흡착이 빠르게 일어나는 계층형 다공성 고분자 물질 생산해
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흡착이 빠르게 일어나는 계층형 다공성 고분자 물질 생산해
  • 심혜린 기자
  • 승인 2015.05.19 15:17
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고분자 간 미세상분리 이용해 메조세공 크기 조절… 물질 확산 속도가 빨라 기존 다공성 고분자 물질보다 흡착 효율 높아

우리 학교 나노과학기술대학원 서명은 교수팀이 흡착이 빠르게 일어나는 다공성 고분자 물질* 제작 기술을 개발했다. 연구 결과는 지난 1월 8일 <미국화학학회지(Journal of the American Chemical Society)>에 게재됐다.

다양하게 활용 가능한 다공성 고분자
다공성 고분자 물질은 많은 구멍과 넓은 표면적을 이용해 물질 분리, 저장, 흡착 등에 활용할 수 있다. 다공성 고분자 물질에 있는 구멍을 세공(細空)이라고 부른다. 세공은 지름의 크기에 따라 구분할 수 있다. 세공은 지름이 2nm보다 작은 미세세공(Micropore), 지름이 2nm에서 50nm 사이인 메조세공(Mesopore), 지름이 50nm 이상인 거대세공(Macropore)로 나뉜다.

기존 방법은 빠른 물질전달이 어려워
흡착에는 주로 미세세공을 가진 다공성 고분자 물질이 사용된다. 하지만 미세세공만을 가진 다공성 고분자 물질은 세공 크기가 작아 물질이 흐르기 어렵다. 이에 연구자들은 큰 세공과 작은 세공이 공존하는 계층형 다공성 고분자 물질(Hierarchically porous polymer)을 만들려 시도했다. 이 구조에서는 물질 확산이 쉬워 흡착이 빠르게 일어난다. 계층형 다공성 고분자 물질을 만들기 위해 지금까지 다양한 제작 방법이 시도되었으나, 대부분 세공의 크기를 조절하기 어렵거나 만들어진 세공끼리 연결되지 않아 빠른 물질전달이 어려웠다. 서 교수팀은 중합에 의해 유도되는 미세상분리(Polymerization Induced Microphase Separation, 이하 PIMS)로 이와 같은 단점을 극복했다.

미세상분리 통한 고분자 물질 생성
PIMS는 블록 공중합체 자기조립(Block Copolymer Self-assembly)의 일종이다. 블록 공중합체 자기조립이란 섞이지 않는 두 종류의 고분자를 이용해 규칙적인 나노구조 물질을 만드는 방법이다. 두 고분자의 끝을 서로 연결해 블록 공중합체를 만들면 같은 종류의 고분자끼리 뭉치며 자발적으로 나노구조를 형성하고, 이를 미세상분리라 한다.

메조세공의 크기 조절이 가능해져
서 교수팀은 만들어진 한 고분자의 끝에서 다른 종류의 고분자가 자라며 미세상분리가 일어나게 했다. 연구팀은 PLA(Polylactide) 고분자를 DVB(Divinylbenzene), VBzCl(Vinylbenzyl Chloride) 단량체와 섞어놓고 PLA 사슬 말단에서 DVB와 VBzCl로 이루어진 공중합체를 성장시켰다. 이 과정에서 PLA 고분자들끼리 서로 뭉치며 그물상 나노구조가 만들어진다. 이때 DVB가 고분자의 경화가 빠르게 일어나도록 해 물질이 그물상 구조로 굳는다. 그 후 PLA 고분자를 제거하면 그 자리에 메조세공이 생긴다. PLA는 분자 내 에스터 그룹이 있어 염기성 환경에서 쉽게 제거할 수 있다. 또한, PLA 고분자 크기를 조절해 그물상 구조의 메조세공을 쉽게 원하는 크기로 만들 수 있다.

초가교반응을 이용한 미세세공 생성
미세세공은 VBzCl 고분자의 초가교반응(Hypercrosslinking)으로 만들어진다. VBzCl 고분자 사슬에 있는 방향족 고리들을 탄소 원자 하나를 사이에 두고 연결하는 것이다. 초가교반응이 일어나면 고분자가 단단하게 고정되어 고분자 사슬 사이의 틈이 미세세공으로 바뀐다. 이처럼 PIMS와 초가교반응으로 계층형 다공성 고분자를 만들 수 있다.

이번에 개발된 기술로 만들어지는 다공성 고분자 물질에서는 물질 확산 속도가 빨라 높은 흡착 효과를 보인다. 또한, 계층형 다공성 고분자 물질 생성에서 메조세공의 크기를 조절하는 방법을 개발했다는 점에서 의의를 가진다. 서 교수는 “조절 가능한 세공의 범위를 거대세공까지 확대해 크기가 서로 다른 세공을 한 번에 만들고 제어하는 방법을 찾는 것이 추후 연구 과제다”라고 앞으로의 목표를 밝혔다.

 

다공성 고분자 물질(Porous Polymer)*
nm 수준의 작은 구멍이 많은 고분자 물질 


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