon quantum dots include a hydrophilic oxygen functional group density control method through a thermal reduction method and a chemical modification method using a hydrophobic surface modification compound.

먼저 열환원 방법의 경우에는 비교적 높은 온도(~150도)에서 진행되고, 탄소 양자점의 소수성화에 한계가 있다는 단점이 있다.First, the thermal reduction method has the disadvantage of being carried out at a relatively high temperature (~150 degrees) and having limitations in hydrophobizing carbon quantum dots.

다음으로 화학적 변형 방법의 경우에는 아민기(NH2) 혹은 카르복실산기를 가지고 있는 소수성 표면 개질제를 커플링제(coupling agent)를 이용하여 탄소 양자점의 산소기능기와 공유결합으로 반응시키는 방법이다. 커플링제로는 N,N′-dicyclohexyl-carbodiimide(DCC) 또는 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide(EDC) 등이 사용되고 있다. 하지만 화학적 변형 방법의 경우에는 반응 후 남은 커플링제를 완벽하게 제거하기가 어렵다는 단점이 있다.Next, in the case of a chemical modification method, a hydrophobic surface modifier having an amine group (NH 2 ) or carboxylic acid group is reacted with the oxygen functional group of the carbon quantum dot through a covalent bond using a coupling agent. N,N'-dicyclohexyl-carbodiimide (DCC) or 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide (EDC) are used as coupling agents. However, the chemical modification method has the disadvantage that it is difficult to completely remove the coupling agent remaining after the reaction.

등록특허공보 제10-2143276호 (2020.08.04. 등록)Registered Patent Publication No. 10-2143276 (registered on 2020.08.04)

따라서 본 발명의 목적은 비교적 반응 온도가 낮고, 촉매를 사용하지 않으면서 탄소 양자점의 표면 특성을 제어하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법을 제공하는 데 있다.Therefore, the purpose of the present invention is to provide a method for controlling the surface properties of carbon quantum dots, which has a relatively low reaction temperature and controls the surface properties of carbon quantum dots without using a catalyst.

본 발명의 다른 목적은 탄소 양자점의 젖음성을 제어하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for controlling the surface properties of carbon quantum dots by controlling the wettability of the carbon quantum dots.

본 발명의 또 다른 목적은 탄소 양자점의 용해도를 제어하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for controlling the surface properties of carbon quantum dots by controlling the solubility of the carbon quantum dots.

본 발명의 또 다른 목적은 탄소 양자점의 발광 특성을 제어하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of controlling the surface properties of carbon quantum dots to control the luminescence properties of the carbon quantum dots.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소 양자점을 이소시아네이트 그룹과 반응시켜 상기 탄소 양자점의 표면 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for controlling the surface properties of carbon quantum dots, characterized in that the surface properties of the carbon quantum dots are controlled by reacting the carbon quantum dots with an isocyanate group.

상기 탄소 양자점은 표면에 산소기능기를 포함하고, 상기 이소시아네이트 그룹의 이소시아네이트기가 상기 산소기능기와 결합하여 상기 탄소 양자점의 젖음성을 제어할 수 있다.The carbon quantum dots include an oxygen functional group on the surface, and the isocyanate group of the isocyanate group is combined with the oxygen functional group to control the wettability of the carbon quantum dots.

상기 이소시아네이트 그룹은 헥실 이소시아네이트(hexyl isocyanate), 벤질 이소시아네이트(benzyl isocyanate) 또는 알킬 이소시아네이트(alkyl isocyanate)를 포함할 수 있다.The isocyanate group may include hexyl isocyanate, benzyl isocyanate, or alkyl isocyanate.

상기 산소기능기는 수산기(hydroxyl group)와 카르복실산기(carboxylic acid group)를 포함하고, 상기 이소시아네이트 그룹으로 헥실 이소시아네이트(hexyl isocyanate)를 사용하는 경우, 상기 헥실 이소시아네이트는 상기 산소기능기와 반응하여 우레탄(urethane)과 요소 결합(urea linkage)을 형성한다.The oxygen functional group includes a hydroxyl group and a carboxylic acid group, and when hexyl isocyanate is used as the isocyanate group, the hexyl isocyanate reacts with the oxygen functional group to form urethane. ) and forms a urea linkage.

