신규 이성분 용매를 사용한 고전도도 폴리티오펜의 화학적 합성

Abstract

Unsubstituted Polythiophene (PT)를 용이한 화학적 산화 중합을 통해 합성하였다. 중합 과정에서 최적의 합성 조건을 찾기 위해 중합 용매의 종류, 단량체와 산화제의 몰 비율, 중합 시간, 반응 온도를 변화시켜 생성된 PT 샘플의 전기 전도도와 중합 수율을 관찰하였다. 그 중 최적의 용매라고 판단되는 메틸렌 클로라이드와 아세토니트릴을 부피비 2:1로 혼합한 신규 이성분 용매 하에서 높은 전도도를 갖는 PT가 성공적으로 합성되었다. 전기 전도도는 중합 용매의 특성에 크게 의존하였는데, 이성분 유기 용매 하에서 생성한 PT의 경우 전기 전도도가 현저히 증가한 반면, 중합 용매 중에 물이 존재할 경우, 부반응이 필연적으로 발생하여 컨쥬게이티드 구조가 파괴되고 전도도가 급격히 낮아지게 된다는 사실을 발견하였다. SEM과 TEM 분석을 통해 PT의 morphology를 관찰하였는데, 사용된 중합 용매의 극성이 낮을수록 나노 미터 단위의 균일한 구형 입자를 가진 morphology를 보여주었으며, X-ray diffraction을 통해 이러한 morphology는 결정 구조의 compactness 정도와도 밀접한 관계를 갖는다는 것을 확인하였다. 또한 EA와 XPS 분석을 통해 acetonitrile 하에서 생성한 PT 또한 알파위치에 있는 탄소의 낮은 반응성으로 인해 베타위치에 있는 탄소에 hydroxyl group 형태의 작용기가 붙게 된다는 사실을 알게 되었다. 또한 TGA를 통해 중합 과정에서 thiophene ring에 생성된 hydroxyl group 또는 carbonyl group의 존재는 전기 전도도 뿐만 아니라 열적 안정성 또한 떨어뜨린다는 것을 관찰하였다. 본 연구를 통해 신규 이성분 용매를 사용하여 제조되어진 PT는 이전 연구에 비해 5만 배 이상의 높은 전기전도도와 2배 이상의 열안정성을 갖는 것으로 관찰되어졌다.