KR20090060110A - Organic solvent dispersible thiophene conductive polymer complex and conductive polymer dispersion - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유기용매에 분산되면서 전기전도도가 10-4 S/cm 이상인 티오펜계 전도성 고분자 복합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 티오펜계 전도성 고분자 복합체 용액에 관련된 것이다.The present invention relates to a method for preparing a thiophene-based conductive polymer composite having an electrical conductivity of 10 −4 S / cm or more while dispersed in an organic solvent, and a thiophene-based conductive polymer composite solution prepared therefrom.
전도성 고분자(intrinsically conducting polymers)는 도핑과정을 거치면 전기전도성을 띠는 고분자로서, 대표적인 예로는 폴리아닐린 (polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜 (polythiophene) 및 이의 유도체들이 있다.Intrinsically conducting polymers are polymers that are electrically conductive through a doping process, and typical examples thereof include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and derivatives thereof.
이들 중 독일의 바이엘사 (현재 H. C. Starck 사)가 상업화한 티오펜계 전도성 고분자 중의 하나인 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)은 가시광선 영역에서 투명하고, 대기 중에서 전기전도도의 안정성이 높은 특징으로 인해서 각종 디스플레이 분 야 및 대전방지 분야에 많이 사용되고 있다.Among these, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), one of the thiophene conductive polymers commercialized by Bayer, Germany (now HC Starck), is transparent in the visible region and has high electrical conductivity stability in the atmosphere. Due to its characteristics, it is widely used in various display fields and antistatic fields.
Baytron P라는 상품명을 가지는 상기의 전도성 고분자는 물을 용매로 하여 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)을 분산시킨 것으로, 각종 기판에 도포하고 건조시킴으로써 전도성 고분자막을 얻을 수 있는 등 가공이 매우 용이하다는 장점 때문에 대전방지소재 (Electrostatic protection material) 등과 같은 각종 응용분야에 적용되고 있다.The conductive polymer having the trade name Baytron P is obtained by dispersing poly (3,4-ethylenedioxythiophene) using water as a solvent. The conductive polymer film can be obtained by coating and drying on various substrates. Due to its advantages, it has been applied to various applications such as electrostatic protection materials.
그러나, 최근 유기용매 분산성 전도성 고분자를 개발하기 위한 노력이 많이 진행되고 있다.However, a lot of efforts have recently been made to develop organic solvent dispersible conductive polymers.
예를 들어, 미국 특허 US2003/0088032 A1에서는 티오펜계 전도성 고분자 블록과 유기용매에 용해성을 줄 수 있는 에틸렌옥사이드 블록을 공중합시키거나 전도성 고분자 올리고머에 메타크릴레이트 또는 기타 아크릴레이트 그룹을 엔드캡핑(end-capping)시킴으로써 니트로메탄, 프로필렌카보네이트 등의 유기용매에 분산된 전도성 고분자를 제조하는 방법에 대해 나타내고 있다.For example, US patent US2003 / 0088032 A1 copolymerizes a thiophene-based conductive polymer block with an ethylene oxide block that can dissolve in an organic solvent, or endcaps a methacrylate or other acrylate group onto the conductive polymer oligomer. The method for producing a conductive polymer dispersed in an organic solvent such as nitromethane and propylene carbonate by -capping) is shown.
상기 방법은 유기용매에 대한 분산성을 부여하기 위해 전도성 고분자 사슬의 결합구조 자체를 변화시키는 방법으로서 합성 및 중합과정이 여러 단계로 제조하기가 까다롭고 물성 조절이 용이하지 않으며 합성된 전도성 고분자의 전기전도도가 낮아지는 단점이 있다.The method is a method of changing the bonding structure of the conductive polymer chain itself in order to give dispersibility to the organic solvent, the synthesis and polymerization process is difficult to manufacture in several steps, the physical properties are not easy to control the electrical properties of the synthesized conductive polymer There is a disadvantage that the conductivity is lowered.
또한, 최근에 이온성 액체(Ionic liquid)를 분산 매개체로 하여 전도성 고분자를 유기용매에 분산시키는 방법이 제안된 바 있다. (Macromolecular Rapid Communications, 26, 1122, 2005, Synth. Met., 156 (2006), 1133).In addition, recently, a method of dispersing a conductive polymer in an organic solvent using an ionic liquid as a dispersion medium has been proposed. (Macromolecular Rapid Communications, 26, 1122, 2005, Synth. Met., 156 (2006), 1133).