상기 반응은 100℃ 이하에서 진행된다.The reaction proceeds below 100°C.

상기 이소시아네이트 그룹의 투입 양을 조절하여 상기 탄소 양자점의 젖음성을 제어할 수 있다.The wettability of the carbon quantum dots can be controlled by adjusting the amount of the isocyanate group added.

상기 이소시아네이트 그룹과 반응하기 전 탄소 양자점은 친수성을 갖고, 상기 이소시아네이트 그룹의 투입 양이 증가할수록, 상기 탄소 양자점은 친수성(hydrophilic), 양친매성(amphiphilic) 및 소수성(hydrophobic) 순으로 젖음성이 변화한다.Before reacting with the isocyanate group, the carbon quantum dots have hydrophilicity, and as the amount of the isocyanate group increases, the wettability of the carbon quantum dots changes in the order of hydrophilic, amphiphilic, and hydrophobic.

상기 이소시아네이트 그룹으로 벤질 이소시아네이트(benzyl isocyanate)를 사용하여 반응시킨 탄소 양자점은, 상기 벤질 이소시아네이트의 투입 양이 증가할수록, 스티렌(styrene)에 대한 용해도가 증가한다.The solubility of carbon quantum dots reacted using benzyl isocyanate as the isocyanate group in styrene increases as the amount of benzyl isocyanate added increases.

젖음성이 제어된 탄소 양자점은 유화제(emulsifier)로 사용할 수 있다.Carbon quantum dots with controlled wettability can be used as an emulsifier.

상기 탄소 양자점은 표면에 산소기능기를 포함하고, 상기 이소시아네이트 그룹의 이소시아네이트기가 상기 산소기능기와 결합하여 상기 탄소 양자점의 발광 특성을 제어할 수 있다.The carbon quantum dots include an oxygen functional group on the surface, and the isocyanate group of the isocyanate group is combined with the oxygen functional group to control the light-emitting characteristics of the carbon quantum dots.

상기 이소시아네이트 그룹의 투입 양이 증가할수록, 상기 탄소 양자점은 PL 방출 최대 피크 파장(PL emission maximum peak wavelength)이 청색편이(blue shift)한다.As the amount of the isocyanate group increases, the PL emission maximum peak wavelength of the carbon quantum dots blue shifts.

그리고 본 발명은, 디부틸틴 디라우레이트(dibutyltin dilaurate) 계열의 촉매를 도입하여 탄소 양자점을 이소시아네이트 그룹과 반응시켜 탄소 양자점의 표면 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법을 제공한다.The present invention provides a method for controlling the surface properties of carbon quantum dots, characterized in that the surface properties of carbon quantum dots are controlled by reacting the carbon quantum dots with an isocyanate group by introducing a dibutyltin dilaurate series catalyst. do.

본 발명에 따르면, 이소시아네이트 그룹을 이용하여 탄소 양자점의 표면 특성을 제어함으로써, 탄소 양자점의 젖음성, 용해도, 발광 특성을 개선할 수 있다.According to the present invention, the wettability, solubility, and luminescence properties of carbon quantum dots can be improved by controlling the surface properties of carbon quantum dots using isocyanate groups.

이소시아네이트 그룹은 탄소 양자점의 산소기능기와 반응하여 탄소 양자점의 표면이 개질되기 때문에, 표면 특성 제어에 투입되는 이소시아네이트 그룹의 양을 조절함으로써, 탄소 양자점의 젖음성을 제어할 수 있다.Since the isocyanate group reacts with the oxygen functional group of the carbon quantum dot to modify the surface of the carbon quantum dot, the wettability of the carbon quantum dot can be controlled by adjusting the amount of isocyanate group added to control the surface properties.

본 발명은 탄소 양자점의 표면 특성을 제어할 때 이소시아네이트 그룹을 사용하기 때문에, 비교적 반응 온도가 낮고, 촉매를 사용하지 않으면서 탄소 양자점의 표면 특성을 제어할 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법은 대량의 탄소 양자점의 표면 특성 제어에 활용할 수 있다.Since the present invention uses an isocyanate group to control the surface properties of carbon quantum dots, the reaction temperature is relatively low and the surface properties of carbon quantum dots can be controlled without using a catalyst. For this reason, the method for controlling the surface properties of carbon quantum dots according to the present invention can be used to control the surface properties of large quantities of carbon quantum dots.

