전이금속 디칼코게나이드(TMD) 나노시트의 액상 박리용 고분자 분산제, TMD-유기고분자 나노복합체, 나노복합체를 포함하는 분산액 그리고 전자소자용 나노복합체 박막
Polymeric dispersing agents for liquid-phase exfoliation of transition metal dichalcogenide nanosheets, nanocomposites of TMD-organic polymer, dispersion containing the nanocomposites, and thin film for electronic devices
특허 요약
본 발명은 벌크 형태의 전이금속 디칼코게나이드(TMD)로부터 이차원 TMD 나노시트를 박리하는 기술에 관한 것으로서, 구체적으로는 액상 박리법을 이용하여 수십 개 이상의 층으로 이루어진 벌크 형태의 TMD를 나노시트 형태의 TMD로 박리하는데 이용되는 고분자 분산제, 상기 고분자 분산제가 TMD 나노시트 표면에 고정되어 있는 TMD-유기고분자 나노복합체, 상기 TMD-유기고분자 나노복합체가 유기용매 중에 분산되어 있는 분산액, 상기 분산액을 코팅하여 제조된 박막, 그리고 상기 박막을 전자소자로 사용하는 용도에 관한 것이다.
청구항
번호청구항
14

제 12 항에 있어서,상기 a)준비단계에서의 TMD는 MA2 (이때, M은 Ti, Zr, V, Nb, Mo, W 또는 Re이고, A는 S, Se 또는 Te이다)로 표시되는 화합물로부터 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체의 제조방법.

15

제 12 항에 있어서,상기 c)분산액을 얻는 단계에서의 에너지 인가는 진동에너지 또는 열에너지를 인가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체의 제조방법.

1

주골격(backbone)은 스티렌 반복단위부, 말레산 무수물 반복단위부 및 피롤-2,5-다이온 반복단위부가 포함되어 있고,상기 주골격에는 아미노(C1-6알킬) 그룹이 측쇄기(pendant group)로서 결합되어 있는 구조를 가지는 유기고분자이며,하기 화학식 1로 표시되는 유기고분자로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 것임을 특징으로 하는 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 나노시트의 액상박리용 고분자 분산제.[화학식 1](상기 화학식 1에서, n은 1 ~ 10의 정수이고, p, q 및 x는 각 반복단위부의 개수비를 나타내는 것으로 p+q=100이고, p 및 q는 각각 20 ~ 80이고, x는 1 ~ 30이다)

2

제 1 항에 있어서,상기 유기고분자의 분자량은 1,000 ~ 3,000 달톤(Da) 범위인 것을 특징으로 하는 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 나노시트의 액상박리용 고분자 분산제.

3

삭제

4

전이금속 디칼코게나이드(TMD) 나노시트 표면에,주골격(backbone)은 스티렌 반복단위부, 말레산 무수물 반복 단위부 및 피롤-2,5-다이온 반복단위부가 포함되어 있고, 상기 주골 격에는 아미노(C1-6알킬) 그룹이 측쇄기(pendant group)로서 결합되어 있는 구조를 가지는 고분자 분산제가 고정되며,상기 고분자 분산제가 하기 화학식 1로 표시되는 화합물로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 유기고분자인 것임을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체.[화학식 1](상기 화학식 1에서, n은 1 ~ 10의 정수이고, p, q 및 x는 각 반복단위부의 개수비를 나타내는 것으로 p+q=100이고, p 및 q는 각각 20 ~ 80이고, x는 1 ~ 30이다)

5

제 4 항에 있어서,상기 고분자 분산제의 분자량은 1,000 ~ 3,000 달톤(Da) 범위인 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체.

6

삭제

7

제 4 항에 있어서,상기 TMD는 MA2 (이때, M은 Ti, Zr, V, Nb, Mo, W 또는 Re이고, A는 S, Se 또는 Te이다)로 표시되는 화합물로부터 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체.

8

제 4 항에 있어서,상기 TMD에 포함된 전이금속과 상기 고분자 분산제의 측쇄기(pendant group)로 결합된 아민 말단기(-NH2)가 루이스형 산-염기 상호작용하여, 상기 TMD 나노시트 표면에 고분자 분산제가 고정된 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체.

9

제 4 항에 있어서,상기 TMD 나노시트는 한 층 또는 수 층으로 이루어지고, 그 두께는 수 나노미터(nm)인 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체.

10

유기용매에, 상기 청구항 제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 9 항 중에서 선택된 어느 한 항의 TMD-유기고분자 나노복합체 1종 또는 2종 이상이 분산되어 있는 TMD 박막 제조용 분산액.

11

제 10 항에 있어서,상기 유기용매는 클로로포름(CHCl3), N,N-다이메틸포름아마이드(DMF) 및 N-메틸피롤리돈(NMP)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 TMD 박막 제조용 분산액.

12

a)유기용매, 벌크 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 및 상기 청구항 제 1 항 내지 제 2 항 중에서 선택된 어느 한 항의 고분자 분산제를 준비하는 단계;b)상기 유기용매에, 상기 벌크 TMD와 상기 고분자 분산제를 첨가하고 혼합하여 소정의 용액을 형성하는 단계;c)상기 용액에 에너지를 인가하여, TMD 나노시트 표면에 상기 고분자 분산제가 고정되어 있는 TMD-유기고분자 나노복합체가 포함된 분산액을 얻는 단계;d)상기 에너지 인가된 분산액을 1차 원심분리하여, 잉여의 벌크 TMD가 포함된 하층액과 TMD-유기고분자 나노복합체가 포함된 상층액으로 분리하는 단계;e)상기 1차 원심분리하여 수득한 상층액을 2차 원심분리하여, 잉여의 고분자 분산제가 포함된 상층액과 TMD-유기고분자 나노복합체가 포함된 하층액으로 분리하는 단계; 및f)상기 2차 원심분리하여 수득한 하층액을 여과 및 건조하여 분말상의 TMD-유기고분자 나노복합체를 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체의 제조방법.

