[논문]액상환원법과 알코올환원법으로 제조한 은나노입자특성 비교에 관한 연구

손은종; 황영구; 신유식; 정성훈

doi:10.5764/tcf.2011.23.2.146

액상환원법과 알코올환원법으로 제조한 은나노입자특성 비교에 관한 연구
Comparison Study of the Synthesized Silver Nano-particles using Liquid Phase Reduction Method and Alcohol Reduction Process 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.23 no.2, 2011년, pp.146 - 153

손은종 (부천대학교 섬유비즈니스과) , 황영구 (덕산엔터프라이즈(주)) , 신유식 (한국섬유소재연구소) , 정성훈 (한양대학교 응용화공생명공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Silver nano-particles have been synthesized by liquid phase reduction method and alcohol reduction process. Silver nano-particles of the size 30 ~ 40 nm were formed successfully by alcohol reduction process. The formation, structure, morphology and size of silver nano-particles have been studied using FE-SEM, TEM, XRD, UV-visible spectroscopy. In particular high dispersion stability of the synthesized silver nano-particles could be obtained by PVP binding. Antibacterial activity of Ag/PET master batch sample made from its nano-silver particles showed excellent antibacterial activity against S. aureus and E. coli.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 액상환원법과 알코올환원법에 의해 기능성 섬유방사에 적용가능한 은나노입자특성비교에 관한 연구보고는 보고되지 않고 있다. 따라서 본 연구에서 은나노입자의 크기와 크기 분포를 제어하기 위하여 액상환원법과 알코올환원법을 이용하여 환원제의 종류와 농도 변화 그리고 고분자 물질의 분자량과 농도변화를 통하여 은나노입자의 형성 유무를 관찰・비교하였다. 또한 제조된 은나노입자를 이용하여 Ag/PET 마스터배치를 제조하여 항균성능 등의 특징도 관찰하였다.
본 연구에서 은나노입자 함유 고감성, 극세형 PET Filament를 제조하기 위하여 액상환원법과 알코올환원법에 의한 은나노입자의 제조 특성을 비교 연구·관찰하였고, 이를 이용하여 Ag/PET 마스터배치를 제조하여 항균성능 등의 특징을 관찰하였다.

가설 설정

제조된 은(silver) 파우더 SP - # 07, 16, 18을 이용하여 PET 칩과 약 80℃에서 진공 건조하여 수분을 완전히 제거한 다음 트윈 스크류 믹스를 이용하여 250℃에서 60rpm의 속도로 약 5분간 용융 혼합 하였다. PET 기질 내에서 은(silver) 나노 입자들의 함량은 무게비로 0.3%로고정하였다.