본 발명에 따른 젖음성이 제어된 탄소 양자점은 스티렌에 대한 용해도를 조절할 수 있다.Carbon quantum dots with controlled wettability according to the present invention can control solubility in styrene.

본 발명에 따른 젖음성이 제어된 탄소 양자점은 소수성의 오일 층과, 친수성의 물 층의 계면에 위치시킬 수 있기 때문에, 이를 이용하여 유화제로 활용할 수 있다.Since the carbon quantum dots with controlled wettability according to the present invention can be placed at the interface between a hydrophobic oil layer and a hydrophilic water layer, they can be used as an emulsifier.

그리고 이소시아네이트 그룹은 탄소 양자점의 산소기능기와 반응하기 때문에, 탄소 양자점의 발광 특성을 제어할 수 있다. 즉 이소시아네이트 그룹의 투입 양을 조절함으로써, 탄소 양자점의 발광 특성을 제어할 수 있다. 예컨대 탄소 양자의 표면에 도입되는 이소시아네이트기의 양이 증가할수록, PL 방출 최대 피크 파장(PL emission maximum peak wavelength)이 청색편이(blue shift)한다.And because the isocyanate group reacts with the oxygen functional group of the carbon quantum dots, the luminescent properties of the carbon quantum dots can be controlled. That is, by adjusting the amount of isocyanate group added, the light-emitting properties of carbon quantum dots can be controlled. For example, as the amount of isocyanate groups introduced to the surface of carbon protons increases, the PL emission maximum peak wavelength blue shifts.

도 1은 본 발명에 따른 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법을 보여주는 도면이다.
도 2는 실시예1에 따른 헥실 이소시아네이트의 반응량에 따른 탄소 양자점의 용해도 변화를 보여주는 사진이다.
도 3은 실시예2에 따른 벤질 이소시아네이트의 반응량에 따른 탄소 양자점의 용해도 변화를 보여주는 사진이다.
도 4는 실시예1에 따른 헥실 이소시아네이트로 표면 개질된 탄소 양자점의 농도 조절을 통한 styrene-in-water emulsion 안정화 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 실시예1에 따른 헥실 이소시아네이트의 반응량에 따른 탄소 양자점의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.
Figure 1 is a diagram showing a method of controlling surface properties of carbon quantum dots according to the present invention.
Figure 2 is a photograph showing the change in solubility of carbon quantum dots according to the reaction amount of hexyl isocyanate according to Example 1.
Figure 3 is a photograph showing the change in solubility of carbon quantum dots according to the reaction amount of benzyl isocyanate according to Example 2.
Figure 4 is a graph showing the results of stabilizing styrene-in-water emulsion by controlling the concentration of carbon quantum dots surface-modified with hexyl isocyanate according to Example 1.
Figure 5 is a graph showing the luminescence characteristics of carbon quantum dots according to the reaction amount of hexyl isocyanate according to Example 1.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.It should be noted that in the following description, only the parts necessary to understand the embodiments of the present invention will be described, and descriptions of other parts will be omitted without departing from the gist of the present invention.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms or words used in the specification and claims described below should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor should use the concept of terminology appropriately to explain his/her invention in the best way. It must be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined clearly. Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent the entire technical idea of the present invention, and therefore, various equivalents can be substituted for them at the time of filing the present application. It should be understood that there may be variations.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명에 따른 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법을 보여주는 도면이다.Figure 1 is a diagram showing a method of controlling surface properties of carbon quantum dots according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소 양자점(10)의 표면 특성 제어 방법은 탄소 양자점(10)을 이소시아네이트 그룹과 반응시켜 탄소 양자점(10)의 표면 특성을 제어한다. 즉 탄소 양자점(10)은 표면에 산소기능기(13)를 포함한다. 이소시아네이트 그룹의 이소시아네이트기(20)가 탄소 양자점(10)의 산소기능기(13)와 결합하여 탄소 양자점(10)의 표면을 개질함으로써, 탄소 양자점(10)의 표면 특성을 제어할 수 있다. 여기서 제어되는 탄소 양자점(10)의 표면 특성은 젖음성, 스티렌(styrene)에 대한 용해도, 발광 특성을 포함할 수 있다.Referring to Figure 1, the method for controlling the surface properties of carbon quantum dots 10 according to the present invention controls the surface properties of the carbon quantum dots 10 by reacting the carbon quantum dots 10 with an isocyanate group. That is, the carbon quantum dots 10 include oxygen functional groups 13 on the surface. The isocyanate group 20 of the isocyanate group combines with the oxygen functional group 13 of the carbon quantum dot 10 to modify the surface of the carbon quantum dot 10, thereby controlling the surface properties of the carbon quantum dot 10. The surface properties of the carbon quantum dots 10 controlled here may include wettability, solubility in styrene, and luminescent properties.