상기 방법은 이온성 액체인 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨 브로마이드)를 합성한 후, 이를 분산 매개체로 하여 전도성 고분자를 N,N-디메틸포름아마이드 또는 아세톤 등의 유기용매에 분산시키는 방법으로, 상기 방법으로 유기용매에 분산시킨 폴리피롤의 경우 전기전도도가 최고 10-1 S/cm인 것으로 보고하고 있다.The method synthesizes poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium bromide) as an ionic liquid, and then disperses the conductive polymer in an organic solvent such as N, N-dimethylformamide or acetone using a dispersion medium. As a method, it has been reported that the electrical conductivity is 10 −1 S / cm in the case of polypyrrole dispersed in the organic solvent by the above method.
반면에 3,4-에틸렌디옥시티오펜 (EDOT)을 모노머로 하여 같은 방법으로 유기용매 분산성 전도성 고분자 용액을 만들 경우 제조된 티오펜계 전도성 고분자-이온성액체 복합용액의 전기전도도가 10-6 S/cm 로 매우 낮다고 보고하고 있다. 또한 상기 티오펜계 전도성 고분자-이온성액체 복합용액의 제조 시 중간 단계 중의 하나인 수계 전도성 고분자 제조단계에서 강하게 교반하면서 전도성 고분자-이온성액체 복합물을 제조하면 전기전도도가 최대 10-2 S/cm까지 향상됨을 보고하고 있다. (Journal of Polymer Science, Part A, Polymer Chemistry, Vol. 46, 3150-3154, 2008).On the other hand, when 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) is used as a monomer to prepare an organic solvent dispersible conductive polymer solution by the same method, the electrical conductivity of the thiophene conductive polymer-ionic liquid composite solution prepared is 10 -6. It is reported as very low in S / cm. In addition, when the conductive polymer-ionic liquid composite is prepared with strong stirring in the preparation of the aqueous conductive polymer, which is one of the intermediate steps in the preparation of the thiophene-based conductive polymer-ionic liquid composite solution, the electrical conductivity is 10 -2 S / cm. Reported improvement. (Journal of Polymer Science, Part A, Polymer Chemistry, Vol. 46, 3150-3154, 2008).
그러나 이들 유기 용매에 분산 가능한 전도성 고분자 용액을 유기발광소자에 응용함에 있어 불순물의 제거와 함께 전도성 고분자 층의 일함수 및 전하이동도를 조절해야 한다. 불순물은 상기 전도성 고분자 용액을 유기발광소자 등의 실제 제품에 적용함에 있어 효율을 향상시키거나 장기 신뢰성을 향상시키는데 있어 매우 중요한 요소이다. 예를 들어 전도성 고분자 층을 정공수송층으로 사용하는 데 있어 불순물이 포함되어 있으면 전하이동도를 감소시킴으로써 발광효율을 떨어뜨리는 원인이 되기도 하며, 또한 불순물은 전도성 고분자층이 적절한 일함수를 가짐으로써 정공주입이 원활하게 이루어지게 하는 것을 방해하는 역할을 하게 된다. 따라서 적절한 일함수와 전하이동도를 가지도록 하기 위해서는 전도성 고분자내의 불순물을 효과적으로 제거하여 전기전도도가 가능한 한 높게 제조하는 것이 중요하다. However, in applying the conductive polymer solution dispersible in these organic solvents to the organic light emitting device, it is necessary to control the work function and the charge mobility of the conductive polymer layer with the removal of impurities. Impurities are a very important factor in improving efficiency or improving long-term reliability in applying the conductive polymer solution to actual products such as organic light emitting devices. For example, when the conductive polymer layer is used as the hole transport layer, the impurity may cause the emission efficiency to be reduced by reducing the charge mobility, and the impurity is injected into the hole by the conductive polymer layer having an appropriate work function. This will interfere with the smooth operation. Therefore, in order to have an appropriate work function and charge mobility, it is important to effectively remove impurities in the conductive polymer and make the electrical conductivity as high as possible.
또한 최종적으로 제조된 유기용매 분산성 티오펜계 전도성 고분자-이온성액체를 대전방지 제품으로 적용하기 위해서는 경우에 따라 전도성 고분자와 바인더를 혼합하여 사용해야 하는데, 이때도 전도성 고분자 용액 자체의 전기전도도가 가능한 한 높아야 하며, 최종 제조된 전도성 고분자의 분산성을 해칠 수 있는 불순물, 즉 합성 시 첨가하였으나 반응에는 참여하지 않은 모노머 등의 미반응물을 세척하여 제거해야만 한다.In addition, in order to apply the finally prepared organic solvent dispersible thiophene conductive polymer-ionic liquid as an antistatic product, a conductive polymer and a binder must be mixed in some cases. It should be as high as possible, and impurities that may harm the dispersibility of the final prepared conductive polymer, that is, unreacted materials such as monomers added during synthesis but not participating in the reaction, should be washed out.