제안 방법

Ag/PET 마스터배치내의 은함유량의 관찰하기 위해서 시료를 산가수분해로 전처리한 후 ICP-AES(PerkinElmer, Optima-4300DV)를 사용하여 은함유량을 정량분석하였다.
먼저 고분자 물질인 Tween 20(Daejung Chemicals & Metals, 시약급), PVP (International Specialty Products, 시약급)과 AgNO₃를 용해시키고, 이 용액을 oil bath에서 가열, 환원시킴으로써 콜로이드를 제조하였다. 가열에 의한 용매의 증발을 방지하기 위하여 응축기(condenser)를 이용해 환류(reflux)를 실시하였다.
각각의 콜로이드는 30 ppm으로 희석한 후 5, 10, 30, 60, 120, 180, 240 min. 간격으로 파장에 따른 흡광도를 분석하였다.
따라서 본 연구에서 은나노입자의 크기와 크기 분포를 제어하기 위하여 액상환원법과 알코올환원법을 이용하여 환원제의 종류와 농도 변화 그리고 고분자 물질의 분자량과 농도변화를 통하여 은나노입자의 형성 유무를 관찰・비교하였다. 또한 제조된 은나노입자를 이용하여 Ag/PET 마스터배치를 제조하여 항균성능 등의 특징도 관찰하였다.
먼저 고분자 물질인 Tween 20(Daejung Chemicals & Metals, 시약급), PVP (International Specialty Products, 시약급)과 AgNO3를 용해시키고, 이 용액을 oil bath에서 가열, 환원시킴으로써 콜로이드를 제조하였다.
) 미터 수준의 물질 혹은 소자를 다루는 기술인 나노 기술을 재료적인 관점에서 보면 수 내지 수백 개의 원자 혹은 분자로 이루어진 소재를 다루는 기술에 해당되며, 이와 같은 나노 소재 기술은 기존 소재로는 얻을 수 없는 새로운 기능 및 특성들을 나타낼 수 있어 다양한 분야 및 산업에 적용할 수 있는 현대 과학의 최첨단 집적기술이라 할 수 있다. 본 연구에서 고감성, 극세형 PET Filament를 제조하기 위하여 나노미터 크기의 은(silver) 입자 합성이 필요로 한다. 금속 물질을 나노미터 크기의 입자로 제조하기 위해서는 Fig.
액상 환원법에 의해 제조된 은 입자의 구조및 결정성을 살펴보기 위하여 Fig. 4와 같이 XRD 분석을 시행하였다. 분석 결과에서와 같이 액상 환원법에 의해 제조된 입자는 주요 peak의 2 theta 값이 38.
제조된 마스터배치의 항균성능평가를 위해 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538) 과 그람음성세균인 대장균(Escherichia coli ATCC 25922)을 사용하여 항균성능을 평가하였다(Table 5). 시료 모두에서 99.
제조된 은(silver) 파우더 SP - # 07, 16, 18을 이용하여 PET 칩과 약 80℃에서 진공 건조하여 수분을 완전히 제거한 다음 트윈 스크류 믹스를 이용하여 250℃에서 60rpm의 속도로 약 5분간 용융 혼합 하였다. PET 기질 내에서 은(silver) 나노 입자들의 함량은 무게비로 0.
제조된 은나노입자의 구조 및 결정성을 살펴보기 위하여 XRD(X-ray Diffraction, Rint-2000, Rigaku)분석을 시행하였다.
제조된 은나노입자의 형상(morphology), 입자 크기, 입자 분포도(size distribution)를 측정하기 위하여 투과전자현미경(TEM, Transmission electron microscopy, Jeol model JEM-2000EX Ⅱ)와 전계 방출 주사전자현미경(FE-SEM, Field emission scanning electron microscopy, Jeol JSM-6330F)를 사용하였다. 투과전자현미경을 측정하기 위하여 각 콜로이드를 100ppm으로 희석하여 400 mesh standard carbon grid에 올려두고 30℃에서 12시간 동안 감압 건조하여 수분을 완전히 제거한 후 측정하였다.
제조된 은나노입자의 형상(morphology), 입자 크기, 입자 분포도(size distribution)를 측정하기 위하여 투과전자현미경(TEM, Transmission electron microscopy, Jeol model JEM-2000EX Ⅱ)와 전계 방출 주사전자현미경(FE-SEM, Field emission scanning electron microscopy, Jeol JSM-6330F)를 사용하였다. 투과전자현미경을 측정하기 위하여 각 콜로이드를 100ppm으로 희석하여 400 mesh standard carbon grid에 올려두고 30℃에서 12시간 동안 감압 건조하여 수분을 완전히 제거한 후 측정하였다.
3에서와 같이 약 50~100nm 크기의 파우더를 얻었다. 환원속도를 조절하여 입자의 크기를 제어하기 위하여 hydrazine의 농도는 0.75로 고정하였으며, Na₃-citrate와 황산철의 농도를 0.1~0.3과 0.5~3으로 각각 변화하였다. 결과에서와 같이 Na₃-citrate의 농도를 높을수록 입자 표면의 electrostatic potential이 낮아져 입자의 크기가 줄어드는 경향을 보이며, 황산철의 농도가 높아질수록 핵생성 속도의 증가로 인하여 성장 속도가 짧아지는 관계로 인하여 입자의 크기가 작아지는 결과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

