KR20230165952A - 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신, 맥신잉크, 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가교가 가능한 저분자 및 고분자의 다양한 아자이드계 화합물을 통해 표면 개질 2차원 맥신 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 가교가 가능한 아자이드계 화합물로 표면을 개질하여 고분산 및 저산화성 특성의 2차원 맥신, 이의 제조방법, 이를 함유하는 맥신 잉크에 관한 것이다.
Description
본 발명은 가교가 가능한 저분자 및 고분자 구조의 아자이드(Azide)계 화합물로 표면 개질된 고분산도 및 저산화성 기반의 2차원 맥신의 제조방법에 관한 것이고, 이를 함유하는 맥신 유기잉크 및 용도(예를 들어, 커패시터, 태양 전지, 에너지 저장, 센서, 전자파 차폐, 웨어러블 장치, 유연 전극, 전도성 점착/접착제)에 대한 것이다.
흑연과 유사한 구조를 갖는 3차원의 물질 중 하나로, MAX 상(MAX phase, 여기서 M은 Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta를 포함하는 전이금속, A는 Al, Si, P, S, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Tl, Pb을 포함하는 13 또는 14족 원소, X는 탄소 및/또는 질소)은 준 세라믹 특성의 MX와, M과는 다른 금속원소 A가 조합된 결정질로 전기전도성, 내산화성, 기계 가공성 등의 물성이 우수하다.
높은 전기전도도 특성을 가지는 맥신(MXene)은 상기 맥스(MAX)라는 세라믹 재료로부터 합성할 수 있다. 구체적으로 불산(HF)과 같은 강산을 이용한 에칭 공정(etching process)을 통해 알루미늄 등의 A 성분을 선택적으로 제거함으로써 전이금속과 탄소(또는 질소)만 남은 2차원 형태의 맥신(MXene)을 수득하게 된다. 강산 및 수용액상에서의 합성 경로로 인해 맥신(MXene)의 표면은 -OH, =O, -F, -Cl 등의 말단 작용기(terminal groups)가 생성되고 그 중에서도 특히 -OH 작용기로 인해 맥신(MXene)은 친수성 특성을 가지게 된다. 하지만 상기, 화학적 에칭 공정으로 제조된 맥신(MXene)은 표면에 존재하는 다량의 -OH 작용기로 인해 수분산이 용이하지만, 수용액 상에 분산된 맥신(MXene)은 물 분자 및 용존 산소에 의해 쉽게 산화되어 금속산화물로 변하고, 소수성을 가지는 다른 재료(고분자, 유기물질)들과의 결합력이 낮아 유기단분자 또는 유기고분자와 균일한 상태의 복합재료를 형성하는데 어려움을 가지는 단점이 있다.
이를 해결하기 위해, 본 발명은 가교가 가능한 저분자 및 고분자 구조의 다양한 아자이드계 화합물을 기반으로 하는 표면개질된 맥신을 제조하여, 이를 통한 고분산 및 저산화성 특성을 갖는 맥신 잉크를 제공하고자 한다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 가교가 가능한 아자이드계 화합물로 2차원 맥신의 표면을 물리적 또는 화학적으로 개질 시킴으로써, 다양한 유기용매에서도 우수한 분산성을 나타내며, 물 속에 존재하는 용존 산소에 의한 산화를 방지하고, 이에 따라 용액가공성 및 코팅성이 우수한 화학적으로 표면 개질된 2차원 맥신을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 저분자 및 고분자 구조의 아자이드계 화합물 특성을 이용한 광가교를 위한 광화학 반응 및 열을 가해준 용액반응을 통해 2차원 맥신의 표면 개질 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 우수한 구조적 안정성 및 정전용량과 코팅성으로 커패시터, 유연 전극, 전도성 점착/접착재, 전자파 차폐재, 유연히터, 센서소재, 에너지 저장 소재 등의 다양한 분야에 응용이 가능한 맥신 잉크를 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은 2차원 맥신; 및 상기 2차원 맥신을 표면개질시키는 아자이드계 표면개질 화합물;을 포함하는 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 표면개질 화합물은, 하기 화학식 1인 것을 특징으로 할 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 1a]
상기 화학식 1에서 Y는 상기 화학식 1a로 표시될 수 있고, 상기 화학식 1a에서 R2는 아지드기이고, R3은 1 내지 4개 이상의 알킬기 또는 수소원자 및 할로겐기이고, A1은 에스터기(-COOR), 아마이드기(-CONHR), 싸이오에스터기(-COSR), 탄화수소기(-R) 및 에테르기(-R-O-R'-) 중 적어도 어느 하나로부터 선택될 수 있고, 상기 R 및 R＇는 각각 독립적으로 C1-30의 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소로부터 선택될 수 있고, A2는 독립적으로 C1-25 알킬, C2-25 알케닐, C2-25 알키닐, C6-25 아릴로부터 선택되는 포화 또는 불포화의 사슬 또는 고리형 탄화수소일 수 있으며, 상기 화학식 1의 R1은 원자가결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 C5 내지 C21이 헤테로아릴기 및 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬아민기 중 적어도 어느 하나에서 선택되며, n은 1 내지 10의 정수이다.
또한 상기 A2는 각각 독립적으로 1 내지 25개의 탄소, 질소, 산소 및 황으로부터 선택된 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소일 수 있고, 상기 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소는 각 사슬의 중간 또는 촉쇄에 탄소, 질소, 산소, 황으로부터 선택된 적어도 하나를 불포함 또는 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 표면개질 화합물은, 하기 화학식 2로 표현되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, 상기 x는 양의 정수인 반복 단위 수이고, 상기 y 및 z는 독립적으로 0 이상의 정수인 반복단위 수이며, 상기 x, y 및 z의 비율은 x + y + z = 0.99 ~ 1.00이고, 상기 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 히드록시기(-OHR), 에스터기(-COOR), 아마이드기(-CONHR), 탄화수소기(-R) 및 에테르기(-R-O-R'-)로부터 선택될 수 있고, 상기 R 및 R＇는 각각 독립적으로 C1-35의 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소로부터 선택될 수 있다.
또한 상기 화학식 2에서, 상기 R8 내지 R10은 독립적으로 아지드기를 포함하는 포화 또는 불포화의 사슬형 또는 고리형의 탄화수소일 수 있고, 아지드기를 포함하는 치환 또는 비치환된 C1-30의 방향족 탄화수소인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 표면개질 화합물은, 하기 화학식 3 내지 화학식 6 중 적어도 어느 하나로 표현되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
상기 화학식 3, 화학식 4, 화학식 5, 화학식 6에서 Xn은 서로 같거나 다를 수 있고, n은 1내지 10 일 수 있으며, 수소원자 또는 할로겐기 원자로부터 선택될 수 있고, A3 내지 A13은 서로 같거나 다를 수 있으며, 에스터기(-COOR), 아마이드기(-CONHR), 싸이오에스터기(-COSR), 탄화수소기(-R) 및 에테르기(-R-O-R'-) 중 적어도 어느 하나로부터 선택될 수 있으며, 상기 R 및 R＇는 각각 독립적으로 C1-30의 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소로부터 선택되며, R4 내지 R7은 서로 같거나 다를 수 있으며, 독립적으로 C1-25 알킬, C2-25 알케닐, C2-25 알키닐, C6-25 아릴로부터 선택되는 포화 또는 불포화의 사슬 또는 고리형 탄화수소이다.
또한 R4 및 R7는 각각 독립적으로 1 내지 25개의 탄소, 질소, 산소 및 황으로부터 선택된 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소는 각 사슬의 중간 또는 촉쇄에 탄소, 질소, 산소, 황으로부터 선택된 적어도 하나를 불포함 또는 포함할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 화학식 3 내지 6으로 표현되는 아자이드계 화합물은 분자 구조 내에 3개 이상의 FPA(fluorinated phenyl azide) 또는 PA(phenyl acide)를 갖는 구조인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 표면개질 화합물은, 하기 화합물 (1) 내지 화합물 (44) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 표면 개질 대상인 상기 2차원 맥신은 Mn+1Xn의 실험식을 갖는 결정 셀들(crystal cells)이 2차원 어레이를 이룬 층(layer)을 적어도 하나 이상 포함하며, 각 X는 복수개의 M으로 이루어지는 8면체 어레이 내에 위치하고, M은 IIIB족 금속, IVB족 금속, VB족 금속 및 VIB 족 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속이며, 각 X는 C, N 또는 이들의 조합이고, n은 1, 2 또는 3인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 표면 개질 대상인 상기 2차원 맥신은 M'2M"nXn+1의 실험식을 갖는 결정 셀들(crystal cells)이 2차원 어레이를 이룬 층(layer)을 적어도 하나 이상 포함하며, 각 X는 복수 개의 M' 및 M"로 이루어지는 8면체 어레이 내에 위치하고, M' 및 M"은 IIIB족 금속, IVB족 금속, VB족 금속 및 VIB 족 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 서로 상이한 금속이며, 각 X는 C, N 또는 이들의 조합이고, n은 1 또는 2인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제1목적에 따른 표면 개질된 2차원 맥신의 제조 방법으로서, 산 에칭(acid etching) 공정을 통해 2차원 맥신이 분산된 맥신 수용액을 수득하는 제1단계; 아자이드기를 갖는 표면개질 화합물을 유기용매에 분산시킨 용액을 준비하는 제2단계; 및 상기 제1단계를 통해 수득된 맥신 수용액과 상기 제2단계의 용액을 혼합 및 교반하여 맥신입자를 아자이드기를 갖는 화합물로 표면 개질시키는 제3단계를 포함하는, 표면개질된 2차원 맥신 입자의 제조 방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제3목적은, 앞서 언급한 제1목적에 따른 표면 개질된 2차원 맥신이 유기용매에 분산된, 맥신 잉크로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제4목적은, 앞서 언급한 제3목적에 따른 맥신잉크를 포함하는 커패시터용 복합체, 태양전지용 복합체, 에너지 저장 소재용 복합체, 센서 소재용 복합체, 전자파 차폐용 복합체, 광 경화재용 복합체, 웨어러블 장치용 복합체, 유연 전극용 복합체, 및 전도성 점착/접착재용 복합체로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제5목적은 앞서 언급한 제3목적에 따른 맥신 잉크를 포함하는, 맥신 필름으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 표면 개질된 2차원 맥신에 따르면, 물과 유기용매에 안정적으로 분산될 수 있으며, 산화 안정성 및, 필름의 유연성과 구조적 안정성이 향상될 수 있고, 특히 낮은 끓는점을 가지는 용매에의 분산은 형성된 잉크를 활용하여 액상공정을 용이하게 할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 표면 개질된 2차원 맥신 및 이를 함유하는 수계 및 유기 맥신 잉크에 따르면, 표면 개질 화합물의 조절을 통해 추가적인 후속 공정 도입이 용이하며 다양한 기능성을 부가할 수 있으며, 다양한 유기단분자 및 유기고분자와 복합체 형성이 가능하며 우수한 용매 분산성 및 저산화성과 그로 인한 코팅성으로 인해 커패시터, 태양 전지, 에너지 저장 소재, 센서 소재, 전자파 차폐재, 웨어러블 장치, 유연 전극, 전도성 점착/접착제 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2차원 맥신의 제조 순서도,
도 2는 비교예(도 2a) 및 실시예 5(도 2b)의 농도에 따른 분산안정성을 나타낸 UV-vis 그래프,
도 3은 비교예 및 실시예 1 내지 10을 시간에 따른 산화안정성을 나타낸 사진과 UV-vis 그래프,
도 4는 실시예 4에 따라 제조한 표면개질 맥신 박막 사진,
도 5는 비교예 및 실시예 3, 6의 XRD 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 비교예 및 실시예 2, 4의 측면을 FE-SEM으로 관찰한 사진,
도 7은 비교예 및 실시예 3의 XPS 결과를 나타낸 그래프이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2차원 맥신의 제조 순서도,
도 2는 비교예(도 2a) 및 실시예 5(도 2b)의 농도에 따른 분산안정성을 나타낸 UV-vis 그래프,
도 3은 비교예 및 실시예 1 내지 10을 시간에 따른 산화안정성을 나타낸 사진과 UV-vis 그래프,
도 4는 실시예 4에 따라 제조한 표면개질 맥신 박막 사진,
도 5는 비교예 및 실시예 3, 6의 XRD 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 비교예 및 실시예 2, 4의 측면을 FE-SEM으로 관찰한 사진,
도 7은 비교예 및 실시예 3의 XPS 결과를 나타낸 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신, 맥신잉크, 및 그의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예는, 가교가 가능한 저분자 및 고분자 구조의 아자이드계 화합물로 표면개질된 고분산도 및 저산화성 기반의 2차원 맥신(MXene)에 관한 것일 수 있다.
본 발명의 상기 아자이드계 화합물은 하기 화학식 1 로 표시되는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
[화학식 1a]
상기 화학식 1에서 Y는 상기 화학식 1a로 표시될 수 있으며, 상기 화학식 1a에서 R2는 아지드기이고, R3은 1 내지 4개 이상의 알킬기 및 수소원자 또는 할로겐기일 수 있고, A1은 에스터기(-COOR), 아마이드기(-CONHR), 싸이오에스터기(-COSR), 탄화수소기(-R) 및 에테르기(-R-O-R'-)로부터 선택될 수 있고 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 R 및 R＇는 각각 독립적으로 C1-30의 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소로부터 선택될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현 예에 있어서, A2는 독립적으로 C1-25 알킬, C2-25 알케닐, C2-25 알키닐, C6-25 아릴로부터 선택되는 포화 또는 불포화의 사슬 또는 고리형 탄화수소일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 예를 들어 A2는 각각 독립적으로 1 내지 25개의 탄소, 질소, 산소 및 황으로부터 선택된 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현 예에 있어서, 상기 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소는 각 사슬의 중간 또는 촉쇄에 탄소, 질소, 산소, 황으로부터 선택된 적어도 하나를 불포함 또는 포함할 수 있으며 이에 제한되지 않는다.
일 구현 에에 있어서, 상기 화학식 1의 R1은 원자가결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 C5 내지 C21이 헤테로아릴기 및 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬아민기 중에서 선택되며, n은 1 내지 10의 정수이며 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 아자이드계 화합물은, 하기 화학식 2로 표현될 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, 상기 x는 양의 정수인 반복 단위 수이고, 상기 y 및 z는 독립적으로 0 이상의 정수인 반복단위 수이며, 상기 x, y 및 z의 비율은 x + y + z = 0.99 ~ 1.00 일 수 있다.
상기 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 히드록시기(-OHR), 에스터기(-COOR), 아마이드기(-CONHR), 탄화수소기(-R) 및 에테르기(-R-O-R'-)로부터 선택될 수 있고 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 R 및 R＇는 각각 독립적으로 C1-32의 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소로부터 선택될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-35의 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소로부터 선택될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현 예에 있어서, 상기 R8 내지 R10은 독립적으로 아지드기를 포함하는 포화 또는 불포화의 사슬형 또는 고리형의 탄화수소일 수 있고, 아지드기를 포함하는 치환 또는 비치환된 C1-30의 방향족 탄화수소일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1-25의 직쇄상 또는 분지상의 알킬기를 포함하는 탄화수소로부터 선택될 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 아자이드계 화합물은 하기 화학식 3 내지 화학식 6 중 적어도 어느 하나로 표현될 수 있다.
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
상기 화학식 3, 화학식 4, 화학식 5, 화학식 6에서 Xn은 서로 같거나 다를 수 있고, n은 1내지 10 일 수 있으며, 수소원자 또는 할로겐기 원자로부터 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
A3 내지 A13은 서로 같거나 다를 수 있으며, 에스터기(-COOR), 아마이드기(-CONHR), 싸이오에스터기(-COSR), 탄화수소기(-R) 및 에테르기(-R-O-R'-) 로부터 선택될 수 있으며, 상기 R 및 R＇는 각각 독립적으로 C1-30의 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소로부터 선택될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현 예에 있어서, R4 내지 R7은 서로 같거나 다를 수 있으며, 독립적으로 C1-25 알킬, C2-25 알케닐, C2-25 알키닐, C6-25 아릴로부터 선택되는 포화 또는 불포화의 사슬 또는 고리형 탄화수소일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 예를 들어 R4 및 R7는 각각 독립적으로 1 내지 25개의 탄소, 질소, 산소 및 황으로부터 선택된 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현 예에 있어서, 상기 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소는 각 사슬의 중간 또는 촉쇄에 탄소, 질소, 산소, 황으로부터 선택된 적어도 하나를 불포함 또는 포함할 수 있으며 이에 제한되지 않는다.
일 구현 예에 있어서, 상기 화학식 3 내지 6으로 표현되는 아자이드계 화합물은 분자 구조 내에 3개 이상의 FPA(fluorinated phenyl azide) 또는 PA(phenyl acide)를 갖는 구조일 수 있다. 또한 하기 화학식으로 표시되는 화합물 (1) 내지 화합물 (44) 중 적어도 어느 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 화합물은 일 구현예를 나타낸 하기 반응식 (i), (ii)에서 나타낸 바와 같이, 트리에틸아민 또는 아세토니트릴 등을 사용하여 분자 내 가교 작용기를 증가시킨 후, 아지드화 나트륨 등을 사용하여 상기 작용기 내에 아지드기를 도입할 수 있으나, 본 합성의 범위가 여기에 한정되는 것은 아니다.
[반응식 (i)]
[반응식 (ii)]
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 하나의 실시예는, 가교가 가능한 다양한 아자이드계 화합물로, 화학적 및 물리적으로 표면 개질된 2차원 맥신(MXene)을 제공한다.
구체적으로 본 발명의 실시예는, 저분자 및 고분자 구조의 다양한 아자이드계 화합물의 특성을 이용한 광가교가 가능한 광화학반응 및 열을 가하는 용액반응으로 표면 개질된 2차원 맥신(MXene)을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신의 제조방법으로,
(1) 산 에칭공정(acid etching)을 통해 분산된 2차원 맥신 수용액을 수득하는 단계 및
(2) 상기 (1) 단계를 통해 수득된 맥신 수용액을 상기 아자이드계 화합물이 분산된 유기용매에 혼합 및 교반하여 상기 2차원 맥신을 상기 아자이드 유도체로 표면 개질시키는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.
일 구현 예에 있어서, 상기 표면 개질된 2차원 맥신을 함유하는 맥신 잉크의 제조 방법은, 상기 단계 (1) 및 (2)를 통해 제조된 2차원 맥신 수용액과 아자이드계 화합물의 유기반응물을 상분리하여 수용액층을 제거하고 얻어진 표면 개질된 2차원 맥신 용액을 원하는 유기용매로 치환하는 (3) 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현 예에 있어서, 상기 (1) 단계의 산 에칭공정의 경우, 사용되는 에칭용액은 HF, HCl-LiF 혼합물, NH4HF2 와 같이 F를 함유하는 강산을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 산 에칭공정을 통해 제조한 맥신은 Mn+1Xn(Tx)로 표시될 수 있으며, 여기서 Tx는 산 에칭을 통해 상기 2차원 맥신의 표면에 형성되는 말단 작용기로서 -OH, =O, -F 또는 이들의 조합을 나타낸다.
일 구현 예에 있어서, 상기 2차원 맥신은 Mn+1Xn의 실험식을 갖는 결정셀들(crystal cells)이 이룬 층(layer)을 적어도 하나 이상 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 각 M은 3B족 금속, 4B족 금속, 5B족 금속 및 이들로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속이며, 각 X는 C, N 또는 이들로 이루어진 조합이며, n은 1, 2, 3 내지 4 일 수 있다.
일 구현 예에 있어서, M은 Sc, Y, Lu, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, Mn+1Xn의 실험식은 Ti2C, Ti3C2, Ti2N, Ti3CN, Ti4C3, Ti4N3, Sc2C, Nb2C, V2C, Ta4C3, Mo2TiC2, Mo2Ti2C3, CrTiC2, Mo2C, Nb4C3, Zr3C2, V4C3, Hf3C2, Mo2N, Cr2C, Zr2C, Nb2C, Hf2C, V3C2, 또는 Ta3C2 일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신 및 상기 표면 개질된 2차원 맥신이 유기용매에 분산된, 맥신 잉크를 제공한다.
이하에서는, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해 화합물의 합성계, 실시예, 실험예를 들어 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 구체적 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
이상에서 본 발명은 비옥 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
합성예 1: 화합물 10의 합성
단계 1 (반응식 1 참조)
[반응식 1]
질소 분위기 하에서 1,2,3,4,5-펜타 플루오로 벤조일 클로라이드(0.9 g, 3.9 mmol, 2.2 eq)를 무수다이에틸에터(8 ml)에 녹여준다. 그리고 에틸렌글라이콜(0.1 g, 1.6 mmol, 1 eq)과 함께 트리에틸아민(0.4 g, 4 mmol, 2.2 eq)을 질소 분위기 하에서 무수 다이에틸에터(8 ml)에 녹인 용액을 얼음 중탕으로 천천히 첨가하였다. 얼음 중탕으로 2시간 동안 반응시킨 후, 추가로 상온에서 22시간 동안 반응시켰다. 반응이 완료된 후 하얀 고체들은 필터로 제거하고 용매를 제거한 뒤 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 실리카겔을 이용한 크로마토그래피를 이용하여 부 반응물을 제거하였다. ( 0.659 g, Yield= 90.86 % )
단계 2 (반응식 2 참조)
[반응식 2]
상기 단계 1에서 제조된 물질(0.5 g, 1.1 mmol, 1 eq)을 아세톤(1.1 ml)에 녹인 후 증류수(1.1 ml) 및 아세톤(1.5 ml)에 녹인 아지화나트륨(0.15 g, 2.3 mmol, 2.1 eq)을 첨가하였다. 그리고 60 ℃ 온도로 24시간 동안 반응시킨 후, 용매를 제거하고 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 실리카겔을 이용한 크로마토그래피와 재결정으로 진행하였다. ( 0.482 g, Yield= 87.45 %, MS: [M]+= 496.0166 )
합성예 2: 화합물 14의 합성
단계 1 (반응식 3 참조)
[반응식 3]
질소 분위기 하에서 N-숙신이미딜-4-아지도-2,3,5,6-테트라 플루오로 벤조에이트(2.15 g, 6.5 mmol, 3.8 eq)를 무수 아세토니트릴(6 ml)에 녹인다. 그리고 질소 분위기 하에서 무수 아세토니트릴(6ml)에 녹인 2-(아미노 메틸)-2- 메틸 프로판-1,3-다이아민(0.2 g, 1.7 mmol, 1 eq)을 첨가하고 상온에서 6 시간 동안 반응시켰다. 백색 고체를 필터하여 얻은 후 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 재결정으로 진행하였다. ( 0.755 g, Yield= 58.08 %, MS: [M]+= 768.0963 )
합성예 3: 화합물 19의 합성
단계 1 (반응식 4 참조)
[반응식 4]
질소 분위기 하에 1,2,3,4-테트라플루오로벤젠(1 g, 6.7 mmol, 1 eq) 및 염화알루미늄(0.18 g, 1.3 mmol, 0.2 eq)이 교반된 혼합물에 이소프로필클로라이드(1.1 g, 14 mmol, 2.1 eq)을 첨가하고 실온에서 1시간 동안 교반한 후, 3 ml의 증류수를 첨가하여 반응을 중단시키고, 다이에틸에터로 추출하였다. 그리고 추출물을 염수로 세척한 후, 무수황산마그네슘으로 건조시켰으며, 용매를 제거한 후에는 더 이상 정제하지 않고 그대로 사용하였다. ( 1.13 g, Yield= 88.28 % )
단계 2 (반응식 5 참조)
[반응식 5]
상기 단계 1의 물질(1.0 g, 5.2 mmol, 1 eq)을 ice bath에서 냉각된 9 ml의 무수테트라하이드로퓨란에 첨가한 후 교반하였다. 교반한 용액에 n-BuLi(1.6M-헥산, 4.1 ml, 6.2 mmol, 1.2 eq)을 천천히 첨가한 후, ice bath에서 4 시간 동안 교반하였다. 그리고, 생성된 혼합물을 실온에서 1시간 동안 교반한 후, 증류수를 첨가하여 반응을 종결시켰다. 반응물을 산성화시킨 후에는 에틸 아세테이트로 추출하고, 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 헥산으로 세척하여 진행하였다. ( 1.09 g, Yield= 89.34 % )
단계 3 (반응식 6 참조)
[반응식 6]
상기 단계 2의 물질(1g, 4.2mmol, 1eq)을 질소 분위기 하에서 염화티오닐(4 g, 33.9 mmol, 8 eq) 및 DMF 1방울와 혼합하고, 80 ℃에서 12 시간 동안 가열하면서 교반하였다. 여기에 과량의 염화티오닐을 감압 하에 제거하고 추가 정제없이 생성물을 수득하였다. ( 0.972 g, Yield= 90.90 % )
단계 4 (반응식 7 참조)
[반응식 7]
질소 분위기 하에 상기 단계 3물질(0.72 g, 2.8 mmol, 3.8 eq)을 무수 1,4-다이옥세인(5ml)에 녹여준다. 그리고 2-에틸-2-(하이드록시 메틸)프로판-1,3-다이올(0.1 g, 0.7 mmol, 1 eq)과 함께 트리에틸아민(0.3 g, 3 mmol, 4 eq)을 질소 분위기 하에서 무수 1,4-다이옥세인(5ml)에 녹인 용액을 얼음 중탕으로 천천히 첨가하였다. 얼음 중탕으로 2 시간 동안 반응시킨 후, 추가로 상온에서 22 시간 동안 반응시켰다. 반응이 완료된 후, 하얀 고체들은 필터로 제거하고 용매를 제거한 뒤 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 실리카겔을 이용한 크로마토그래피를 이용하여 부 반응물을 제거하였다. ( 0.362 g, Yield= 65.58 % )
단계 5 (반응식 8 참조)
[반응식 8]
상기 단계 4에서 제조된 물질(0.3 g, 0.4 mmol, 1 eq)을 아세톤(1.2 ml)에 녹인 후 증류수(1.2 ml) 및 아세톤(1.7 ml)에 녹인 아지화나트륨(0.1 g, 1.5 mmol, 4eq)을 첨가하였다. 그리고 60 ℃의 온도로 24시간 동안 반응시킨 후, 용매를 제거하고 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 실리카겔을 이용한 크로마토그래피와 재결정으로 진행하였다. ( 0.311 g, Yield= 90.65 %, MS: [M]+= 857.2331)
합성예 4: 화합물 12의 합성
단계 1 (반응식 9 참조)
[반응식 9]
질소 분위기 하에서 1,2,3,4,5-펜타 플루오로 벤조일 클로라이드(0.9 g, 3.9 mmol, 2.2 eq)를 무수다이에틸에터(8 ml)에 녹여준다. 그리고 2-에틸-2-(하이드록시 메틸)프로판-1,3-다이올(0.1 g, 0.7 mmol, 1 eq)과 함께 트리에틸아민(0.4 g, 4 mmol, 2.2 eq)을 질소 분위기 하에서 무수 다이에틸에터(8 ml)에 녹인 용액을 얼음 중탕으로 천천히 첨가하였다. 얼음 중탕으로 2 시간 동안 반응시킨 후, 추가로 상온에서 22 시간 동안 반응시켰다. 반응이 완료된 후 하얀 고체들은 필터로 제거하고 용매를 제거한 뒤 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 실리카겔을 이용한 크로마토그래피를 이용하여 부 반응물을 제거하였다. ( 0.659 g, Yield= 90.86 % )
단계 2 (반응식 10 참조)
[반응식 10]
상기 단계 1에서 제조된 물질(0.5 g, 0.7 mmol, 1 eq)을 아세톤(1.1 ml)에 녹인 후 증류수(1.1 ml) 및 아세톤(1.5 ml)에 녹인 아지화나트륨(0.182 g, 2.8 mmol, 4 eq)을 첨가하였다. 그리고 60 ℃에서 24 시간 동안 반응시킨 후, 용매를 제거하고 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 실리카겔을 이용한 크로마토그래피와 재결정으로 진행하였다. ( 0.482 g, Yield= 87.92 %, MS: [M]+= 785.0640)
합성예 5: 화합물 24의 합성
단계 1 내지 3
합성예 2와 동일한 방법으로 실시하였다.
단계 4 (반응식 11 참조)
[반응식 11]
질소 분위기 하에 단계 3에서 제조된 물질(0.79 g, 3.1 mmol, 4 eq)을 무수 1,4-다이옥세인(7 ml)에 녹여준다. 그리고 1,3,5-트리아진-2,4,6-트리올(0.1 g, 0.8 mmol, 1 eq)과 함께 트리에틸아민(0.33 g, 3.3 mmol, 4.2 eq)을 질소 분위기 하에서 무수 1,4-다이옥세인(7 ml)에 녹인 용액을 얼음 중탕으로 천천히 첨가하였다. 얼음 중탕으로 2시간 동안 반응시킨 후, 추가로 상온에서 22시간 동안 반응시켰다. 반응이 완료된 후 하얀 고체들은 필터로 제거하고 용매를 제거한 뒤, 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 실리카겔을 이용한 크로마토그래피를 이용하여 부 반응물을 제거하였다. ( 0.547 g, Yield= 87.27 % )
단계 5 (반응식 12 참조)
[반응식 12]
상기 단계 4에서 제조된 물질(0.3 g, 0.4 mmol, 1 eq)을 아세톤(1.3 ml)에 녹인 후 증류수(1.3 ml) 및 아세톤(1.8 ml)에 녹인 아지화나트륨(0.1 g, 1.5 mmol, 4 eq)을 첨가하였다. 그리고 60 ℃ 온도로 24시간 동안 반응시켰다. 용매를 제거한 뒤, 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 실리카겔을 이용한 크로마토그래피와 재결정으로 진행하였다. ( 0.249 g, Yield= 73.01 %, MS: [M]+= 852.1563)
합성예 6: 화합물 30의 합성
단계 1 (반응식 13 참조)
[반응식 13]
질소 분위기 하에서 N-숙신이미딜-4-아지도-2,3,5,6-테트라 플루오로 벤조에이트(1.2 g, 3.7 mmol, 3.8 eq)를 무수 아세토니트릴(4 ml)에 녹인다. 그리고 질소 분위기 하에서 무수 아세토니트릴(4 ml)에 녹인 부탄-1,2,4-트리아민(0.1 g, 1 mmol, 1 eq)을 첨가하고 상온에서 6 시간 동안 반응시켰다. 반응이 완료된 후 하얀 고체는 필터하여 얻은 후 증류수와 클로로포름으로 추출하고 무수황상마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 재결정으로 진행하였다. ( 0.064 g, Yield= 84.83 %, MS: [M]+= 754.0807)
합성예 7: 화합물 1의 합성
단계 1 (반응식 14 참조)
[반응식 14]
질소 분위기 하에서 1,1,2,2-헵타데카 플루오로-1-데카놀(0.5 g, 1.1 mmol, 1 eq)를 무수다이에틸에터(8 ml)에 녹여준다. 그리고 펜타플루오로벤조일 클로라이드(0.3 g, 1.1 mmol, 1.05 eq)과 함께 트리에틸아민(0.3 g, 2.3 mmol, 2.1 eq)을 질소 분위기 하에서 무수 다이에틸에터(8 ml)에 녹인 용액을 얼음 중탕으로 천천히 첨가하였다. 얼음 중탕으로 2시간 동안 반응시킨 후, 추가로 상온에서 22 시간 동안 반응시켰다. 반응이 완료된 후 하얀 고체들은 필터로 제거하고 용매를 제거한 뒤 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 실리카겔을 이용한 크로마토그래피를 이용하여 부 반응물을 제거하였다. ( 0.5 g, Yield= 70.52 % )
단계 2 (반응식 15 참조)
[반응식 15]
상기 단계 1에서 제조된 물질(0.3 g, 0.5 mmol, 1 eq)을 아세톤(1.1 ml)에 녹인 후 증류수(1.1 ml) 및 아세톤(1.5 ml)에 녹인 아지화나트륨(0.03 g, 0.5 mmol, 1.1 eq)을 첨가하였다. 그리고 60 ℃ 온도로 24 시간 동안 반응시킨 후, 용매를 제거하고 증류수와 클로로포름으로 추출하여 무수황산마그네슘으로 건조시켰다. 정제는 실리카겔을 이용한 크로마토그래피와 재결정으로 진행하였다. ( 0.28 g, Yield= 90.18 %, MS: [M]+= 680.9967)
합성예 8: 화합물 44의 합성
단계 1 (반응식 16 참조)
[반응식 16]
질소 분위기 하에서 메틸 메타크릴레이트(1.5 g, 15.0 mmol, 1 eq), 스티렌(1.56 g, 15.0 mmol, 1 eq) 및 4-비닐벤질 클로라이드(0.5 g, 3.3 mmol, 0.22 eq)를 아조비스이소부티로니트릴(109 mg, 0.66 mmol, 0.04 eq)과 함께 테트라하이드로퓨란(11 ml)에 녹여준다. 반응물을 60 ℃ 온도로 2시간 동안 반응시킨 후, 메탄올(500 ml)에 중합체를 침전 및 여과 후 건조시킨 후에 에틸 아세테이트를 용매로 사용하여 침전시키는 절차를 2내지 3회 반복하였다. ( 2.54 g, Yield= 71.3 %
단계 2 (반응식 17 참조)
[반응식 17]
상기 단계 1에서 제조된 물질(2 g)을 디메틸포름아마이드(10 ml)에 녹인 후 아지화나트륨(0.39 g, 6 mmol, 1.1 eq)을 천천히 첨가하였다. 얼음 중탕으로 2시간 동안 반응시킨 후, 추가로 상온에서 22 시간 동안 반응시켰다. 반응이 완료된 중합체는 메탄올(500 ml)에 중합체를 침전시키고, 여과 후 건조시켰다. 정제는 클로로포름과 물을 사용하여 이온성 불순물을 제거해주고, 메탄올에 침전시키는 과정을 2 내지 3회 반복하였다. ( 0.98 g, Yield= 41.1 %, Mn= 33,100, PDI=1.61 )
비교예 : 맥신 용액의 제조
1 g의 Ti3AlC2 분말(평균입경 ≤40 μm)을 1.6 g의 LiF(Alfa Aesar사, 98.5%)가 녹아 있는 9 M HCl(DAEJUNG, 35-37%)용액 20 ml에 넣고 실온에서 48 시간동안 교반하여 얻어진 산성의 용액을 원심분리기를 이용하여 수차례 탈이온수로 세척하였다. 박리된 맥신(MXene; Ti3C2Tx) 수용액을 1 mg/mL로 희석하여 50 mL를 준비하였다.
실시예 1: 화합물 1을 이용한 맥신(MXene)의 표면 개질 및 맥신 잉크 제조
비교예와 디메틸포름아미드를 1:4의 부피비로 넣고, 원심분리하여 상층액을 제거한 후, 표면개질화 된 맥신을 수득하였다.
상기 수득한 맥신은 화합물 1이 포함된 디메틸포름아미드 50 ml에 분산시켜, 24시간 동안 교반하여 표면 개질화된 맥신용액을 수득하였다.
상기 표면 처리된 맥신용액을 원심분리하여 상층액을 제거한 후, 3 내지 5 차례 씻어내어 표면 처리된 맥신을 수득 하였다.
상기 표면 처리된 맥신을 분산시키고자 하는 용매(증류수, 에탄올, 메탄올, 디메틸포름아미드, 디클로로메탄, 아세톤, 아세토나이트릴, 클로로포름)에 넣고, 원심분리기를 통해 3 내지 5 차례 씻어내어 맥신 잉크를 제조하였다.
실시예 2: 화합물 1을 이용한 맥신(MXene)의 표면 개질 및 맥신 잉크 제조
광화학반응을 위해, 비교예(25 mg) 과 디클로로벤젠을 1:2의 부피비로 넣은 용액에, 화합물 1(1.25 g)을 첨가하여 교반하였다.
상기 생성된 용액은 10 분 동안 초음파 처리한 후, 450-W Hg 램프로 60 분 동안 노출시켰다.
상기 반응 동안, 상기 용액 위에 280 nm 광학 필터를 노출시켰다.
상기 혼합물을 원심분리하고 디클로로벤젠 및 아세톤으로 3 내지 5 차례 세척하여 진공에서 건조시켰다.
상기 표면 처리된 맥신을 분산시키고자 하는 용매(증류수, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 아세토나이트릴, 클로로포름, 디클로로메탄, 디메틸포름아미드)에 넣고, 원심분리기를 통해 3 내지 5 차례 씻어내어 맥신 잉크를 제조하였다.
실시예 3: 화합물 10을 이용한 맥신(MXene)의 표면 개질 및 맥신 잉크 제조
상기 실시예 1의 방법과 동일하며, 실시예 1과 같은 방법으로 화합물 1 대신 화합물 10을 사용하여 맥신 잉크를 제조하였다.
실시예 4: 화합물 12를 이용한 맥신(MXene)의 표면 개질 및 맥신 잉크 제조
상기 실시예 1의 방법과 동일하며, 실시예 1과 같은 방법으로 화합물 1 대신 화합물 12를 사용하여 맥신 잉크를 제조하였다.
실시예 5: 화합물 17을 이용한 맥신(MXene)의 표면 개질 및 맥신 잉크 제조
상기 실시예 1의 방법과 동일하며, 실시예 1과 같은 방법으로 화합물 1 대신 화합물 17을 사용하여 맥신 잉크를 제조하였다.
실시예 6: 화합물 10을 이용한 맥신(MXene)의 표면 개질 및 맥신 잉크 제조
상기 실시예 2의 방법과 동일하며, 실시예 2와 같은 방법으로 화합물 1 대신 화합물 10을 사용하여 맥신 잉크를 제조하였다.
실시예 7: 화합물 12를 이용한 맥신(MXene)의 표면 개질 및 맥신 잉크 제조
상기 실시예 2의 방법과 동일하며, 실시예 2와 같은 방법으로 화합물 1 대신 화합물 12를 사용하여 맥신 잉크를 제조하였다.
실시예 8: 화합물 17을 이용한 맥신(MXene)의 표면 개질 및 맥신 잉크 제조
상기 실시예 2의 방법과 동일하며, 실시예 2와 같은 방법으로 화합물 2 대신 화합물 17을 사용하여 맥신 잉크를 제조하였다.
실시예 9: 화합물 18을 이용한 맥신(MXene)의 표면 개질 및 맥신 잉크 제조
상기 실시예 1의 방법과 동일하며, 실시예 1과 같은 방법으로 화합물 대신 화합물 18을 사용하여 맥신 잉크를 제조하였다
실시예 10: 화합물 41을 이용한 맥신(MXene)의 표면 개질 및 맥신 잉크 제조
상기 실시예 2의 방법과 동일하며, 실시예 2와 같은 방법으로 화합물 대신 화합물 41을 사용하여 맥신 잉크를 제조하였다
실험예 1: 수계 및 유기 맥신 잉크를 이용한 박막 제조 (도 4)
상기 실시예 4에 따라 표면 개질된 맥신 잉크 조성물을 양극성 알루미늄 산화 피막(Anodic aluminium oxide film)(pore 크기: 200μm)을 이용하여 여과법으로 박막을 제조하였다. 제조된 박막은 도 4에 도시된 바와 같이, 두께 16μm를 가지며 유연성을 보였다.
실험예 2: 비교예와 표면 개질된 2차원 맥신의 분산안정성 (도 2)
상기 비교예에 따른 수분산 맥신(Ti3C2Tx)과 실시예 5에 따른 표면 개질 후 디메틸포름아미드에 분산된 맥신의 UV-vis를 통한 흡광도를 통해 농도에 따른 분산안정성을 도 2에 나타내었다. 비교예의 농도에 따른 분산도에 대비하여 표면개질화 맥신의 분산안정성의 경우, 300nm 이하의 봉우리 피크(TiO2)의 intensity에 대한 일차함수 그래프로 잘 보여 진다. 표면개질화 맥신의 240nm 과 270 nm 사이 뾰족한 피크는 그래프에 도시된, 상기 표면개질화 맥신에 사용되어진 아자이드 화합물에 관한 피크이다.
실험예 3: 비교예와 표면 개질된 2차원 맥신의 산화속도 비교 (도 3)
상기 비교예에 따른 수분산 맥신(Ti3C2Tx)과 실시예 1 내지 10에 따른 표면 개질 후 디메틸포름아미드에 분산된 맥신 유기 잉크를 두 달간 방치하였을 때를 비교한 사진과 함께 UV-vis 그래프를 이용한 산화안정성을 도 3에 나타내었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 비교예의 경우 두 달 뒤 산화속도가 급격히 증가하여 대부분 산화되어 투명한 용액상태로 변화됨을 확인할 수 있는 반면, 본 발명에 따른 맥신 잉크의 경우 산화가 거의 일어나지 않음을 확인할 수 있었다. UV-vis 흡광도 그래프에서 비교예의 산화속도에 대비하여 300 nm 이하의 흡수 피크(TiO2의 흡수 피크)와, 760 nm 근처의 맥신 표면 플라스몬 공명 피크가 잘 유지되는 것이 보여 진다. 이는 비교예 대비, 표면개질 중 맥신의 산화가 추가적으로 일어나지 않음을 나타낸다.
이로부터 본 발명에 따라 표면 개질된 맥신 잉크는 비교예에 비해 산화안정성이 매우 우수하며, 장기간 보관 안정성이 뛰어나 다양한 응용분야에 효과적으로 사용될 수 있다고 예측된다.
실험예 4: 비교예와 표면 개질된 2차원 맥신의 XRD 비교 (도 5)
도 5는 본 발명의 실시예 3, 6에 따른 표면 개질된 2차원 맥신과 비교예에 대하여 XRD를 측정하여 분석한 결과이다. 실시예 3에 따른 열을 가해준 용액반응과 실시예 6에 따른 광가교를 이용한 광화학반응 모두 표면 개질 후에 맥신의 2D stacking 구조가 잘 유지되며, intensity를 통해 정렬도가 향상된 것이 보이며, 표면개질 후 (002) 피크가 왼쪽으로 이동한 것으로부터 d-spacing이 약간 커진 것을 확인할 수 있다. () 이는 실시예에 사용된 아자이드계 화합물이 맥신 시트에 성공적으로 삽입되었음을 나타낸다.
실험예 5: 비교예와 표면 개질된 2차원 맥신의 SEM 비교 (도 6)
도 5는 본 발명의 실시예 2, 4에 따른 표면 개질된 2차원 맥신과 비교예에 대한 SEM 이미지이다. 실시예 4에 따른 열을 가해준 용액반응과 실시예 2에 따른 광가교를 이용한 광화학반응 모두, 비교예의 층상구조가 표면 개질된 2차원 맥신에서도 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다.
실험예 6: 비교예와 표면 개질된 2차원 맥신의 XPS 비교 (도 7)
도 10은 본 발명의 실시예 3에 따른 표면 개질된 2차원 맥신과 비교예에 대하여 XPS를 측정하여 분석한 결과를 통해, 맥신 시트에 실시예에 사용된 아자이드계 화합물이 화학적으로 상호작용했다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (16)
- 2차원 맥신; 및
상기 2차원 맥신을 표면개질시키는 아자이드계 표면개질 화합물;을 포함하는 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신. - 제 1항에 있어서,
상기 표면개질 화합물은, 하기 화학식 1인, 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신:
[화학식 1]
[화학식 1a]
상기 화학식 1에서 Y는 상기 화학식 1a로 표시될 수 있고, 상기 화학식 1a에서 R2는 아지드기이고, R3은 1 내지 4개 이상의 알킬기 또는 수소원자 및 할로겐기이고, A1은 에스터기(-COOR), 아마이드기(-CONHR), 싸이오에스터기(-COSR), 탄화수소기(-R) 및 에테르기(-R-O-R'-) 중 적어도 어느 하나로부터 선택될 수 있고, 상기 R 및 R＇는 각각 독립적으로 C1-30의 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소로부터 선택될 수 있고,
A2는 독립적으로 C1-25 알킬, C2-25 알케닐, C2-25 알키닐, C6-25 아릴로부터 선택되는 포화 또는 불포화의 사슬 또는 고리형 탄화수소일 수 있으며,
상기 화학식 1의 R1은 원자가결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C25의 알킬기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C20의 아릴기, 치환 또는 비치환된 C5 내지 C21이 헤테로아릴기 및 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20의 알킬아민기 중 적어도 어느 하나에서 선택되며, n은 1 내지 10의 정수이다.
