[논문]양자성, 비양자성 이온성 액체와 새롭게 합성된 낮은 밴드갭을 갖는 고분자와의 상호작용에 의한 전기적,광학적 특성 연구

김중일; 김인태

doi:10.12925/jkocs.2013.30.3.461

[국내논문] 양자성, 비양자성 이온성 액체와 새롭게 합성된 낮은 밴드갭을 갖는 고분자와의 상호작용에 의한 전기적,광학적 특성 연구
Electrical and Optical Properties of Newly Synthesised Low Bandgap Polymer with Protic and Aprotic Ionic Liquids 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.30 no.3, 2013년, pp.461 - 471

Abstract ▼ AI-Helper

Use of low bandgap polymers is the most suitable way to harvest a broader spectrum of solar radiations for solar cells. But, still there is lack of most efficient low bandgap polymer. In order to solve this problem, we have synthesised a new low bandgap polymer and investigated its interaction with the ILs to enhance its conductivity. ILs may undergo almost unlimited structural variations; these structural variations have attracted extensive attention in polymer studies. In addition to this, UV-Vis spectroscopy, confocal Raman spectroscopy and FT-IR spectroscopy results have revealed that all studied ILs (tributylmethylammonium methyl sulfate [$N_{1444}$][$MeSO_4$] from ammonium family) and 1-methylimidazolium chloride ([MIM]Cl, and 1-butyl-3-methylimidazolium chloride [Bmim]Cl from imidazolium family) has potential to interact with polymer. Further, protic ILs shows enhanced conductivity than aprotic ILs with low bandgap polymer. This study provides the combined effect of low bandgap polymer and ILs that may generate many theoretical and experimental opportunities.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

우리는 UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy, FT-IR spectroscopy을 통해 ILs와 전도성 고분자사이의 상호작용을 연구하였다. 또한 우리는 이온성 액체의 유무에 따른 차이를 연구하였다.
이러한 모든 shift들은 ammonium, imidazolium 의 양자성,비양자성 모두 전도성 고분자와 강하게 상호작용을 일으키고, 고분자의 성질을 변화시킨다는 것을 보여준다. 이와 더불어 우리는 또한 FT-IR spectroscopy과 이론적 연구를 통해서 위에서 언급한 상호작용을 연구했다.

제안 방법

하지만 이러한 방식은 문제점이 존재한다. 그래서 본 연구진은 ILs를 이용하여 전도도를 증가시키는 실험을 진행하였다. 이유는 ILs와 전도성 고분자 사이의 상호작용이 진행됨을 실험적, 이론적결과를 통해 확인함으로써 전도도 증가에 대한 가능성을 보았기 때문이다.
8 mA/cm²라는 결과로 부터[41] 이 효율을 증가시키기 위하여 이온성 액체(ILs)와 전도성 고분자인 PHVTT와의 상호작용 연구를 진행하였다. 우리는 UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy, FT-IR spectroscopy을 통해 ILs와 전도성 고분자사이의 상호작용을 연구하였다. 또한 우리는 이온성 액체의 유무에 따른 차이를 연구하였다.
우리의 많은 실험적 자료를 토대로 양자성,비양자성 ILs와 새롭게 합성된 낮은 밴드갭을 갖는 전도성 고분자 사이의 상호작용을 UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy, FT-IR spectroscopy을 이용하여 설명하였다. 우리는 양자성 imidazolium IL이 비양자성 ILs에 비해 수소 결합하려는 경향이 더 높다는 것을 확인하였다.
하지만 대부분의 전도성 고분자들은 제한된 범위의 태양광 스펙트럼의 흡수 또는 상대적으로 낮은 전하 이동도를 갖고 있다[51-55]. 이러한 문제를 해결하기 위해 이 연구에서 stille reaction을 사용하여 낮은 밴드갭을 갖는 전도성 고분자를 합성하였다. 여기에 추가적으로 ammonium, imidazolium을 기반으로 한 ILs 와 전도성 고분자 사이의 상호작용을 알아냈고, 이로 인해 전도도가 증가한다는 것을 확인하였다.
합성된 고분자는 Jeol MSL 300 spectrometer를 이용하여 ¹H NMR 과 ¹³C NMR spectra를 확인하였다. Gel permeation chromatography(GPC)의 경우 폴리스티렌 표준 용액을 기준으로 하여 THF에 녹여 측정하였다.

대상 데이터

02 nm 이다. FT-IR은 Bomem MB Series MB100을 사용하였다. 고분자와 이온성액체 혼합물의 Raman spectra는 현미경(100x)을 사용하여 입사 레이저 선속을 샘플에 집중시켰다.
고분자와 이온성 액체의 합성에 이용되는 시료들은 시그마 알드리치(미국)에서 공급받았으며, 추가적인 정제 없이 사용하였다. [MIM]Cl(1imethyl imidazolium chloride) 역시 시그마 알드리치에서 주문하였으며, 매우 높은 순도를 지녔기에 추가적인 정제 없이 사용하였다.
산란된 빛은 같은 대물렌즈에서 수집된 후 charge-coupled-device array detector에서 검출되었다. 전기 전도도 측정은 4회로 기판 장치를 이용하였다. 고분자 필름의 두께는 Alpha-Step profilometer로 측정되었다.