Fig. 5의 SEM 분석 결과에서와 같이 은(silver) 입자의 크기를 제어하기 위하여 고분자 물질인 Tween 20과 구조는 같으나 분자량이 다른 PVP K15 (분자량 10,000)와 K30 (분자량 40,000)을 이용하여 입자 제조를 하였다. 결과에서 볼 수 있듯이 Tween 20에 비하여 PVP를 고분자 물질로 이용하였을 때 입자간의 분산 상태가 좋으며, 입자의 크기가 작아짐을 볼 수 있으며, 특히 분자량 40,000의 PVP를 사용하였을때 그 크기가 현저히 줄어듬을 볼 수 있다.
SP - # 07, 16, 18을 이용하여 Ag/PET 마스터배치을 제조하였고, 마스터배치내의 은함유량을 측정하였다. Table 4에 은함유량을 나타내었다.
항균성 조사는 KS K 0693 방법에 의해 균감소율을 조사하였으며 사용된 균주는 공시균으로 그람양성세균인 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538)과 그람음성세균인 대장균(Escherichia coli ATCC 25922)을 사용하였다.
Sodium borohydride을 환원제로 사용하고, di-octyl sodium sulfosuccinate을 계면활성제로 사용한 마이크로에멀젼용액에서의 은질산염의 화학적산화에 의한 은나노입자의 제조가 가능한데, 은나노입자의 특징은 단분산형태이고 나노입자이하이다⁹⁾. 헬륨, 질소, 아르곤하에서 ELV-6 전자선가속기 증착에 의한 나노크기의 은입자를 제조하였다¹⁰⁾. 하지만 액상환원법과 알코올환원법에 의해 기능성 섬유방사에 적용가능한 은나노입자특성비교에 관한 연구보고는 보고되지 않고 있다.

이론/모형

4. XRD data of silver nano-particles using liquid phase reduction method.
나노미터 크기의 Ag 입자 형성 유·무 및 과정을 관찰하기 위하여 UV-Vis. spectrophotometer (Shimadzu, UV-1650PC double beam spectrophotometer)를 이용하였다. 각각의 콜로이드는 30 ppm으로 희석한 후 5, 10, 30, 60, 120, 180, 240 min.