여기서 탄소 양자점(10)은 탑 다운 어프로치(top down approach) 또는 바텀 업 어프로치(bottom up approach)로 합성이 가능하다. 탑 다운 어프로치는 카본블랙(carbon black), 활성카본(activated carbon) 또는 그래핀(graphene)과 같은 탄소나노소재로부터 쪼개는 방식으로 탄소 양저점(10)을 합성하는 방법이다. 바텀 업 어프로치는 시트르산(citric acid)과 같은 단분자 또는 고분자로부터 탄소 양자점(10)을 합성하는 방법이다.Here, the carbon quantum dots 10 can be synthesized using a top down approach or a bottom up approach. The top-down approach is a method of synthesizing carbon positive and low points (10) by splitting them from carbon nanomaterials such as carbon black, activated carbon, or graphene. The bottom up approach is a method of synthesizing carbon quantum dots (10) from single molecules or polymers such as citric acid.

이러한 합성 방법으로 제조된 탄소 양자점(10)은 표면에 위치한 산소기능기(13), 예컨대 수산기(hydroxyl group)와 카르복실산기(carboxylic acid group)에 의한 강한 친수성을 특성을 나타낸다.Carbon quantum dots 10 manufactured by this synthetic method exhibit strong hydrophilic properties due to oxygen functional groups 13 located on the surface, such as hydroxyl groups and carboxylic acid groups.

이러한 친수성의 탄소 양자점(10)을 이소시아네이트 그룹으로 표면 개질함으로써, 탄소 양자점(10)의 젖음성을 제어할 수 있다.By surface modifying the hydrophilic carbon quantum dots 10 with isocyanate groups, the wettability of the carbon quantum dots 10 can be controlled.

그리고 이소시아네이트 그룹은 이소시아네이트기(20)를 함유하는 화합물로서, 예컨대 헥실 이소시아네이트(hexyl isocyanate), 벤질 이소시아네이트(benzyl isocyanate) 또는 알킬 이소시아네이트(alkyl isocyanate)를 포함하며, 이것에 한정되는 것은 아니다.The isocyanate group is a compound containing an isocyanate group (20), and includes, for example, hexyl isocyanate, benzyl isocyanate, or alkyl isocyanate, but is not limited thereto.

도 1은 헥실 이소시아네이트를 이용하여 탄소 양자점(10)의 표면을 개질하는 과정을 보여준다. 표면 개질 전 탄소 양자점(10) 표면에 산소기능기(13)를 확인할 수 있다. 헥실 이소시아네이트의 투입에 따라서, 탄소 양자점(10) 표면의 산소기능기(13)에 헥실 이소시아네이트의 이소시아네이트기(20)가 결합한다. 반응 시간의 경과에 따라서, 산소기능기(13)에 결합되는 이소시아네이트기(20)의 수가 증가한다.Figure 1 shows the process of modifying the surface of carbon quantum dots 10 using hexyl isocyanate. Oxygen functional groups (13) can be confirmed on the surface of the carbon quantum dots (10) before surface modification. According to the addition of hexyl isocyanate, the isocyanate group (20) of hexyl isocyanate is bonded to the oxygen functional group (13) on the surface of the carbon quantum dot (10). As the reaction time progresses, the number of isocyanate groups (20) bonded to the oxygen functional groups (13) increases.

여기서 헥실 이소시아네이트를 이용한 탄소 양자점(10)의 표면 개질 반응은, 커플링제나 촉매를 사용하지 않고, 100℃ 이하에서 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 용매 상에서, 24시간 진행하였다.Here, the surface modification reaction of the carbon quantum dots 10 using hexyl isocyanate was carried out for 24 hours in a dimethylformamide solvent at 100°C or lower without using a coupling agent or catalyst.

