[논문]환원력이 다른 폴리올을 이용한 은 나노입자의 제조 및 특성 고찰

박한나; 김민희; 박원호

doi:10.12772/tse.2015.52.185

환원력이 다른 폴리올을 이용한 은 나노입자의 제조 및 특성 고찰
Preparation and Characterization of Silver Nanoparticles by Polyols at Different Reduction Rates

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.52 no.3, 2015년, pp.185 - 192

박한나 (충남대학교 공과대학 유기소재.섬유시스템공학과) , 김민희 (충남대학교 공과대학 유기소재.섬유시스템공학과) , 박원호 (충남대학교 공과대학 유기소재.섬유시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, silver particles were prepared using two polyols at different reduction rates under controlled experimental conditions. Isosorbide was employed as a novel polyol reductant for silver particles, and its reduction rate in the polyol process was compared with ethylene glycol (EG). When the isosorbide reductant was used in the polyol process, silver particles could be formed. However, the reduction rate of isosorbide was slower than that of EG, and the resultant silver particles thus had anisotropic shapes. Additionally, the size of silver particles was dependent on the presence and amount of the PVP stabilizer. Therefore, the shape and size of silver particles were mainly affected by the reduction rate and stabilizer, respectively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구에서는 은 나노입자의 형태 조절이 용이한 합성방법으로 알려진 폴리올 공정을 사용하여 폴리올 성분으로주로 사용되는 에틸렌글리콜 대신에 천연 물질로부터 얻을 수 있는 새로운 이소소바이드를 폴리올 성분으로 사용하여은 나노입자의 형성거동을 살펴보았다. 반응과정에서의 용매와 PVP 유무 및 PVP 농도에 대한 영향을 알아보기 위하여 5종류의 반응조건을 설정하여 실험을 진행하였다.
이렇게 생성된 이소소바이드는 견고한 골격의 화학구조를 가지고 있으며 인체에 대한 독성이 적고 생분해성을 가진다. 본 연구에서는 이러한 특징을 가진 이소소바이드를 은 나노입자 형성을 위한 용매로 사용하여 폴리올로 많이 사용되는 EG와 비교하여 보았다. 또한 안정제인 PVP의 첨가 유무와 농도에 따른 영향을 검토하였다.
본 연구에서는 폴리올로 많이 사용되는 EG 대신에 이소소바이드(isosorbide)를 용매로 사용하여 은 나노입자 형성거동을 살펴보고자 하였다. 이소소바이드는 셀룰로스로부터 얻은 단당류 화합물인 글루코오스의 말단에 있는 알데히드기가 환원반응을 거치면 솔비톨이 생성되는데, 이렇게 생성된 솔비톨에 탈수반응을 진행시켜 생성된 것이다.
앞서 다른 두 용매에 PVP를 주입했을 때의 결과에서 이소소바이드를 용매로 사용하였을 때 다각형이 생성되었는데, 이에 대한 해석은 여기서 더 자세히 설명하고자 한다. Figure 10은 높은 PVP 주입량 조건에서 각각 5, 9, 24시간 이후에 얻어진 은 입자에 대한 SEM 이미지이다.

제안 방법

본 연구에서는 이러한 특징을 가진 이소소바이드를 은 나노입자 형성을 위한 용매로 사용하여 폴리올로 많이 사용되는 EG와 비교하여 보았다. 또한 안정제인 PVP의 첨가 유무와 농도에 따른 영향을 검토하였다.
본 연구에서는 은 나노입자의 형태 조절이 용이한 합성방법으로 알려진 폴리올 공정을 사용하여 폴리올 성분으로주로 사용되는 에틸렌글리콜 대신에 천연 물질로부터 얻을 수 있는 새로운 이소소바이드를 폴리올 성분으로 사용하여은 나노입자의 형성거동을 살펴보았다. 반응과정에서의 용매와 PVP 유무 및 PVP 농도에 대한 영향을 알아보기 위하여 5종류의 반응조건을 설정하여 실험을 진행하였다. 그 결과 용매가 이소소바이드일 때에도 은 입자가 생성됨을 확인하였고, 에틸렌글리콜 보다 이소소바이드를 용매로 사용하였을 때 환원속도가 느리다는 사실을 확인하였다.
이 방법을 이용한 은 이온의 환원에는 폴리올로 주로 EG가 사용되고 있다. 본 연구에서는 EG 대신에 이소소바이드를 폴리올 성분으로 사용하여 실험을 진행하였다. 실험 결과 이소소바이드를 폴리올 성분으로 사용한 경우에도 은 입자가 생성됨을 확인하였다.
삼구 플라스크에 용매를 넣고 오일수조에서 일정 온도하에 4시간 동안 예열하였다. 그 이후에 용매에 AgNO₃를 혼합한 용액을 삼구 플라스크에 주입하고 1분 30초 후에 용매에 PVP를 혼합한 용액을 주입하였다.
은 나노입자의 형성거동을 확인하기 위해서 UV-Vis 분광광도계(SHIMADZU, UV-2450)를 사용하여 파장에 따른 흡광도의 변화를 관찰하였다. 생성된 입자가 은 입자임을 확인하기 위하여 Energy Dispersive Spectroscopy(EDS) (OXFORD, INCA X-act)를 사용하였고, 생성된 입자의 형태와 크기를 확인하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) (HITACHI, S-4800)을 사용하였다.
이는 PVP가 가지고 있는 삼차 아미드기에 의한 작용이며 은 나노입자의 결정면 중 {100}면과 상호작용을 한다고 보고되었다. 이러한 작용을 하는 PVP가 용매가 달라질 경우에는 어떤 작용을 하는지 알아보기 위하여 같은 몰수의 PVP를 EG 및 이소소바이드에 주입하여 반응을 진행하였다. 그 결과 용매가 이소소바이드인 경우에는 평균 100 nm의 다각형이 생성되었고, EG인 경우에는 평균 10 μm의 막대 모양의 입자가 생성됨을 확인하였다(Figure 2).