13

제 12 항에 있어서,상기 a)준비단계에서의 유기용매는 클로로포름(CHCl3), 다이메틸포름아마이드(DMF) 및 N-메틸피롤리돈(NMP)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체의 제조방법.

16

제 12 항에 있어서,상기 c)분산액을 얻는 단계에서의 에너지 인가는 초음파를 인가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체의 제조방법.

17

제 12 항에 있어서,상기 c)분산액을 얻는 단계에서, TMD 내의 전이금속과 고분자 분산제에 결합된 아민 말단기(-NH2)가 루이스형 산-염기 상호작용하여 TMD 층간으로 고분자 분산제가 삽입 및 고정되고, TMD 층간에 삽입 및 고정된 고분자 분산제에 의해 TMD 층이 박리됨으로써 형성된, TMD-유기고분자 나노복합체가 분산액 중에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체의 제조방법.

18

제 12 항에 있어서,상기 c)분산액을 얻는 단계에서의 TMD 나노시트는 한 층 또는 수 층으로 이루어지고, 그 두께는 수 나노미터(nm) 인 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체의 제조방법.

19

a)유기용매, 벌크 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 및 상기 청구항 제 1 항 내지 제 2 항 중에서 선택된 어느 한 항의 고분자 분산제를 준비하는 단계;b)상기 유기용매에, 상기 벌크 TMD와 상기 고분자 분산제를 첨가하고 혼합하여 소정의 용액을 형성하는 단계;c)상기 용액에 에너지를 인가하여, TMD 나노시트 표면에 상기 고분자 분산제가 고정되어 있는 TMD-유기고분자 나노복합체가 포함된 분산액을 얻는 단계;d)상기 에너지 인가된 분산액을 1차 원심분리하여, 잉여의 벌크 TMD가 포함된 하층액과 TMD-유기고분자 나노복합체가 포함된 상층액으로 분리하는 단계;e)상기 1차 원심분리하여 수득한 상층액을 2차 원심분리하여, 잉여의 고분자 분산제가 포함된 상층액과 TMD-유기고분자 나노복합체가 포함된 하층액으로 분리하는 단계;f)상기 2차 원심분리하여 수득한 하층액을 여과 및 건조하여 분말상의 TMD-유기고분자 나노복합체를 수득하는 단계;g)상기 분말상의 TMD-유기고분자 나노복합체 1 종 또는 2종 이상을 유기용매에 분산시키는 단계; 및h)상기 TMD-유기고분자 나노복합체가 분산된 분산액을 용액-기반 필름 제작공정에 적용하여 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 TMD-유기고분자 나노복합체 박막의 제조방법.

20

제 19 항에 있어서,상기 a)준비단계에서의 유기용매는 클로로포름(CHCl3), 다이메틸포름아마이드(DMF) 및 N-메틸피롤리돈(NMP)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체 박막의 제조방법.

21

제 19 항에 있어서,상기 a)준비단계에서의 TMD는 MA2 (이때, M은 Ti, Zr, V, Nb, Mo, W 또는 Re이고, A는 S, Se 또는 Te이다)로 표시되는 화합물로부터 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체 박막의 제조방법.

22

제 19 항에 있어서,상기 c)분산액을 얻는 단계에서의 에너지 인가는 진동에너지 또는 열에너지를 인가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체 박막의 제조방법.

23

제 19 항에 있어서,상기 c)분산액을 얻는 단계에서의 에너지 인가는 초음파를 인가하여 수행하는 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체 박막의 제조방법.

24

제 19 항에 있어서,상기 c)분산액을 얻는 단계에서, TMD 내의 전이금속과 고분자 분산제에 결합된 아민 말단기(-NH2)가 루이스형 산-염기 상호작용하여 TMD 층간으로 고분자 분산제가 삽입 및 고정되고, TMD 층간에 삽입 및 고정된 고분자 분산제에 의해 TMD 층이 박리됨으로써 형성된, TMD-유기고분자 나노복합체가 분산액 중에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체 박막의 제조방법.

25

제 19 항에 있어서,상기 c)분산액을 얻는 단계에서의 TMD 나노시트는 한 층 또는 수 층으로 이루어지고, 그 두께는 수 나노미터(nm) 인 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체의 제조방법.

26

제 19 항에 있어서,상기 g)나노복합체를 분산하는 단계에서의 유기용매는 클로로포름(CHCl3), N,N-다이메틸포름아마이드(DMF) 및 N-메틸피롤리돈(NMP)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체 박막의 제조방법.

27

제 19 항에 있어서,상기 h)박막을 형성하는 단계는 스핀 코팅, 침지 코팅 및 층간 조립(layer-by-layer assembly)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용액-기반 필름 제작공정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 TMD-유기고분자 나노복합체 박막의 제조방법.

28

삭제

29

제 4 항의 TMD-유기고분자 나노복합체를 포함하는 전자 소자.

30

제 29 항에 있어서,상기 전자 소자는 전계효과 트랜지스터(FET), 태양전지(OPVs), 발광소자(LEDs), 에너지 저장 소자(Energy storage devices)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전자 소자.

31

제 4 항의 TMD-유기고분자 나노복합체를 포함하는 광 검출기(band tunable photo-detector).