성능/효과

또한 알콜환원법에 의한 경우 30 ~ 100nm 의 입자를 얻을 수 있었다. PVP를 고분자 물질로 이용하였을 때 입자간의 분산 상태가 좋으며, 입자의 크기가 작아짐을 관찰할 수 있었다. 이를 이용한 마스터배치의 항균성능은 황색포도상구균과 대장균에 대해 99.
5의 SEM 분석 결과에서와 같이 은(silver) 입자의 크기를 제어하기 위하여 고분자 물질인 Tween 20과 구조는 같으나 분자량이 다른 PVP K15 (분자량 10,000)와 K30 (분자량 40,000)을 이용하여 입자 제조를 하였다. 결과에서 볼 수 있듯이 Tween 20에 비하여 PVP를 고분자 물질로 이용하였을 때 입자간의 분산 상태가 좋으며, 입자의 크기가 작아짐을 볼 수 있으며, 특히 분자량 40,000의 PVP를 사용하였을때 그 크기가 현저히 줄어듬을 볼 수 있다.
5~3으로 각각 변화하였다. 결과에서와 같이 Na₃-citrate의 농도를 높을수록 입자 표면의 electrostatic potential이 낮아져 입자의 크기가 줄어드는 경향을 보이며, 황산철의 농도가 높아질수록 핵생성 속도의 증가로 인하여 성장 속도가 짧아지는 관계로 인하여 입자의 크기가 작아지는 결과를 얻을 수 있었다.
4와 같이 XRD 분석을 시행하였다. 분석 결과에서와 같이 액상 환원법에 의해 제조된 입자는 주요 peak의 2 theta 값이 38.25 (111), 44.35 (200), 64.6 (220), 77.55 (311)으로 나타나 전형적인 은 패턴(pattern)을 보였으며, 은 산화물인 AgO₂나 AgO는 형성 되지 않음을 볼 수 있다.
제조된 마스터배치의 항균성능평가를 위해 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538) 과 그람음성세균인 대장균(Escherichia coli ATCC 25922)을 사용하여 항균성능을 평가하였다(Table 5). 시료 모두에서 99.8 ~ 99.9% 의 항균성능을 보임을 확인할 수 있었다.
SP - #01 ~ SP - # 09은 액상환원법에 의한 시료이고 SP - # 10 ~ SP - # 18까지는 알콜환원법에 의해 제조된 은나노입자시료이다. 액상환원법에 의한 은나노입자의 경우 45 ~ 100nm입자를 얻을 수 있었으며, Na₃-citrate의 농도를 높일수록, 황산철의 농도가 높아질수록 입자의 크기가 작아지는 결과를 확인할 수 있다. 입자형태는 SP - # 01 ~ SP - # 02 경우는 막대(rod)형태 모양이고, SP - # 03, SP - # 07 ~ SP - # 09은 구(spherical)형태의 모양이 확인되었다.
SP - #01 ~ SP - # 09은 액상환원법에 의한 시료이고 SP - # 10 ~ SP - # 18까지는 알콜환원법에 의해 제조된 은나노입자시료이다. 액상환원법에 의한 은나노입자의 경우 45 ~ 100nm입자를 얻을 수 있었으며, Na₃-citrate의 농도를 높일수록, 황산철의 농도가 높아질수록 입자의 크기가 작아지는 결과를 확인할 수 있다. 입자형태는 SP - # 01 ~ SP - # 02 경우는 막대(rod)형태 모양이고, SP - # 03, SP - # 07 ~ SP - # 09은 구(spherical)형태의 모양이 확인되었다.
PVP를 고분자 물질로 이용하였을 때 입자간의 분산 상태가 좋으며, 입자의 크기가 작아짐을 관찰할 수 있었다. 이를 이용한 마스터배치의 항균성능은 황색포도상구균과 대장균에 대해 99.8 ~ 99.9%의 항균성능을 보임을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노 기술이란 무엇인가?	10 억분의 1 (10-9) 미터 수준의 물질 혹은 소자를 다루는 기술인 나노 기술을 재료적인 관점에서 보면 수 내지 수백 개의 원자 혹은 분자로 이루어진 소재를 다루는 기술에 해당되며, 이와 같은 나노 소재 기술은 기존 소재로는 얻을 수 없는 새로운 기능 및 특성들을 나타낼 수 있어 다양한 분야 및 산업에 적용할 수 있는 현대 과학의 최첨단 집적기술이라 할 수 있다. 본 연구에서 고감성, 극세형 PET Filament를 제조하기 위하여 나노미터 크기의 은(silver) 입자 합성이 필요로 한다.
	액상환원법에 의한 은나노입자의 경우, Na3-citrate의 농도를 높일수록, 황산철의 농도가 높아질수록 어떤 결과를 확인할 수 있는가?	액상환원법에 의한 은나노입자의 경우 45 ~100 nm입자를 얻을 수 있었으며, Na3-citrate의 농도를 높일수록, 황산철의 농도가 높아질수록 입자의 크기가 작아지는 결과를 확인할 수 있다. 또한 알콜환원법에 의한 경우 30 ~ 100nm 의 입자를 얻을 수 있었다.
	핵생성과 성장 단계를 거쳐 생성되는 금속 입자의 생성 과정은 무엇인가?	먼저 Pre-nucleation 단계에서는 Pre- nuclears의 농도가 증가하게 되어 첫번째 포화 농도 (saturation concentration)에 도달하게 되고 그 후 임계 과포화 단계에 도달하게 된다. 임계 과포화 단계에 도달한 nuclears 들은 자발적으로 nucleation 을 시작하게 되는데 여기서 입자가 천천히 생성하게 된다. nucleation 속도가 충분히 빠르면 순간적인 핵생성이 이루어져 농도는 self nucleation 단계보다 낮아지게 되는데, 이 조건 하에서 nucleation 단계가 매우 짧아지게 되고 입자가 느리게 생성되는 것처럼 입자로의 성장이 일어난다. 입자의 성장은 단계별로 첨가되는 단분산 입자들이 Ostwald ripening에 의해 입자간의 결합이 일어나거나 primary 입자 간의 coagulation에 의해 성장하게 되어 secondary 입자를 생성하게 된다. 전자의 경우 입자의 모든 성장 과정은 단분산 되어 있는 입자의 고체 표면으로의 확산, 또는 고체 표면에서 빠르게 진행되는 surface nucleation에 의해 결정되며, 입자의 성장 단계는 입자의 크기분포 (size distribution)를 좁게 하는 것과 연관이 있다.