대상 데이터

삼구 플라스크에 용매를 넣고 오일수조에서 일정 온도하에 4시간 동안 예열하였다. 그 이후에 용매에 AgNO₃를 혼합한 용액을 삼구 플라스크에 주입하고 1분 30초 후에 용매에 PVP를 혼합한 용액을 주입하였다. PVP가 첨가되지 않는 경우에는 용매만 주입하였다.
용매와 환원제의 역할을 하는 이소소바이드(순도, 98%), 에틸렌글리콜(순도, 99.8%)과 안정제 역할을 하는 PVP (M_w=55,000 g/mol)는 알드리치에서 구입하여 사용하였다. 은의 전구체인 AgNO₃(순도, 99.
8%)과 안정제 역할을 하는 PVP (M_w=55,000 g/mol)는 알드리치에서 구입하여 사용하였다. 은의 전구체인 AgNO₃(순도, 99.9%)는 Kojima Chemicals사에서 구입하였다.

이론/모형

은 나노입자의 형성거동을 확인하기 위해서 UV-Vis 분광광도계(SHIMADZU, UV-2450)를 사용하여 파장에 따른 흡광도의 변화를 관찰하였다. 생성된 입자가 은 입자임을 확인하기 위하여 Energy Dispersive Spectroscopy(EDS) (OXFORD, INCA X-act)를 사용하였고, 생성된 입자의 형태와 크기를 확인하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) (HITACHI, S-4800)을 사용하였다.