따라서 합성된 전도성 고분자의 표면저항이 필름 표면에 코팅 시 최소한 10-4 S/cm 이상이면서 미반응물 등의 불순물이 제거되어 유기 용매에의 분산성이 좋은 티오펜계 전도성 고분자 또는 이를 포함하는 복합체 또는 이를 포함하는 유기용매 분산성 전도성 고분자 분산 용액의 발명이 필요하다.Therefore, when the surface resistance of the synthesized conductive polymer is coated on the surface of the film, at least 10 -4 S / cm or more, and impurities such as unreacted substances are removed, the thiophene-based conductive polymer having good dispersibility in an organic solvent or a composite containing the same or There is a need for the invention of an organic solvent dispersible conductive polymer dispersion solution comprising the same.
본 발명의 목적은 전기전도도가 10-4 S/cm 이상이면서 미반응물 등의 불순물이 제거되어 유기 용매에의 분산성이 좋은 티오펜계 전도성 고분자 복합체의 합성 방법 및 이를 통해 제조되는 유기 용매 분산성 티오펜계 전도성 고분자 복합체 용액을 제공하는데 있다.An object of the present invention is a method for synthesizing a thiophene-based conductive polymer composite having an electrical conductivity of 10 -4 S / cm or more and the impurities such as unreacted substances are removed, and has good dispersibility in an organic solvent, and organic solvent dispersibility prepared through the same It is to provide a thiophene-based conductive polymer composite solution.
본 발명이 이루고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명에 따른 유기용제 분산성 티오펜계 전도성 고분자 복합체 용액의 제조방법은 (a) 친수성 음이온을 가지는 이온성 액체를 합성하고 중합하는 단계; (b) 이온성 액체 고분자를 분산안정제로 하여 하기 화학식 1로 표시되는 티오펜계 전도성 고분자를 중합시킴으로써 친수성을 가진 "전도성고분자-이온성액체 복합체" (이하 수계 전도성 고분자라 칭한다) 용액을 제조하는 단계; (c) (b)단계에서 합성된 수계 전도성 고분자 용액에서 이온성액체의 친수성 음이온을 소수성 음이온으로 교환하여 소수성을 가진 전도성고분자-이온성액체 복합체를 (이하 소수성 또는 유기용매 분산성 전도성 고분자라 칭한다) 형성하고 석출시키는 단계; 및 (d) (c)단계 에서 석출된 소수성 전도성 고분자를 유기용매에 재분산하여 유기용매에 분산된 전도성 고분자 용액을 제조하는 단계;를 포함하며, (b)단계에서 상기 티오펜계 전도성 고분자 : 이온성 액체가 혼합되는 중량비는 70:30 ~ 30:70 이며, (b) 단계의 수계 전도성 고분자 합성 시 고속교반기 내에서 합성하며 용액내에 잔존하는 미반응물을 비수계 용매로 세척, 분리하는 것을 특징으로 한다. 또한 (d) 단계를 통해 합성된 유기용매 분산성 전도성 고분자 복합 용액에 들어 있는 불순물을 물 또는 알콜 등의 용매로 추가로 세척, 제거하여 최종적으로 제조된 티오펜계 전도성 고분자-이온성액체 복합 용액의 전기전도도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.Method for producing an organic solvent dispersible thiophene conductive polymer composite solution according to the present invention comprises the steps of (a) synthesizing and polymerizing an ionic liquid having a hydrophilic anion; (b) preparing a solution having a hydrophilic "conductive polymer-ionic liquid composite" (hereinafter referred to as an aqueous conductive polymer) by polymerizing a thiophene conductive polymer represented by the following Chemical Formula 1 using an ionic liquid polymer as a dispersion stabilizer; step; (c) The hydrophobic conductive polymer-ionic liquid composite having hydrophobicity is exchanged by replacing the hydrophilic anion of the ionic liquid with hydrophobic anion in the aqueous conductive polymer solution synthesized in step (b) (hereinafter referred to as hydrophobic or organic solvent dispersible conductive polymer). ) Forming and precipitation; And (d) redispersing the hydrophobic conductive polymer precipitated in step (c) in an organic solvent to produce a conductive polymer solution dispersed in an organic solvent, wherein the thiophene conductive polymer in step (b): The weight ratio of the ionic liquid is 70:30 ~ 30:70, and synthesized in a high speed stirrer when synthesizing the aqueous conductive polymer in step (b), and washing and separating unreacted substances remaining in the solution with a non-aqueous solvent. It is done. In addition, the thiophene-based conductive polymer-ionic liquid composite solution finally prepared by further washing and removing impurities contained in the organic-solvent dispersible conductive polymer composite solution synthesized through the step (d) with water or alcohol. It is characterized by improving the electrical conductivity of.