헥실 이소시아네이트의 이소시아네이트기(20)는 산소기능기(13)와 반응하여 우레탄(urethane)과 요소 결합(urea linkage)을 형성한다.The isocyanate group (20) of hexyl isocyanate reacts with the oxygen functional group (13) to form a urethane and urea linkage.

이와 같이 탄소 양자점(10)의 산소기능기(13)에 결합되는 이소시아네이트기(20)의 양이 증가할수록, 탄소 양자점(10)은 젖음성이 변경된다. 즉 탄소 양자점(10)은 초기 친수성에서 소수성으로 변경될 수 있다.As the amount of the isocyanate group 20 bonded to the oxygen functional group 13 of the carbon quantum dots 10 increases, the wettability of the carbon quantum dots 10 changes. That is, the carbon quantum dots 10 can change from initial hydrophilicity to hydrophobicity.

이소시아네이트 그룹은 100℃ 이하의 낮은 온도에서 커플링제 또는 촉매를 사용하지 않고도 탄소 양자점(10)의 표면을 개질할 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 탄소 양자점(10)의 표면 특성 제어 방법은 대량의 탄소 양자점(10)의 표면 개질에 유리한 이점이 있다.The isocyanate group can modify the surface of the carbon quantum dots 10 without using a coupling agent or catalyst at a low temperature of 100°C or lower. For this reason, the method for controlling the surface properties of carbon quantum dots 10 according to the present invention has the advantage of modifying the surface of a large amount of carbon quantum dots 10.

물론, 이소시아네이트 그룹을 이용하여 탄소 양자점(10)의 표면을 개질할 때, 디부틸틴 디라우레이트(dibutyltin dilaurate) 계열의 촉매를 도입할 수 있다. 촉매를 도입하는 경우, 반응 온도를 낮추고 반응 시간을 줄일 수 있다.Of course, when modifying the surface of the carbon quantum dots 10 using an isocyanate group, a dibutyltin dilaurate-based catalyst can be introduced. When introducing a catalyst, the reaction temperature can be lowered and the reaction time can be shortened.

도 2는 실시예1에 따른 헥실 이소시아네이트의 반응량에 따른 탄소 양자점의 용해도 변화를 보여주는 사진이다.Figure 2 is a photograph showing the change in solubility of carbon quantum dots according to the reaction amount of hexyl isocyanate according to Example 1.

도 2를 참조하면, 실시예1에서는 헥실 이소시아네이트로 탄소 양자점의 표면을 개질하였다. 탄소 양자점의 산소기능기와 반응하는 헥실 이소시아네이트의 투입 양을 조절함으로써, 탄소 양자점의 젖음성을 정교하게 제어할 수 있다.Referring to Figure 2, in Example 1, the surface of carbon quantum dots was modified with hexyl isocyanate. By controlling the amount of hexyl isocyanate that reacts with the oxygen functional group of the carbon quantum dots, the wettability of the carbon quantum dots can be precisely controlled.

헥실 이소시아네이트와 전혀 반응하지 않은 탄소 양자점(pristine CDs)은 강한 친수성에 의해서 물과 유기용매인 클로로폼(chloroform)의 혼합물(mixture) 중에서 물 층에만 용해된다.Carbon quantum dots (pristine CDs), which have not reacted at all with hexyl isocyanate, dissolve only in the water layer in a mixture of water and the organic solvent chloroform due to their strong hydrophilicity.

해당 혼합물에 헥실 이소시아네이트의 투입 양이 CD-H1 -> CD-H2 -> CD-H3 -> CD-H4 로 증가할수록, 탄소 양자점은 친수성(hydrophilic) -> 양친매성(amphiphilic) -> 소수성(hydrophobic) 순으로 젖음성이 변화한다.As the amount of hexyl isocyanate added to the mixture increases from CD-H1 -> CD-H2 -> CD-H3 -> CD-H4, the carbon quantum dots change from hydrophilic to amphiphilic to hydrophobic. ) The wettability changes in this order.

그리고 CD-H4의 경우에는 소수성인 클로로폼 층에만 완벽하게 용해된 것을 알 수 있다.And in the case of CD-H4, it can be seen that it was completely dissolved only in the hydrophobic chloroform layer.