성능/효과

그 결과 용매가 이소소바이드인 경우에는 평균 100 nm의 다각형이 생성되었고, EG인 경우에는 평균 10 μm의 막대 모양의 입자가 생성됨을 확인하였다(Figure 2).
반응과정에서의 용매와 PVP 유무 및 PVP 농도에 대한 영향을 알아보기 위하여 5종류의 반응조건을 설정하여 실험을 진행하였다. 그 결과 용매가 이소소바이드일 때에도 은 입자가 생성됨을 확인하였고, 에틸렌글리콜 보다 이소소바이드를 용매로 사용하였을 때 환원속도가 느리다는 사실을 확인하였다. 용매의 환원속도가 느리면 입자의 형성은 속도론적 지배를 받게 되고 이로 인해 주로 이방성 입자가 생성되었다.
Figure 10(d)는 생성된 입자의 모양에 따른 갯수를 그래프로 나타낸 것이다. 그래프에서 알 수 있듯이 평판형 모양의 입자 갯수는 크게 변하지 않았고 무정형 모양의 입자 갯수는 24시간에서 급감했으며 10, 20각형 모양의 입자 개수는 24시간에서 눈에 띄게 증가함을 알 수가 있다. 이 결과로 보아 10각, 20각 형태의 입체형 입자가 5시간 이후로 서서히 생성되었다는 것을 알 수 있다.
두 시료의 UV 스펙트럼은 약 450 nm의 위치에서 최대 흡수 피크를 나타내었고 SEM 이미지에서도 모두 다각형의 형태를 관찰할 수 있다(Figure 9). 다만 생성된 입자의 크기를 비교해 보면 PVP의 주입량이 적을 경우, 평균 입자크기가 100 nm이고 주입량이 3.5배 많을 경우는 160 nm로 PVP를 더 많이 주입함으로써 좀더 큰 입자가 생성됨을 확인하였다. 또한, 주입량이 3.
5배로 하여 반응시킨 결과이다. 두 시료의 UV 스펙트럼은 약 450 nm의 위치에서 최대 흡수 피크를 나타내었고 SEM 이미지에서도 모두 다각형의 형태를 관찰할 수 있다(Figure 9). 다만 생성된 입자의 크기를 비교해 보면 PVP의 주입량이 적을 경우, 평균 입자크기가 100 nm이고 주입량이 3.
Figure 1은 EG와 이소소바이드를 사용하여 24시간 동안 반응시켜 얻어진 은 나노입자의 SEM 이미지 및 EDS 결과이다. 두 용매 모두에서 은 나노입자가 형성된 것을 확인하였으며, 그 모양은 불규칙한 형태를 보였다. 이 생성된 입자를 EDS를 이용하여 성분분석을 한 결과, 두 입자 모두 은 나노입자임을 확인하였다.
이 fade out 현상은 입자의 수가 많아지거나 커지면서 일어나는 현상으로 알려져 있어 fade out 현상이 더 빠른 시간에 일어났다는 것은 환원이 더 빠르게 일어났음을 의미한다. 따라서, 두 가지의 용매를 사용하여 반응시간에 따른 용액의 색상변화를 관찰한 결과, 이소소바이드가 EG 보다 환원속도가 느림을 알 수 있었다.
막대의 굵기로 비교해도 막대의 굵기가 평균 400 nm로 이소소바이드에 비해 더 빠른 속도로 성장함을 확인할 수 있다(Figure 6(e), (f)). 따라서, 시간에 따른 색상변화와 입자크기를 비교한 결과, 이소소바이드가 EG에 비해 환원속도가 느림을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 EG 대신에 이소소바이드를 폴리올 성분으로 사용하여 실험을 진행하였다. 실험 결과 이소소바이드를 폴리올 성분으로 사용한 경우에도 은 입자가 생성됨을 확인하였다. Figure 1은 EG와 이소소바이드를 사용하여 24시간 동안 반응시켜 얻어진 은 나노입자의 SEM 이미지 및 EDS 결과이다.
그래프에서 알 수 있듯이 평판형 모양의 입자 갯수는 크게 변하지 않았고 무정형 모양의 입자 갯수는 24시간에서 급감했으며 10, 20각형 모양의 입자 개수는 24시간에서 눈에 띄게 증가함을 알 수가 있다. 이 결과로 보아 10각, 20각 형태의 입체형 입자가 5시간 이후로 서서히 생성되었다는 것을 알 수 있다. 이는 일정 반응시간이 지나면 등방성 나노입자의 활성화 에너지가 이방성 나노입자보다 작아지게 된다.
두 용매 모두에서 은 나노입자가 형성된 것을 확인하였으며, 그 모양은 불규칙한 형태를 보였다. 이 생성된 입자를 EDS를 이용하여 성분분석을 한 결과, 두 입자 모두 은 나노입자임을 확인하였다. 이는 보통-OH기를 가진 화합물은 비공유전자쌍에 의해 은 이온을 환원시킬 수 있다고 알려져 있기 때문에 EG와 마찬가지로 이소소바이드가 가진 -OH 기가 은 이온을 환원시켰을 것으로 추정된다[8].
용매의 환원속도가 느리면 입자의 형성은 속도론적 지배를 받게 되고 이로 인해 주로 이방성 입자가 생성되었다. 이와 같이 폴리올 성분의 환원속도에 따라서 생성되는 은 입자의 형태가 달라지며 안정제인 PVP 농도에 따라서도 생성된 입자의 크기가 변하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	은의 장점은?	은(Ag, silver)은 회백색의 광택이 있는 금속이며, 전성과 연성이 우수하여 매우 얇은 은박으로 만들어질 수 있다. 또한 열과 전기를 잘 전달할 수 있고, 가공성과 기계적 성질, 촉매능, 항균성 등이 매우 우수하다. 특히 항균성은 은의 대표적인 성질로 650가지 이상의 세균에 효과적으로 작용하는 것으로 알려져 있으며, 이는 은이 나노입자를 형성하였을 때 그 효과가 더 뛰어나다.
	은이란?	은(Ag, silver)은 회백색의 광택이 있는 금속이며, 전성과 연성이 우수하여 매우 얇은 은박으로 만들어질 수 있다. 또한 열과 전기를 잘 전달할 수 있고, 가공성과 기계적 성질, 촉매능, 항균성 등이 매우 우수하다.
	은 나노입자를 합성하는 방법은?	은 나노입자는 뛰어난 광학특성, 전기전도성, 자성, 촉매능, 항균성 및 열적 성질 등으로 인해 촉매, 센서, 의료, 전자 등의 분야에서 이미 널리 응용되고 있다. 이러한 은 나노입자를 합성하는 방법으로는 화학적 환원, 전기 및 초음파를 이용한 환원, 마이크로파 환원, 조사 환원 등이 있다. 합성된 은 나노입자는 크기, 형태, 결정성에 따라 성질이 달라지며, 이에 따라 UVvis, SERS, X-선 광전자분광법(XPS), X-선 회절분석(XRD)과 같은 광학적 성질 또한 달라진다[1,2].