<화학식 1><Formula 1>
(여기서, R1과 R2는 함께 3 내지 8 멤버드(membered) 알리시클릭 또는 아로마틱링 구조의 알킬렌, 알케닐렌, 알케닐옥시, 알케닐디옥시, 알키닐옥시, 알키닐디옥시로 될 수 있으며, 경우에 따라 수소, 탄소, 산소 원자외에 질소, 황, 인, 셀레늄, 실리콘 등의 원자를 함유할 수 있다.Where R 1 and R 2 together may be alkylene, alkenylene, alkenyloxy, alkenyldioxy, alkynyloxy, alkynyldioxy of 3 to 8 membered alicyclic or aromatic structure, optionally hydrogen In addition to carbon, oxygen atoms, it may contain atoms such as nitrogen, sulfur, phosphorus, selenium, and silicon.
또는, R1, R2는 수소, 할로겐 또는 탄소수 1 내지 10개인 알킬, 알콕시, 카르보닐, 히드록시기등으로 구성될 수도 있다.)Alternatively, R 1 , R 2 may be composed of hydrogen, halogen or alkyl having 1 to 10 carbon atoms, alkoxy, carbonyl, hydroxy group, etc.)
본 발명은 이온성 액체를 매개체로 하여 티오펜계 전도성 고분자를 합성한 후, 이 복합체를 다시 유기 용매에 분산시키는 방법으로, 전도성 고분자 합성용 단량체 및 이온성 액체의 함량 비율을 조절하고, 입자크기 조절을 위해 고속교반기 내에서 합성을 유도하고 합성된 전도성 고분자 용액에 에틸아세테이트 등의 비수계 용매를 사용하여 세척, 분리하며, 마지막 단계에서 유기 용매 분산성 전도성 고분자 용액을 만든 후 물 또는 알콜 등의 용매를 이용하여 추가로 세척함으로서, 유기용매에 분산성이 뛰어나면서도 전기전도도가 최소한 10-4 S/cm 이상인 티오펜계 전도성 고분자 복합체 및 전도성 고분자 용액을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 티오펜계 전도성 고분자 및 이온성 액체 복합물로 이루어진 전도성 고분자 용액은 그 자체로 또는 유기 용제형 바인더와 혼합하여 사용될 수 있다.The present invention synthesizes a thiophene-based conductive polymer using an ionic liquid as a medium, and then disperses the complex in an organic solvent to adjust the content ratio of the monomer and the ionic liquid for synthesizing the conductive polymer, and the particle size. In order to control, the synthesis is induced in a high speed stirrer and washed and separated using a non-aqueous solvent such as ethyl acetate in the synthesized conductive polymer solution. Further washing using a solvent provides a method for preparing a thiophene-based conductive polymer composite and a conductive polymer solution having excellent dispersibility in an organic solvent and at least 10 -4 S / cm in electrical conductivity. The conductive polymer solution of the thiophene-based conductive polymer and the ionic liquid composite of the present invention may be used on its own or mixed with an organic solvent-type binder.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 티오펜계 전도성 고분자 합성 시 이온성 액체와 함께 반응을 일으키는 방법을 사용하였다. 본 발명에서 티오펜계 전도성 고분자라 함은 화학식 1에 나와 있는 바와 같이 황을 포함하는 환형 구조의 화합물로서 환형 구조의 3번과 4번 위치에 다른 화합물로 치환된 형태, 예를 들어 하기 화학식 2에 나와 있는 바와 같이 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)과 같은 전도성 고분자를 말한다.In order to achieve the object of the present invention, in the present invention, a method of causing a reaction with an ionic liquid in synthesizing a thiophene-based conductive polymer was used. In the present invention, the thiophene-based conductive polymer is a compound having a cyclic structure containing sulfur as shown in Formula 1, and substituted with another compound at positions 3 and 4 of the cyclic structure, for example, