바이오인

핵심내용

-소자용 다층박막 필름 제작의 효율성 높여 슈퍼커패시터 등 에너지저장소자 적용 기대-


□ 국내 연구팀이 양친화성 층상 조립법*을 이용하여 극성을 띠지 않는 무기(금속 또는 금속 산화물) 나노입자와 극성을 띠는 고분자의 다층 박막 필름을 제작하는데 성공하였다.
* 양친화성 층상조립법 : 설폰산 또는 인산기와 금속 나노입자 표면과의 강한 친화력을 기반으로 추가적인 물질 삽입 또는 표면처리 없이 극성 재료와 무극성 나노입자의 직접적인 기능성 나노복합체 필름을 제작하는 방법

o 고려대 화공생명공학과 조진한 교수, 박민경 석사과정, 고용민 박사과정, 김영훈 박사 등 연구팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(도약)의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학분야 국제학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 온라인판 11월 26일자에 게재되었다.
(논문명 : Amphiphilic Layer-by-Layer Assembly Overcoming Solvent Polarity between Aqueous and Nonpolar solvent)

□ 무극성 무기 나노입자는 결정성이 좋고 고농도로 합성할 수 있어 기능성 필름소자 제작에 널리 쓰인다.
o 하지만 극성을 띠지 않아 탄소나노튜브나 그래핀 같은 소자용 물질에 결합(흡착)시키려면 입자의 표면을 바꾸는 추가적인 과정이 필요하고 흡착량이 낮아 소자의 성능향상에도 한계가 뒤따랐다.

□ 연구팀은 복잡한 추가공정 없이 비교적 손쉽게 무극성 나노입자와 수용액상에 분산된 극성물질을 직접적으로 결합시켜 다층박막 형태로 만드는 방법을 개발했다.
o 고분자나 탄소기반 물질이 가지고 있는 특정 작용기(설폰산* 또는 인산기**)와 무기 나노입자 표면과의 강한 결합력을 이용한 것으로, 무극성 나노입자와 탄소나노튜브나 그래핀 등 소자용 물질과의 복합체를 다층박막 형태로 제작하는 데 기여할 것으로 기대된다.
* 설폰산 : -SO3- 로 표시되는 산성 작용기 * 인산기 : -PO32-로 표시되는 산성 작용기

□ 한편 연구팀은 산화철 나노입자와 그래핀 나노시트를 반복적으로 쌓아올린 슈퍼커패시터* 전극을 제작하고 기존 전극보다 2배 이상의 높은 에너지 저장능력을 확인하였으며, 1,000 사이클 구동 후에도 93% 이상의 높은 소자 성능을 유지하는 것을 확인하였다.
* 슈퍼커패시터 : 상대적으로 낮은 에너지 밀도를 가지나 높은 파워출력을 가진 기존 커패시터와 높은 에너지 밀도를 가지나 상대적으로 낮은 파워 출력을 갖는 리튬 이온 배터리의 장점만을 살린 차세대 에너지 저장장치

o 연구팀은“극성/무극성의 전혀 다른 화학적 성질을 가지는 물질들의 나노복합체 박막을 손쉽게 제작하는 방법을 제시한 것으로 촉매, 전기화학적, 자성, 반도체적 특성 등을 가진 여러 가지 기능성 무기나노입자와 바이오(생체적합) 물질의 나노복합체 제작이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

고분자, 탄소 물질과 같은 유기재료와 금속, 금속산화물 나노입자와 같은 무기재료의 융합은 다양한 전기화학, 에너지 및 촉매 관련 성질을 크게 향상시킬 수 있다. 유기/무기 복합체를 형성하는 여러 가지 방법이 연구되고 있지만 그 중에서도 층상 조립법(layer-by-layer assembly method)은 각 층 간의 결합을 조절하여 평면부터 곡면까지 다양한 모양의 기판위에 원하는 기능, 두께, 화학적 조성을 가진 다층 박막 제작이 가능한 가장 유용한 방법으로 알려져 있다.

그러나 지금까지 개발된 방법 중에서 물과 같은 초극성 용매에 분산되어있는 물질과 핵산 또는 톨루엔과 같은 무극성 유기용매에 분산되어있는 물질을 효과적으로 하나의 박막 안에 융합시키는 것은 불가능하다고 여겨져 왔다.

다양한 다층 박막 조립법 중에서도 양친화성 층상 조립법(amphiphilic layer-by-layer assembly method)은 설폰산기(SO3-) 또는 인산기(PO32-) 가 유도된 극성 물질과 무기 나노입자 표면의 강한 친화력을 기반으로 한다. 양친화성 층상 조립법을 사용하게 되면, 극성차이가 큰 물질을 하나의 기능성 박막에 통합시키는 데 있어서 각각의 재료를 결합시켜 줄 추가적인 양친화성(amphiphilic) 물질층을 추가적으로 삽입시키는 과정이나 재료 고유의 성질을 변화 시킬 우려가 있는 표면개질 과정을 거칠 필요 없이 극성 차이가 큰 물질간의 직접적인 다층박막 제작이 가능하다는 장점이 있다.

또한 앞서 흡착된 친수성 고분자층의 이온강도 조절을 통해 친유성 나노입자의 흡착량을 손쉽게 조절할 수 있다는 특징이 있으며, 최대 흡착 조건에서의 충전 밀도는 50% 이상으로 *random close packing density 인 64%에 근접한 수치이다.
이러한 특징들은 본 연구가 현재까지 보고된 기존의 수계 층상조립법과 유기용매계 층상조립법의 장점을 모두 포함하고 있다는 것을 보여준다.
*random close packing : 구 모양의 물체를 무작위로 상자에 넣었을 때, 구가 차지할 수 있는 최대 밀도(64%).

2. 연구내용

본 연구에서는 기판 위에 무극성 무기 나노입자와 설폰산기 또는 인산기가 유도되어 음전하를 띠고 있는 극성 재료를 연속적으로 적층시킨 기능성 복합 다층 박막을 제작하는 방법과 그 응용에 대해 소개하려고 한다 (그림 1)

나노입자 표면에 붙어있는 리간드 (또는 안정제)로서 올레익 산(oleic acid)으로 코팅된 약 8 나노미터 크기의 산화철(Fe3O4)은 유기용매 상에서 매우 높은 품질(결정성이 좋고, 입자 크기가 균일함)을 갖는 나노입자로 합성하였다 (그림 2).
산화철 나노입자가 흡착된 기판을 설폰기(SO3-)가 유도된 물질의 용액에 담지하면 산화철 나노입자에 상대적으로 약하게 결합되어 있는 올레익 산 대신 산화철 나노 입자와 더 강한 결합력을 갖는 설폰산기가 결합하게 되어 리간드 교환 반응(ligand ex reaction)이 일어난다. 

이를 이용하여 설폰산기를 갖는 고분자와 함께 고분자 수용액(극성)과 나노입자 용액(무극성) 내에서 교차 반복적으로 다층박막을 제작하였고, 이에 대한 결합 메커니즘을 정성적, 정량적 분석 기법을 통해 규명할 수 있었다. 또한 추가적으로 설폰산기 뿐만 아니라 인산기(PO32-) 또한 올레익산에 비해 산화철 나노입자와 결합력이 상대적으로 더 강하기 때문에 양친화성 층상조립법이 가능하다는 것도 확인하였다.

연 구 결 과 문 답