[논문]자기조립 블록공중합체와 이산화티타늄으로 구성된 하이브리드 나노 박막의 모폴로지에 미치는 고분자의 조성, 용매의 선택성 및 첨가제의 영향

장윤희; 차민아; 김동하

자기조립 블록공중합체와 이산화티타늄으로 구성된 하이브리드 나노 박막의 모폴로지에 미치는 고분자의 조성, 용매의 선택성 및 첨가제의 영향
The Effects of Composition, Solvent Selectivity, and Additive on the Morphology of Hybrid Nano Thin Films Composed of Self-Assembled Block Copolymer and Titanium Dioxide 원문보기

폴리머 = Polymer (Korea), v.32 no.5, 2008년, pp.465 - 469

장윤희 (이화여자대학교 화학나노과학과) , 차민아 (이화여자대학교 화학나노과학과) , 김동하 (이화여자대학교 화학나노과학과)

초록
AI-Helper

블록 공중합체의 자기조립현상과 졸-겔 공정을 결합하여 나노크기 수준에서 다양한 형태를 발현하는 블록공중합체-이산화티타늄 하이브리드 박막의 모폴로지를 제조하였다. 모폴로지 변화를 일으키는 요소로서 블록 공중합체의 조성, 용매의 선택성과 첨가제에 의한 영향을 고려하였으며, 모폴로지 변화에 따른 이산화티타늄의 발광 효율 변화 또한 확인하였다. 폴리스티렌-폴리4비닐피리딘 이중블록공중합체는 용매와 두 블록간의 상대적인 친화성에 따라 미셀과 나노선 형태로 자기조립이 가능하며, 이산화티타늄의 전구체인 티타늄 테트라아이소프로폭시드는 폴리4비닐피리딘블록의 질소 원소와 결합한다. 블록 공중합체/졸-겔 전구체 혼합 용액에 제3의 성분인 3-펜타데실페놀을 첨가하면 블록의 상대적인 부피 비율의 변화를 야기하여 모폴로지 변화를 일으킨다. 다양하게 변화하는 모폴로지에서 이산화 티타늄의 형광 효율이 변화함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hybrid thin films composed of block copolymer(BCP) and $TiO_2$ with various morphologies on the nanoscale were fabricated using self-assembly of block copolymer combined with sol-gel process. The factors governing morphology changes considered in this study are block copolymer composition, selectivity of solvent and the inclusion of an additive. We also investigated the efficiency of photoluminescence for selected films with different morphologies. Micelle or nanowire structure can be derived from the self-assembly of poly (styrene-block-4-vinyl pyridine) (PS-b-P4VP) depending on the relative selectivity of the solvent for the two blocks, and the titanium tetraisopropoxide ($Ti{OCH (CH_3)_2}_4$, TTIP) is coordinated with nitrogen in P4VP block. Addition of a third component 3-pentadecylphenol into the BCP/sol-gel mixture solution induces morphology change as a result of the change of relative volume fraction of the BCP. We confirmed that the efficiency of $TiO_2$ fluorescence changes for films depending on morphologies.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 poly (styrene -block- 4 - vinyl pyridine) (PS-fr-P4VP) 이중블록공중합체를 주형으로 사용하여 TiO2의 박막을 형성하였으며, TiG를 생성하기 위해 졸-겔 기법을 사용하였다24 이 때 사용하는 용매의 선택성, 첨가제 혼합, 블록공중합체 조성 변화 등의 항으로 블록공중합체/TiG 하이브리드 박막의 모폴로지를 다양하게 변화시켰으며 최종적으로 상이한 모폴로지에 따른 TiC>2의 형광 효율 변화를 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 졸-겔 공정에 의해 생성된 TiO₂ 박막의 다양한 모폴로지를 얻기 위하여 블록공중합체의 자기조립 성질을 이용하였다. 이 때 생성되는 TiO₂ 박막의 모폴로지를 제어하기 위해 사용하는 용매의 용해서 블록공중합체의 조성, 첨가제에 의한 영향을 확인하였다.
Pen- tadecylpenol(PDP) 는 PS-6-P4VP 미셀의 P4VP 블록 성분과 수소결합을 통하여 선택적으로 결합할 수 있다. 본 연구진은 PDP의 이런 성질을 이용하여 이중블록공중합체 내에서의 상대적인 조성을 변화 시 키면서 블록공중합체의 자기조립에 미치는 영향을 고찰하였다. PS4760oTlP4VP20900을 톨루엔에 녹인 후 PDP를 첨가하였을 때 첨가되는 PDP의 양은 P4VP 하나의 딘위에 디]히여 하나의 phenol 이 결합하도록 조절하였다(Phenol/4VP=1).