이론/모형

전기 전도도 측정은 4회로 기판 장치를 이용하였다. 고분자 필름의 두께는 Alpha-Step profilometer로 측정되었다.
상호작용을 설명하기 위해서, 우리는 공간적인 분해능의 이점을 얻을 수 있는 confocial microscope를 사용한 confocal Raman spectroscopy를 활용하였다[56]. Confocial scanning laser microscopy를 사용하여 침투되는 외부 요인을 제거하고 분자의 진동에너지를 효과적으로 모니터링할 수 있는 이점을 갖고 있다[56].
이러한 UV-vis spectroscopy 결과들은 양자성, 비양자성 이온성 액체 둘다 고분자 표면과 상호작용이 잘 이루어지고 있음을 보여준다. 이러한 상호작용을 뒷받침하기 위해서 confocal Raman spectroscopy를 사용하였다.

성능/효과

이때 색이 급격하게 어두워지며 용액은 전체적으로 보라색 빛이 약간 도는 검은 색을 띤다. 72시간가량 교반시키면 색 변화는 더 이상 일어나지 않으며, 반응이 거의 종결되었음을 TLC를 통해서도 확인할 수 있다. 반응이 완결되면 고분자의 끝부분에 남은 Br과 Sn을 제거 해주기 위해 2-tributylstannylthiophene과 2-bromothiophene을 1시간 간격으로 첨가해 준다.
그리고 양자성 IL인[MIM]Cl과 혼합하였을 경우 본 실험에서 가장 높은 2.6 × 10-5 Scm-1의 전도도를 보였다.
이러한 흡수 밴드의 shift는[N1444][MeSO₄]와의 상호작용에 의하여 변화한 것이다. 또한 양자성 IL인 [MIM]Cl의 경우에서도 알킬 체인은 2622,2971 cm^-1, C=C 결합은 1551, 1584 cm^-1 로 변화되었으며 비양자성 IL 인 [BMIM]Cl과 상호작용을 진행한 후에는 알킬체인이 2873,
2961 cm^-1, C=C 결합은 1465, 1572 cm^-1로 변화되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 전도성 고분자와 ILs 사이의 상호작용에 의한 것으로 확인하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해 이 연구에서 stille reaction을 사용하여 낮은 밴드갭을 갖는 전도성 고분자를 합성하였다. 여기에 추가적으로 ammonium, imidazolium을 기반으로 한 ILs 와 전도성 고분자 사이의 상호작용을 알아냈고, 이로 인해 전도도가 증가한다는 것을 확인하였다.
우리의 많은 실험적 자료를 토대로 양자성,비양자성 ILs와 새롭게 합성된 낮은 밴드갭을 갖는 전도성 고분자 사이의 상호작용을 UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy, FT-IR spectroscopy을 이용하여 설명하였다. 우리는 양자성 imidazolium IL이 비양자성 ILs에 비해 수소 결합하려는 경향이 더 높다는 것을 확인하였다. 양자성과 비교하여 전도도가 증가되는 정도는 낮지만, 비양자성 ILs 역시 좋은 전도도 증가제로 활용할 수 있다.
이러한 영향은 경쟁적으로 수소 결합에 의해 분자간 오버랩이 길어지며 활성화 에너지를 감소시키는 효과를 나타낸다. 이러한 결과를 통해 수소 결합에 의한 상호작용이 전도도 증가에 상당히 기여한다는 것을 알 수 있었다.

후속연구

양자성과 비교하여 전도도가 증가되는 정도는 낮지만, 비양자성 ILs 역시 좋은 전도도 증가제로 활용할 수 있다. 이러한 결과는 낮은 밴드갭을 갖는 전도성 고분자 연구 분야에서 매우 유용하며, 광학적 소자 성능 증가에 도움을 줄 것이다.
특히 물리화학적 특성은 양이온과 음이온의 구조와 특성에 매우 민감하다[14,15,17]. 이러한 특징 (높은 전도도, 넓은 전기화학적 통로, 높은 화학적, 열적 안정성)은 고분자와 IL의 혼합물의 사용과 특성 연구에 도움을 줄 것이다. Homopolymer[28], copolymer[29], crosslinked polymer[30], block copolymers [31-36]와 IL 혼합물에서 전도도가 증가되는 고분자가 많이 발견되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ILs의 물리화학적 특성 중 어떤 것이 혼합물의 사용특성 연구에 도움을 줄 것인가?	특히 물리화학적 특성은 양이온과 음이온의 구조와 특성에 매우 민감하다[14,15,17]. 이러한 특징 (높은 전도도, 넓은 전기화학적 통로, 높은 화학적, 열적 안정성)은 고분자와 IL의 혼합물의 사용과 특성 연구에 도움을 줄 것이다. Homopolymer[28], copolymer[29], crosslinked polymer[30], block copolymers [31-36]와 IL 혼합물에서 전도도가 증가되는 고분자가 많이 발견되었다.
	전도성 고분자와 이온성 액체(ILs)간의 상호작용 연구 중 어떤 것이 주목받고 있는가?	현대 연구에 있어 전도성 고분자와 이온성 액체(ILs)간의 상호작용 연구[1-10]는 특히, 염료 감응 태양전지[11], Supercapacitors[12], 리튬 이온 전지[13], 연료 전지[14]를 고체상태 고분자전해질로 대체하려는 분야에서 주목받고 있다. ILs 는 유기물 또는 무기물과 약하게 배위되어 상호작용을 일으킨다[15-18].
	ILs의 특징은 무엇인가?	현대 연구에 있어 전도성 고분자와 이온성 액체(ILs)간의 상호작용 연구[1-10]는 특히, 염료 감응 태양전지[11], Supercapacitors[12], 리튬 이온 전지[13], 연료 전지[14]를 고체상태 고분자전해질로 대체하려는 분야에서 주목받고 있다. ILs 는 유기물 또는 무기물과 약하게 배위되어 상호작용을 일으킨다[15-18]. ILs의 잠재적인 활용성과 응용성은 관련된 모든 분야에서 급격히 증가해오고 있다[19-27].

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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].

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