고분자과학과 기술 제 18 권 4 호 2007년 8월 365
1. 연구실 소개
본 고분자 물리화학 연구실은 1988년 설립되었으며, 고분자 물질을 대상으로 한 분석 및 물리화학 연구를 주 연구 분야로 하고 있다. 초 기에는 여러 가지 산란(scattering) 방법을 이용하여 용액 상태에서 고분자의 정적, 동적인 거동의 연구로 출발하였으며, 고분자의 정밀 분 석법에 대한 연구와 고분자 벌크 및 박막 상태에서의 물리 화학적인 현상에 이르기까지 그 범위를 확대하고 있다.
대부분의 합성고분자는 분자량, 화학적 조성, 사슬의 구조 및 크기, 작용기의 종류 및 개수 등의 여러 가지 분자 특성이 불균일한 혼합물 로서, 이들 분자 특성의 분포는 고분자 물질의 최종 물성에 큰 영향을 미치게 된다. 특히 최근 들어 큰 관심의 대상이 되고 있는 기능성 고 분자의 경우, 보다 정밀한 분자특성의 제어가 요구된다. 본 연구실은 이러한 고분자 물질의 분자 특성분석과 분자 단위에서 정밀한 제어를 위해서, 여러 가지 분리/분석법을 발굴하고 활용해서 정밀 분석 방법을 정립하고, 대용량으로 정밀하게 분취할 수 있는 기술로 개발, 발전시 키고 있다. 나아가 이러한 방법을 이용해 정밀 분취된 고분자 물질의 벌크 및 박막 특성에 대한 연구를 병행하고 있다.
2. 연구 분야
2.1 고분자의 정밀 분리 / 분석
합성고분자의 분리/분석 연구는 크기배제 크로마토그래피(size exclusion chromatography, SEC)가 개발된 이후, SEC 분석에 주로 의존 하여 왔다. SEC는 고분자의 사슬크기에(유체역학적 부피) 따라 분리하는 방법으로 다양한 고분자에 활용될 수 있다는 장점이 있다. SEC는 선형 단일 중합체와 같이 사슬의 크기가 분자량과 간단한 상관관계를 가진 경우에는 쉽게 해석이 가능하지만, 공중합체나 비선형 구조 를 가진 고분자와 같은 경우는 사슬크기에 따른 분리만 가지고는 분석에 한계가 있다. 이러한 경우, 원하는 분자 특성에(예를 들어 고분자 의 조성, 사슬 구조 등) 따라 분리할 수 있는 다른 방법이 요구되는데, 그 중에 상호작용 크로마토그래피(interaction chromatography, IC) 와 임계조건 액체 크로마토그래피(liquid chromatography at chromatographic critical condition, LCCC)가 많이 쓰이는 방법이다. 또한 IC를 이용하면 SEC보다 높은 정밀도의 분석이 가능하다. 본 연구실에서는 SEC를 위시해서 IC, LCCC 등의 다양한 분리 방법과 질량분석, 광산란, 점도 측정 등 고분자 물질에 유용한 검출 방법들을 접목해서 종래의 SEC 분석으로는 불가능했던 분자량 분포의 정밀 분석, 곁가지 형 고분자, 고리형 고분자 및 블록공중합체의 정밀 분석, tacticity에 따른 분리, 동위 원소에 따른 분리 등을 성공적으로 수행한 바 있으며, 분리/분석의 효율성 향상과 대용량 분취 방법의 개발에 박차를 가하고 있다.
1대부분의 고분자는 두 가지 이상의 분자 특성 분포를 가지고 있기 때문에 한가지 분리 방법만으로는 정밀한 분자특성 분포의 측정이 불가 능하다. 이러한 경우, 두 가지 이상의 분리 방법을 연계한 분석법이 정밀 분석에 효과적으로 사용될 수 있다. 본 실험실에서는 2차원 액체 크 로마토그래피 분리 장치를 자체 개발해서 여러 가지 고분자 물질의 두 가지 분자특성분포에 대한 2차원 분리/분석을 성공적으로 수행하였다 (그림 2 ). 앞으로 이러한 2차원 분리/분석 방법을 발전시켜 보다 손쉽게 이용할 수 있는 고분자 분석 기술로 정착시키고자 노력하고 있다.
2.2 박막 나노 구조 및 물성 분석
블록공중합체는 나노 크기 수준의 규칙적인 상분리가 일어나는 자기조립 성질로 인해서 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 자기 조립된 미세 구조의 결정 크기는 그 고분자 재료의 분자량 분포와 화학적 조성과 밀접한 관계가 있을 것으로 예측되므로, 블록공중합체가 나노 주형으로 응 용되는데 있어서 그 균일성은 매우 중요하다고 할 수 있다. 최근 고분자 재료의 나노 구조가 응용되는 형태에 있어서 큰 부분을 차지하는 것이 박막 형태이다. 블록공중합체의 박막은 표면유도 배향 효과를 이용하여 특정한 방향으로 배향된 자기조립 결정을 만들 수 있다. 본 연구실에 서는 AFM(atomic force microscopy), TEM(transmission electron microscopy)과 더불어 방사광 가속기를 이용한 GISAXS (grazing incidence small angle X-ray scattering)기술을 이용하여 블록공중합체 박막 내부 구조에 대한 연구를 수행하고 있다. 나아가 본 연구실 에서 개발한 분취 방법을 활용하여, 분자량과 조성 분포를 좁히고 불순물을 제거해서 균일도 측면에서 매우 잘 정의된 고분자 재료를 확보 할 수 있었다. 이렇게 정밀 제어된 블록공중합체는 분취하기 전의 고분자와 비교할 때, 미세상 구조 및 열역학적 상거동이 다름을 확인할 수 있었다(그림 3 ). 이러한 맥락에서 본 연구실에서는 대용량의 균일한 고분자 재료를 확보하는 방법 개발과 고분자의 불균일성이 나노 구조 형성 에 있어서 미치는 영향을 파악하며 이러한 지식을 바탕으로 보다 정밀한 나노 구조 형성에 필요한 기반 기술을 획득하는데 노력하고 있다.
포항공과대학교 고분자 물리화학 연구실
소재지：경상북도 포항시 남구 효자동 산 31번지 (우：790-784) 연구실：포항공과대학교 화학과 고분자 물리화학 연구실
Tel：(054) 279-2787, Fax：(054) 279-3399, Homepage：http://www.postech.ac.kr/chem/poly/
연구실 탐방
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Polymer Science and Technology Vol. 18, No. 4, August 2007
그림 1. 고분자 물리화학연구실 구성원들(동해안 병곡 휴게소,2007. 7. 17).
그림 2. 고분자의 2D-LC 분리와 분석.
그림 3. 분자량 및 화학 조성 분포가 제어된 블록공중합체 나노 구조의 특징.
<포항공과대학교 화학과 교수 장태현, e-mail：[email protected]>
장태현 1975 1975∼1979 1984 1985∼1986 1986∼1988 1988∼현재
서울대학교 화학과 (이학사) 공군사관학교 화학교관
University of Wisconsin 화학과 (이학박사) 미국 표준국 고분자연구부 객원연구원 한국화학연구소 선임연구원 포항공과대학교 화학과 교수