가설 설정

두 블록의 비율이 비슷하다면 두 블록이 DMF에 비슷하게 녹아들어가 나노선 형태의 구조를 이룰 수 있다. 반면에 한 쪽 블록의 비율이 더 크다면 두 블록이비슷한 용해성을 가짐에도 불구하고 더 많은 비율을 차지하는 블록이차지하는 부피가 더 크게 되어 미셀 형태의 구조를 이루게 돠는 것이다. Figure 2(b) 와 2(c)는 서로 조성이 다른 블록공중합체 PS20000-Zx-P4VPi90(x)와 PS47600- AP4VP209C0를 DMF에 녹였을 때 나타나는 모폴로지를 원자현미경으로 측정한 사진이다.

제안 방법

PS-6-P4VP 용액에 제3의 물질인 PDP를 첨가하여 박막의 모폴로지 변화를 유도하였다. PDP는 각 4VP 블록 단위에 대하여 하나의 페놀이 결합할 수 있도록 몰비를 조절하였다(Phenol/ 4VP=1), 25
본 연구진은 PDP의 이런 성질을 이용하여 이중블록공중합체 내에서의 상대적인 조성을 변화 시 키면서 블록공중합체의 자기조립에 미치는 영향을 고찰하였다. PS4760oTlP4VP20900을 톨루엔에 녹인 후 PDP를 첨가하였을 때 첨가되는 PDP의 양은 P4VP 하나의 딘위에 디]히여 하나의 phenol 이 결합하도록 조절하였다(Phenol/4VP=1). 즉, PDP의 결합으로 P4VP 영역이 차지하는 상대적인 부피가 증가하여 PS와 P4VE가차지하는 비율이 비슷해진다고 볼 수 있다.
캔틸레버 탄성 계수가 20-80 N/m인 실리콘 팁을 사용하였다. TiO₂ 박막의 형광을 측정하는 데는 형광 측정기 (Fluorescence spectroscopy, Perkin Elmer LS55) 의 emission scan을 이용하였고, 여기 파장 260 nm 조건하에 측정하였다.
사용하였다. 실리콘 웨이퍼에 회전 코팅을 하여 얻어진 박막을원자 현미경의 tapping 방법을 이용하여 height와 phase 이미지를얻었다. 캔틸레버 탄성 계수가 20-80 N/m인 실리콘 팁을 사용하였다.
이렇게 용매의 선택성과 블록공증합체의 조성에 따라 용액 및 빅막에서의 블록공중합체형태가 변화하게 된다. 여기에 무기물 전구체를 도입하여 공용액을준비하고 회전 코팅을 이용하여 형태와 크기가 제어된 나노구조를 갖는 이산화티타늄 박막을 유도하였다. 극성인 P4VE로 이루어진 블록공중합체의 core 영역은 다양한 무기물을 합성하는 반응기로서 이용될 수 있다.
이용하였다. 이 때 생성되는 TiO₂ 박막의 모폴로지를 제어하기 위해 사용하는 용매의 용해서 블록공중합체의 조성, 첨가제에 의한 영향을 확인하였다. 첫째, 블록공중합체의 자기조립은 사용하는 용매의 용해성에 영향을 받는다 한 블록에 선택적인 용해성을 가진 용매를 사용할 경우블록공중합체는 미셀로 자기 조립하여 나노점의 모폴로지를 얻을 수있다 반면에 두 블록 모두에 비슷한 용해성을 가지는 용매를 사용할경우 완전한 미셀을 이루지 못하고 나노선 형태의 모폴로지가 관찰될수 있다.

대상 데이터

동안 가열하면서 혼합하여 완전히 용해시킨다. 또 다른 용매인 DMF를 사용하여 상온에서 30분 정도 혼합하여 블록공중합체 용액을 준비하였다. 두 가지 용액의 농도는 각각 0.
블록공중합체는 poly (styrene-block-4-vinyl pyridine) (PS-Z?-P4VP, M, ps=47600 g/mol, M, p4vp=20900 g/mol, Mm/Mn=1.14, Polymer Source, Inc.) 와 poly (styrene- block-4-vinyl pyridine) (PS-A-P4VP, M, ps=20000 g/mol, M, p4vp= 19000 g/mol, M>/M=l-09, Polymer Source, Inc.)를사용하였다. 용매는 톨루엔 (toluene) 과 gJ다이메틸포름아마이드 {N, N~dimethylformamide, DMF) 를 사용하였다.
)를사용하였다. 용매는 톨루엔 (toluene) 과 gJ다이메틸포름아마이드 {N, N~dimethylformamide, DMF) 를 사용하였다. TiG의 전구체로사용한 졸-겔 용액은 티타늄 테트라아이소프로폭시드(titanium (IV) isopropoxide, ti{OCH(CHs)2}4, TTIP, Sigma-Aldrich) 와 이소프로필 알코올(C₃H₈O isopropyl alcohol), 염산(hydrochloric acid, HC₁), 톨루엔(toluene, CeHQHs) 의 혼합물로 이루어져있다.
TiG의 전구체로사용한 졸-겔 용액은 티타늄 테트라아이소프로폭시드(titanium (IV) isopropoxide, ti{OCH(CHs)2}4, TTIP, Sigma-Aldrich) 와 이소프로필 알코올(C₃H₈O isopropyl alcohol), 염산(hydrochloric acid, HC₁), 톨루엔(toluene, CeHQHs) 의 혼합물로 이루어져있다. 제3의첨가물로 3-펜타데실페놀(3-phentadecylphenol, PDP, Aldrich) 을 사용하였다.
실리콘 웨이퍼에 회전 코팅을 하여 얻어진 박막을원자 현미경의 tapping 방법을 이용하여 height와 phase 이미지를얻었다. 캔틸레버 탄성 계수가 20-80 N/m인 실리콘 팁을 사용하였다. TiO₂ 박막의 형광을 측정하는 데는 형광 측정기 (Fluorescence spectroscopy, Perkin Elmer LS55) 의 emission scan을 이용하였고, 여기 파장 260 nm 조건하에 측정하였다.