참고문헌 (17)

A. A. Ashkarran, S. Estakhri, M. R. H. Nezhad, and S. Eshghi, "Controlling the Geometry of Silver Nanostructures for Biological Applications", J. Phys. Procedia, 2013, 40, 76-83.

상세보기
V. S. Tiwari, T. Oleg, G. K. Darbha, W. Hardy, J. P. Singh, and P. C. Ray, "Non-resonance SERS Effects of Silver Colloids with Different Shapes", J. Chem. Phys. Lett., 2007, 446, 77-82.

상세보기
B. Wiley, Y. Sun, and Y. Xia, "Synthesis of Silver Nanostructures with Controlled Shapes and Properties", J. Acc. Chem. Res., 2007, 40, 1067-1076.

상세보기
R. Jin, Y. Cao, C. A. Mirkin, K. L. Kelly, G. C. Schatz, and J. G. Zheng, "Photoinduced Conversion of Silver Nanospheres to Nanoprisms", J. Science, 2001, 294, 1901-1903.

상세보기
Y. Zhang, P. Yang, and L. Zhang, "Ag Nanostructures with Various Shapes Created Through Degradation of Rods", J. Mater. Chem. Phys., 2013, 138, 767-772.

상세보기
S. H. Im, Y. T. Lee, B. Wiley, and Y. Xia, "Largescale Synthesis of Silver Nanocubes: The Role of HCl in Promoting Cube Perfection and Monodispersity", J. Angew Chem., 2005, 117, 2192-2195.

상세보기
J. J. Zhu, C. X. Kan, J. G. Wan, M. Han, and G. H. Wang, "High-yield Synthesis of Uniform Ag Nanowires with High Aspect Ratios by Introducing the Long-chain PVP in an Improved Polyol Process", J. Nanomater, 2011, 2011, 40.
K. S. Chou and C. Y. Ren, "Synthesis of Nanosized Silver Particles by Chemical Reduction Method", J. Mater. Chem. Phys., 2000, 64, 241-246.

상세보기
Z. Zhang, B. Zhao, and L. Hu, "PVP Protective Mechanism of Ultrafine Silver Powder Synthesized by Chemical Reduction Processes", J. Solid State Chem., 1996, 121, 105-110.

상세보기
P. S. Mdluli, N. M. Sosibo, P. N. Mashazi, T. Nyokong, R. T. Tshikhudo, A. Skepu, and E. Van Der Lingen, "Selective Adsorption of PVP on the Surface of Silver Nanoparticles: A Molecular Dynamics Study", J. Mol. Struct., 2011, 1004, 131-137.

상세보기
Y. Tang, W. He, G. Zhou, S. Wang, X. Yang, Z. Tao, and J. Zhou, "A New Approach Causing the Patterns Fabricated by Silver Nanoparticles to be Conductive Without Sintering", Nanotechnology, 2012, 23, 355304(6pp).

상세보기
Y. Xiong, I. Washio, J. Chen, H. Cai, Z. Y. Li, and Y. Xia, "Poly (vinyl pyrrolidone): A Dual Functional Reductant and Stabilizer for the Facile Synthesis of Noble Metal Nanoplates in Aqueous Solutions", J. Langmuir, 2006, 22, 8563-8570.

상세보기
Y. Sun, B. Gates, B. Mayers, and Y. Xia, "Crystalline Silver Nanowires by Soft Solution Processing", Nano Letters, 2002, 2, 165-168.

상세보기
D. Chen and L. Gao, "Large-scale Growth and End-to-end Assembly of Silver Nanorods by PVP-directed Polyol Process", J. Cryst Growth, 2004, 264, 216-222.

상세보기
C. Jia, P. Yang, and A. Zhang, "Glycerol and Ethylene Glycol Co-mediated Synthesis of Uniform Multiple Crystalline Silver Nanowires", J. Mater Chem. Phys., 2014, 143, 794-800.

상세보기
B. Khodashenas and H. R. Ghorbani, "Synthesis of Silver Nanoparticles with Different Shapes", Arabian Journal of Chemistry, 2015, In press.
S. Coskun, B. Aksoy, and H. E. Unalan, "Polyol Synthesis of Silver Nanowires: An Extensive Parametric Study", Crystal Growth & Design, 2011, 11, 4963-4969.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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

연합인증