텔레킬릭 고분자를 이용한 나노크기 CdS 제조

김 정 안, 김 광 웅, 김 상 섭*, 이 종 찬*, 김 건 형**

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Application of Chem. Eng., 2002. Vol. 8, No. 1

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002. Vol. 8, No.1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

고분자하이브리드센터, 한국과학기술연구원

* 응용화학부, 서울대학교

** 기술연구소, (주)나노텍코리아

Preparation of Nano-sized CdS using Telechelic Polymers

Jungahn Kim, Kwang Ung Kim, Sang Seob Kim*,

Jong Chan Lee*, Keon Hyeong Kim**

Polymer Hybrids Center, Korea Institute of Science and Technology

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002. Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Division of Applied Chemistry, Seoul National University

Research Center, NanoTech-Korea, Ltd.

서론

고분자 분야의 발전은 20세기 괄목하게 발전을 거듭하였다.  그러나, 환경 문제가 대두됨에 따라 국가의 기간 산업이라 일컬어지든 중화학 공업이 쇠퇴함에 따라 고분자 분야도 새로운 도전에 직면하게 되었다.  이는 국내 폴리올레핀 생산량이 세계 4위인 점을 감안할 때 국가 성장 원동력을 잃게 되는 사태를 초래할 지도 모른다.  이를 대비하기 위하여, 고분자의 활용분야를 최근의 과학 기술분야 발전에 있어서 화두가 되고 있는 □나노기술□에의 접목은 새로운 활력소를 불어 넣을 수 있다는 사실을 발견하게 된다.

대량 생산에 의한 5대 범용수지 (HDPE, LDPE, PP, PS, PVC)의 경쟁력 향상은 크게 기대할 수 없는 반면, 기능성 고분자를 이용한 새로운 분야에의 도전은 아직 발전의 여지는 얼마든지 있다.  이러한 관점에서, 기능성 (functionalized) 고분자는 응용성의 확대가 기대되는 바, 이에 대한 연구가 필히 요구된다.

실험

1. 물질 및 중합

본 연구에서는 고분자 합성법 중 리빙 중합에 의한 특수 기능성 고분자를 합성하고,1 이를 최근의 나노기술에의 접목을 통하여 새로운 고분자 분야의 응용성 확대를 이루고자 하였다. 스티렌 단량체, 용매, 및 기능성화에 필요한 각종 물질은 문헌에 알려진 과정을 통하여 정제하여 사용하였다.2  알킬리튬 혹은 리튬 나프탈레나이드 음이온 중합 개시제를 구입 혹은 제조하여 스티렌 단량체와의 몰비를 조절하여 분자량 2,000 ∼ 50,000 정도의 리빙 고분자를 합성하고, 다양한 기능성화 방법으로 semitelechelic 혹은 telechelic 고분자를 제조하였다.1

2. 나노입자

상기 제조된 telechelic 고분자 샘플 0.1 그램을 25 mL용 vial에 넣고, toluene/메탄올 (80/20, 부피/부피) 혼합 용액 10 mL에 녹였다.  완전히 녹은 고분자 용액 속에 CdAc2·2H2O (0.01 g)을 넣고 용해시켰다. 이에 다시 H2S (40 mL)를 넣고 저어 주면서 24 시간동안 반응시켰다. 이때 무색 용액의 색은 반응이 진행됨에 따라 노란색에서 갈색으로 변화하였다.

3. 분석

합성된 고분자의 분자량은 5개의 컬럼 (2 × 105, 104, 103, 500Å)으로 장착된 Waters HPLC를 사용하여 THF를 용매로 1 mL/min의 속도로 하여 상대적 분자량을 측정하였다.  각종 기능성화된 고분자들은 Gemin 200 Varian 1H 및 13C NMR 기기를 사용하여 분석하였다.  제조된 나노크기 입자들은 전자현미경을 사용하여 측정하였다.

결과 및 토론

1. Telechelic 고분자 합성

리빙 중합에 의한 telechelic 고분자들의 합성은 다음 Scheme 1과 같은 과정을 통하여 제조하였다.

Scheme 1

이렇게 제조된 telechelic 고분자들의 기능성화 수율은 98 mol% 이상이었다.  이들 중, 사슬 말단에 hydroxyl기 및 thiol기를 갖는 고분자의 1H NMR 스펙트럼은 다음 Figure 1과 같다.

Theories and Application of Chem. Eng., 2002. Vol. 8, No. 1

Figure 1. 1H NMR spectra of □,□-dihydroxypolystyrene and poly(ethylene sulfide -b- styrene -b- ethylene sulfide).

2. 나노입자 제조

앞서 설명한 바대로, 다양한 기능성기를 갖는 telechelic 고분자들을 합성하여 실험 부분에서 설명한 바대로 CdS 나노입자를 제조한 결과 중 dicarboxyl 그룹을 갖는 고분자를 사용하여 제조된 나노입자의 TEM 사진은 다음 Figure 2와 같다.

Figure 2. TEM photograph of nano-sized CdS prepared byusing □,□-dicarboxypolystyrene.

3. 결과

리빙 중합에 의하여 제조된 telechelic 고분자들의 기능성화 수율은 98 mol% 이상이었다.  이들을 사용하여 성공적으로 반도체 재료인 CdS의 나노입자 제조가 가능하였다. 제조된 나노입자 크기는 5 내지 30 nm 정도였다.

참고문헌

1.	Hsieh, H. L.; Quirk, R. P. Anionic Polymerization: Principles and Practical	Applications; Marcel Dekker: New York, 1996; Chap. 11.

2.	Quirk, R. P.; Kim, J. Macromolecules 1991, 24, 4515.