이론/모형

박막의 모폴로지 관찰을 위해 원자현미경 (AFM, Digital Instruments Dimension 3000 scanning force microscope) 을 사용하였다. 실리콘 웨이퍼에 회전 코팅을 하여 얻어진 박막을원자 현미경의 tapping 방법을 이용하여 height와 phase 이미지를얻었다.

성능/효과

PS2oooo~6-P4VPi9ooo 을 DMF에 녹여서 블록공중합체 용액을 만든 후 TTIP를 4VP에 대한 몰비로 0.3만큼 첨가하였을 때의 형광과 PDP가 첨가된 후, 그리고 메탄올로 PDP를 제거한 후의 형광을 각각 측정했을 때, 모폴로지변화와 함께 TiC>2의 형광의 양상이 변화함을 확인하였다. 모든 샘플에 대하여 여기 파장 260 nm 조건하에서 TiG의 형광을 관찰했을때 360-420 nm 사이에서 TiC)2의 emission0] 나타났다.
제3의 물질을 첨가함으로써 생성되는 박막의 모폴로지가 변화히는 것을 관찰하였다. 본 연구에서 적용한 기법을 Figure 4(a)에 모식적으로 나타내었다.
이 때 생성되는 TiO₂ 박막의 모폴로지를 제어하기 위해 사용하는 용매의 용해서 블록공중합체의 조성, 첨가제에 의한 영향을 확인하였다. 첫째, 블록공중합체의 자기조립은 사용하는 용매의 용해성에 영향을 받는다 한 블록에 선택적인 용해성을 가진 용매를 사용할 경우블록공중합체는 미셀로 자기 조립하여 나노점의 모폴로지를 얻을 수있다 반면에 두 블록 모두에 비슷한 용해성을 가지는 용매를 사용할경우 완전한 미셀을 이루지 못하고 나노선 형태의 모폴로지가 관찰될수 있다. 또한 이 경우에는 블록공중합체의 조성이 모폴로지를 결정하는 중요한 요인으로 작용할 수 있다.

후속연구

하더라도 미셀로의 자기조립이 우세하게 일어남을 알 수 있었다 TiO₂ 박막의 모폴로지 제어를 위한 다른 요인 중에 하나는 제3의 물질을 첨가하여 모폴로지 변화를 유도하는 것이다. 본 연구에서 사용한 제3의 물질인 PDP는 블록공중합체의한 블록에 선택적으로 결합하여 블록공중합체 내에서 상대적인 조성의 변화를 일으킴으로써 모폴로지의변화를 유도함을 확인하였다 다양한 방법에 의해서 제어된 TiO₂ 박막의 상이한 모폴로지에서 TiO2의 형광을 측정하였을 때, 나노점의모폴로지보다 나노선으로 이루어진 모폴로지에서 형광의 세기가 증가함을 확인할 수 있었고, 이렇게 효율이 향상된 TiCh를 포함하는박막은 광촉매, 발광소자, 유기 브/므f 트랜지스터 (organic thin film transistor, OTFT)의 유전체층 등에 이용되어 향상된 기능을 수행할수 있을 것으로 기대된다,

참고문헌 (34)

U. Diebold, Surf. Sci. Rep., 48, 53 (2003)

상세보기
A. L. Linsebigler, G. Q. Lu, and J. T. Yates, Chem. Rev., 95, 735 (1995)

상세보기
M. R. Hoffmann, S. T. Martin, W. Y. Choi, and D. W. Bahnemann, Chem. Rev., 95, 69 (1995)

상세보기
A. Heller, Acc. Chem. Res., 28, 503 (1995)

상세보기
M. A. Henderson, J. Phys. Chem. B, 109, 12062 (2005)

상세보기
H.-D. Park, K.-Y. Ahn, M. A. Wahab, N. J. Jo, I. Kim, C.-S. Ha, G. Kim, and W.-K. Lee, Macromol. Res., 11, 172 (2003)

상세보기
M. J. Gratzel, Photochem. Photobiol. A, 164, 3 (2004)

상세보기
K. M. Coakley and M. D. McGehee, Chem. Mater., 16, 4533 (2004)

상세보기
O. L. Figueroa, C. H. Lee, S. A. Akbar, N. F. Szabo, J. A. Trimboli, P. K. Dutta, N. Sawaki, A. A. Soliman, and H. Verweij, Sens. Actuators B, 107, 839 (2005)

상세보기
M. Y. Song, K.-J. Kim, and D. Y. Kim, Macromol. Res., 14, 630 (2006)

원문보기 상세보기
A. S. Zuzuri and N. C. MacDonald, Adv. Funct. Mater., 15, 396 (2005)

상세보기
A. R. Armstrong, G. Armstrong, J. Canales, R. Garcia, and P. G. Bruce, Adv. Mater., 17, 862 (2005)

상세보기
G. Armstrong, A. R. Armstrong, J. Canales, and P. G. Bruce, Chem. Commun., 19, 2454 (2005)
I. W. Hamley, The Physics of Block Copolymers, Oxford University Press, New York, 1998
G. H. Fredrickson and F. S. Bates, Annu. Rev. Mater. Sci., 26, 501 (1996)

상세보기
M. J. Fasolka and A. M. Mayes, Annu. Rev. Mater. Res., 31, 323 (2001)

상세보기
T. Hashimoto, M. Shibayma, M. Fujimura, and H. Kawai, Block Copolymers, Science and Technology, D. J. Meier, Editor, Harwood Academic, London, pp 63-108 (1983)
G. Kastle, H.-G. Boyen, F. Weigl, G. Lengl, T. Herzog, P. Ziemann, S. Riethmuller, O. Mayer, C. Hartmann, J. P. Spatz, M. Moeller, M. Ozawa, F. Banhart, M. G. Garnier, and P. Oelhafen, Adv. Funct. Mat., 13, 853 (2003)

상세보기
J. P. Spatz, S. Mosser, C. Hartmann, M. Moeller, T. Herzog, M. Krieger, H.-G. Boyen, and P. Ziemann, Langmuir, 16, 407 (2000)

상세보기
J. P. Spatz, A. Roescher, and M. Moller, Adv. Mater., 8, 337 (1996)

상세보기
X. Li, K. H. A. Lau, D. H. Kim, and W. Knoll, Langmuir, 21, 5212 (2005)

상세보기
X. Li, P. Goring, E. Pippel, M. Steinhart, D. H. Kim, and W. Knoll, Macromol. Rapid. Commun., 26, 1173 (2005)

상세보기
D. H. Kim, X. Jia, Z. Lin, K. W. Guarini, and T. P. Russell, Adv. Mater., 16, 702 (2004)

상세보기
D. H. Kim, S. H. Kim, K. Lavery, and T. P. Russell, Nano Letters, 4, 1841 (2004)

상세보기
D. H. Kim, Z. C. Sun, T. P. Russell, W. Knoll, and J. S. Gutmann, Adv. Funct. Mater., 15, 1 (2005)
Z. Sun, D. H. Kim, M. Wolkenhauer, G. G. Bumbu, W. Knoll, and J. S. Gutmann, Chem. Phys. Chem., 7, 370 (2006)

상세보기
C.-C. Weng, K.-F. Hsu, and K.-H. Wei, Chem. Mater., 16, 4080 (2004)

상세보기
Y. Boontongkong and R. E. Cohen, Macromolecules, 35, 3647 (2002)

상세보기
J. Peng, W. Knoll, C. M. Park, and D. H. Kim, Chem. Mater., 20, 1200 (2008)

상세보기
A. W. Fahmi, H.-G. Braun, and M. Stamm, Adv. Mater., 15, 1201 (2003)

상세보기
L. Song, Y. M. Lam, C. Boothroyd, and P. W. Teo, Nanotechnoloy, 18, 135605 (2007)

상세보기
Z. Sun, D. H. Kim, M. Wolkenhauer, G. G. Bumbu, W. Knoll, and J. S. Gutmann, Chem. Phys. Chem., 7, 370 (2006)

상세보기
X. Li, J. Fu, M. Steinhart, D. H. Kim, and W. Knoll, Bull. Kor. Chem. Soc., 28, 1015 (2007)

원문보기 상세보기
Y. Lei, L. D. Zhang, G. W. Meng, G. H. Li, X. Y. Zhang, C. H. Liang, W. Chen, and S. X. Wang, Appl. Phys. Lett., 78, 1125 (2001)

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format