참고문헌 (10)

http://www.springerimages.com/Images/Chemistry/1-10.1007_s00396-007-1679-8-4.
Y. W. Chih and W. T. Cheng, Supercritical Carbon Dioxide-assisted Synthesis of Silver Nano-particles in Polyol Process, Materials Science and Engineering, 145(1-3), 67-75(2007).

상세보기
R. Janardhanan, M. Karuppaiah, N. Hebalkar, and Tata Narsinga Rao, Synthesis and Surface Chemistry of Nano Silver Particles, Polyhedron, 28(12), 2522-2530(2009).

상세보기
P. K. Khanna, N. Singh, D. Kulkarni, S. Deshmukh, S. Charan, and P.V. Adhyapak, Water Based Simple Synthesis of Re-dispersible Silver Nano-particles, Materials Letters, 61(16), 3366-3370(2007).

상세보기
K. D. Kim, D. N. Han, and H. T. Kim, Optimization of Experimental Conditions Based on the Taguchi Robust Design for the Formation of Nano-sized Silver Particles by Chemical Reduction Method, Chemical Engineering Journal, 104(1-3), 55-61(2004).

상세보기
S. Xu, X. Fenga, L. Wanga and Z. Zhua, Silver-Coated Silicon Nano-particles Prepared by Thermal Decomposition, J. of Materials Processing Technology, 209(8), 4080-4083(2009).

상세보기
S. Wei, X. Xu, Y. Liu, and J. Yang, Preparation of Hydrophobic Nano-Silver Colloid and Aqueous Nano-silver Colloid by Phase Transfer, Materials Chemistry and Physics, 126(1-2), 12-15(2011).

상세보기
Y. Liguo and Z. Yanhua, Preparation of Nano-silver Flake by Chemical Reduction Method, Rare Metal Materials and Engineering, 39(3), 401-404(2010).

상세보기
J. N. Solankia and Z. V. P. Murthy, Highly Monodisperse and Sub-nano Silver Particles Synthesis via Microemulsion Technique, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 359(1-3), 31-38(2010).

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A. I. Korchagina, N. K. Kuksanova, A. V. Lavrukhina, S. N. Fadeeva, R. A. Salimova, S. P. Bardakhanovb, V. B. Goncharovc, A. P. Suknevc, E. A. Paukshtisc, T. V. Larinac, V. I. Zaikovskiic, S. V. Bogdanovc and B. S. Bal'zhinimaevc, Production of Silver Nano-powders by Electron Beam Evaporation, Vacuum, 77(4), 485-491(2005).

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표제어: PCR

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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].

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