한편 헥실 이소시아네이트 보다 긴 알킬 이소시아네이트를 이용할 경우, 더 강한 소수성을 지니는 탄소 양자점으로의 표면을 개질할 수 있다.Meanwhile, when using an alkyl isocyanate longer than hexyl isocyanate, the surface can be modified into carbon quantum dots with stronger hydrophobicity.

도 3은 실시예2에 따른 벤질 이소시아네이트의 반응량에 따른 탄소 양자점의 용해도 변화를 보여주는 사진이다.Figure 3 is a photograph showing the change in solubility of carbon quantum dots according to the reaction amount of benzyl isocyanate according to Example 2.

도 3을 참조하면, 실시예2에서는 벤질 이소시아네이트로 탄소 양자점의 표면을 개질하였다. 탄소 양자점의 산소기능기와 반응하는 헥실 이소시아네이트의 투입 양을 조절함으로써, 탄소 양자점의 스티렌(styrene)에 대한 용해도를 정교하게 제어할 수 있다.Referring to Figure 3, in Example 2, the surface of carbon quantum dots was modified with benzyl isocyanate. By controlling the amount of hexyl isocyanate that reacts with the oxygen functional group of the carbon quantum dots, the solubility of the carbon quantum dots in styrene can be precisely controlled.

스티렌에 녹지 않는 탄소 양자점(NS-CD-B1)을 준비한다.Prepare carbon quantum dots (NS-CD-B1) that are insoluble in styrene.

다음으로 탄소 양자점(NS-CD-B1)에 벤질 이소시아네이트를 투입하여 반응시키면, 벤질 이소시아네이트의 투입 양에 따라서 탄소 양자점(NS-CD-B2)이 스티렌에 용해되는 것을 확인할 수 있다.Next, when benzyl isocyanate is added to the carbon quantum dots (NS-CD-B1) and reacted, it can be confirmed that the carbon quantum dots (NS-CD-B2) are dissolved in styrene depending on the amount of benzyl isocyanate added.

즉 벨질 이소시아네이트의 투입 양을 증가시키면, 탄소 양자점의 스티렌에 대한 용해도가 높아지고, 균질(homogeneous)한 용액이 만들어지는 것을 확인할 수 있다.In other words, it can be confirmed that by increasing the amount of Belzyl isocyanate, the solubility of carbon quantum dots in styrene increases and a homogeneous solution is created.

도 4는 실시예1에 따른 헥실 이소시아네이트로 표면 개질된 탄소 양자점의 농도 조절을 통한 styrene-in-water emulsion 안정화 결과를 보여주는 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the results of stabilizing styrene-in-water emulsion by controlling the concentration of carbon quantum dots surface-modified with hexyl isocyanate according to Example 1.

도 4를 참조하면, 이와 같이 이소시아네이트기를 이용해서 젖음성이 개선된 탄소 양자점은 소수성의 오일(oil) 층과 친수성의 물 층의 계면에 위치시키는 것이 가능하다.Referring to Figure 4, it is possible to place carbon quantum dots with improved wettability using isocyanate groups at the interface between a hydrophobic oil layer and a hydrophilic water layer.

이러한 성질을 이용하면, 표면 개질된 탄소 양자점은 유화제(emulsifier)로 활용할 수 있다. 즉 탄소 양자점은 헥실 이소시아네이트와 반응시켜, 양친매성(amphiphilic)의 젖음성을 갖는 탄소 양자점으로 표면 개질함으로써, 스티렌과 물의 계면에 위치하는 피커링 유화제(pickering emulsifier)로 활용할 수 있다.Using these properties, surface-modified carbon quantum dots can be used as an emulsifier. That is, carbon quantum dots can be used as a Pickering emulsifier located at the interface between styrene and water by reacting with hexyl isocyanate and surface modifying it into carbon quantum dots with amphiphilic wettability.