- 제 2항에 있어서,
상기 A2는 각각 독립적으로 1 내지 25개의 탄소, 질소, 산소 및 황으로부터 선택된 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소일 수 있고,
상기 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소는 각 사슬의 중간 또는 촉쇄에 탄소, 질소, 산소, 황으로부터 선택된 적어도 하나를 불포함 또는 포함하는, 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신.
- 제 1항에 있어서,
상기 표면개질 화합물은, 하기 화학식 2로 표현되는, 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신:
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, 상기 x는 양의 정수인 반복 단위 수이고, 상기 y 및 z는 독립적으로 0 이상의 정수인 반복단위 수이며, 상기 x, y 및 z의 비율은 x + y + z = 0.99 ~ 1.00이고,
상기 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 히드록시기(-OHR), 에스터기(-COOR), 아마이드기(-CONHR), 탄화수소기(-R) 및 에테르기(-R-O-R'-)로부터 선택될 수 있고, 상기 R 및 R＇는 각각 독립적으로 C1-35의 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소로부터 선택될 수 있다.
- 제 4항에 있어서,
상기 화학식 2에서, 상기 R8 내지 R10은 독립적으로 아지드기를 포함하는 포화 또는 불포화의 사슬형 또는 고리형의 탄화수소일 수 있고, 아지드기를 포함하는 치환 또는 비치환된 C1-30의 방향족 탄화수소인, 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신.
- 제 1항에 있어서,
상기 표면개질 화합물은, 하기 화학식 3 내지 화학식 6 중 적어도 어느 하나로 표현되는, 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신:
[화학식 3]
[화학식 4]
[화학식 5]
[화학식 6]
상기 화학식 3, 화학식 4, 화학식 5, 화학식 6에서 Xn은 서로 같거나 다를 수 있고, n은 1내지 10 일 수 있으며, 수소원자 또는 할로겐기 원자로부터 선택될 수 있고,
A3 내지 A13은 서로 같거나 다를 수 있으며, 에스터기(-COOR), 아마이드기(-CONHR), 싸이오에스터기(-COSR), 탄화수소기(-R) 및 에테르기(-R-O-R'-) 중 적어도 어느 하나로부터 선택될 수 있으며, 상기 R 및 R＇는 각각 독립적으로 C1-30의 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소로부터 선택되며,
R4 내지 R7은 서로 같거나 다를 수 있으며, 독립적으로 C1-25 알킬, C2-25 알케닐, C2-25 알키닐, C6-25 아릴로부터 선택되는 포화 또는 불포화의 사슬 또는 고리형 탄화수소이다.
- 제 6항에 있어서,
R4 및 R7는 각각 독립적으로 1 내지 25개의 탄소, 질소, 산소 및 황으로부터 선택된 적어도 하나의 헤테로 원자를 포함하는 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소인, 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신.
- 제 7항에 있어서,
상기 포화 또는 불포화의 헤테로 고리 또는 사슬형 탄화수소는 각 사슬의 중간 또는 촉쇄에 탄소, 질소, 산소, 황으로부터 선택된 적어도 하나를 불포함 또는 포함할 수 있는, 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신.
- 제 6항에 있어서,
상기 화학식 3 내지 6으로 표현되는 아자이드계 화합물은 분자 구조 내에 3개 이상의 FPA(fluorinated phenyl azide) 또는 PA(phenyl acide)를 갖는 구조인, 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신.
- 제 1항에 있어서,
상기 표면개질 화합물은, 하기 화합물 (1) 내지 화합물 (44) 중 적어도 어느 하나인, 아자이드계 화합물로 표면 개질된 2차원 맥신:
- 제1항에 있어서,
표면 개질 대상인 상기 2차원 맥신은 Mn+1Xn의 실험식을 갖는 결정 셀들(crystal cells)이 2차원 어레이를 이룬 층(layer)을 적어도 하나 이상 포함하며,
각 X는 복수개의 M으로 이루어지는 8면체 어레이 내에 위치하고,
M은 IIIB족 금속, IVB족 금속, VB족 금속 및 VIB 족 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속이며,
각 X는 C, N 또는 이들의 조합이고,
n은 1, 2 또는 3인, 표면 개질된 2차원 맥신.
- 제1항에 있어서,
표면 개질 대상인 상기 2차원 맥신은 M'2M"nXn+1의 실험식을 갖는 결정 셀들(crystal cells)이 2차원 어레이를 이룬 층(layer)을 적어도 하나 이상 포함하며,
각 X는 복수 개의 M' 및 M"로 이루어지는 8면체 어레이 내에 위치하고,
M' 및 M"은 IIIB족 금속, IVB족 금속, VB족 금속 및 VIB 족 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 서로 상이한 금속이며,
각 X는 C, N 또는 이들의 조합이고,
n은 1 또는 2인, 표면 개질된 2차원 맥신.
- 제1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 표면 개질된 2차원 맥신의 제조 방법으로서,
산 에칭(acid etching) 공정을 통해 2차원 맥신이 분산된 맥신 수용액을 수득하는 제1단계;
아자이드기를 갖는 표면개질 화합물을 유기용매에 분산시킨 용액을 준비하는 제2단계; 및
상기 제1단계를 통해 수득된 맥신 수용액과 상기 제2단계의 용액을 혼합 및 교반하여 맥신입자를 아자이드기를 갖는 화합물로 표면 개질시키는 제3단계를 포함하는, 표면개질된 2차원 맥신 입자의 제조 방법.
- 제1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 표면 개질된 2차원 맥신이 유기용매에 분산된, 맥신 잉크.
- 제 14항에 있어서,
커패시터용 복합체, 태양전지용 복합체, 에너지 저장 소재용 복합체, 센서 소재용 복합체, 전자파 차폐용 복합체, 광 경화재용 복합체, 웨어러블 장치용 복합체, 유연 전극용 복합체, 및 전도성 점착/접착재용 복합체 중 적어도 어느 하나에 포함되는, 맥신 잉크.
- 제14항에 따른 맥신 잉크를 포함하는, 맥신 필름.
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