그리고 탄소 양자점의 농도를 제어함으로써, styrene-in-water emulsion droplet(유화 액적)의 크기를 조절할 수 있다. 즉 탄소 양자점의 온도가 증가할수록, 유화 액적의 크기는 감소한다. 여기서 도 4(a), 도 4(b), 도 4(c), 도 4(d)의 탄소 양자점의 농도는 각각 0.1 wt%, 0.3 wt%, 0.5 wt%, 1.0 wt% 이다.And by controlling the concentration of carbon quantum dots, the size of the styrene-in-water emulsion droplet can be adjusted. That is, as the temperature of the carbon quantum dots increases, the size of the emulsified droplets decreases. Here, the concentrations of carbon quantum dots in Figures 4(a), 4(b), 4(c), and 4(d) are 0.1 wt%, 0.3 wt%, 0.5 wt%, and 1.0 wt%, respectively.

한편 도 4에서는 유기 용매로 스티렌을 사용하여, 실시예1에 따른 표면 개질된 탄소 양자점이 피커링 유화제로 활용할 수 있음을 개시하였지만, 유기 용매가 스티렌에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 유기 용매로, 스티렌 이외에, 클로로포름(chloroform), 다이클로로메탄(dichloromethane), 톨루엔(toluene), 벤젠(benzene), 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate) 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.Meanwhile, Figure 4 shows that the surface-modified carbon quantum dots according to Example 1 can be used as a Pickering emulsifier by using styrene as the organic solvent, but the organic solvent is not limited to styrene. For example, in addition to styrene, organic solvents such as chloroform, dichloromethane, toluene, benzene, methyl methacrylate, etc. can be used, but are not limited to these. .

도 5는 실시예1에 따른 헥실 이소시아네이트의 반응량에 따른 탄소 양자점의 발광 특성을 보여주는 그래프이다.Figure 5 is a graph showing the luminescence characteristics of carbon quantum dots according to the reaction amount of hexyl isocyanate according to Example 1.

도 5를 참조하면, 탄소 양자점 표면의 산소기능기와 이소시아네이트기의 반응을 통해서, 탄소 양자점의 광학적 특성 중 PL(photoluminescence) 방출(emission)도 부수적으로 제어할 수 있다. 즉 탄소 양자점 표면에 도입되는 헥실 이소시아네이트의 이소시아네이트기가 증가함에 따라서 산소기능기가 줄어들기 때문에, PL 방출 최대 피크 파장(PL emission maximum peak wavelength)이 청색편이(blue shift)하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, PL (photoluminescence) emission, one of the optical properties of carbon quantum dots, can be additionally controlled through the reaction between oxygen functional groups and isocyanate groups on the surface of carbon quantum dots. In other words, as the isocyanate group of hexyl isocyanate introduced to the surface of the carbon quantum dot increases, the oxygen functional group decreases, so it can be seen that the PL emission maximum peak wavelength blue shifts.

이와 같이 탄소 양자점에 투입되는 헥실 이소시아네이트의 양을 조절함으로써, PL 방출 특성을 제어할 수 있다.In this way, PL emission characteristics can be controlled by controlling the amount of hexyl isocyanate added to the carbon quantum dots.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.Meanwhile, the embodiments disclosed in the specification and drawings are merely provided as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that in addition to the embodiments disclosed herein, other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.

10 : 탄소 양자점
13 : 산소기능기
20 : 이소시아네이트기
10: Carbon quantum dot
13: Oxygen functional group
20: isocyanate group

Claims (12)

탄소 양자점을 이소시아네이트 그룹과 반응시켜 상기 탄소 양자점의 표면 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.A method of controlling the surface properties of carbon quantum dots, characterized in that the surface properties of the carbon quantum dots are controlled by reacting the carbon quantum dots with an isocyanate group. 제1항에 있어서,
상기 탄소 양자점은 표면에 산소기능기를 포함하고,
상기 이소시아네이트 그룹의 이소시아네이트기가 상기 산소기능기와 결합하여 상기 탄소 양자점의 젖음성을 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.
According to paragraph 1,
The carbon quantum dots contain oxygen functional groups on the surface,
A method for controlling the surface properties of carbon quantum dots, characterized in that the isocyanate group of the isocyanate group is combined with the oxygen functional group to control the wettability of the carbon quantum dots.
제2항에 있어서,
상기 이소시아네이트 그룹은 헥실 이소시아네이트(hexyl isocyanate), 벤질 이소시아네이트(benzyl isocyanate) 또는 알킬 이소시아네이트(alkyl isocyanate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.
According to paragraph 2,
A method for controlling the surface properties of carbon quantum dots, wherein the isocyanate group includes hexyl isocyanate, benzyl isocyanate, or alkyl isocyanate.
제2항에 있어서,
상기 산소기능기는 수산기(hydroxyl group)와 카르복실산기(carboxylic acid group)를 포함하고,
상기 이소시아네이트 그룹으로 헥실 이소시아네이트(hexyl isocyanate)를 사용하는 경우, 상기 헥실 이소시아네이트는 상기 산소기능기와 반응하여 우레탄(urethane)과 요소 결합(urea linkage)을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.
According to paragraph 2,
The oxygen functional group includes a hydroxyl group and a carboxylic acid group,
When hexyl isocyanate is used as the isocyanate group, the hexyl isocyanate reacts with the oxygen functional group to form a urethane and urea linkage. A method of controlling the surface properties of carbon quantum dots. .
제4항에 있어서,
상기 반응은 100℃ 이하에서 진행되는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.
According to paragraph 4,
A method of controlling the surface properties of carbon quantum dots, characterized in that the reaction proceeds at 100°C or lower.
제2항에 있어서,
상기 이소시아네이트 그룹의 투입 양을 조절하여 상기 탄소 양자점의 젖음성을 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.
According to paragraph 2,
A method for controlling the surface properties of carbon quantum dots, characterized in that the wettability of the carbon quantum dots is controlled by adjusting the amount of the isocyanate group added.
제6항에 있어서,
상기 이소시아네이트 그룹과 반응하기 전 탄소 양자점은 친수성을 갖고,
상기 이소시아네이트 그룹의 투입 양이 증가할수록, 상기 탄소 양자점은 친수성(hydrophilic), 양친매성(amphiphilic) 및 소수성(hydrophobic) 순으로 젖음성이 변화하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.
According to clause 6,
Before reacting with the isocyanate group, the carbon quantum dots have hydrophilicity,
As the amount of the isocyanate group increases, the wettability of the carbon quantum dots changes in the order of hydrophilic, amphiphilic, and hydrophobic.
제2항에 있어서,
상기 이소시아네이트 그룹으로 벤질 이소시아네이트(benzyl isocyanate)를 사용하여 반응시킨 탄소 양자점은, 상기 벤질 이소시아네이트의 투입 양이 증가할수록, 스티렌(styrene)에 대한 용해도가 증가하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.
According to paragraph 2,
Carbon quantum dots reacted with benzyl isocyanate as the isocyanate group are characterized in that the solubility of styrene increases as the amount of benzyl isocyanate added increases. Method for controlling surface properties of carbon quantum dots .
제2항에 있어서,
젖음성이 제어된 탄소 양자점은 유화제(emulsifier)로 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.
According to paragraph 2,
A method of controlling the surface properties of carbon quantum dots, characterized in that carbon quantum dots with controlled wettability can be used as an emulsifier.
제1항에 있어서,
상기 탄소 양자점은 표면에 산소기능기를 포함하고,
상기 이소시아네이트 그룹의 이소시아네이트기가 상기 산소기능기와 결합하여 상기 탄소 양자점의 발광 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.
According to paragraph 1,
The carbon quantum dots contain oxygen functional groups on the surface,
A method for controlling the surface properties of carbon quantum dots, characterized in that the isocyanate group of the isocyanate group is combined with the oxygen functional group to control the luminescence characteristics of the carbon quantum dots.
제10항에 있어서,
상기 이소시아네이트 그룹의 투입 양이 증가할수록, 상기 탄소 양자점은 PL 방출 최대 피크 파장(PL emission maximum peak wavelength)이 청색편이(blue shift)하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.
According to clause 10,
As the amount of the isocyanate group increases, the PL emission maximum peak wavelength of the carbon quantum dots blue shifts.
디부틸틴 디라우레이트(dibutyltin dilaurate) 계열의 촉매를 도입하여 탄소 양자점을 이소시아네이트 그룹과 반응시켜 탄소 양자점의 표면 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 탄소 양자점의 표면 특성 제어 방법.A method of controlling the surface properties of carbon quantum dots, characterized in that the surface properties of carbon quantum dots are controlled by introducing a dibutyltin dilaurate series catalyst to react the carbon quantum dots with an isocyanate group.
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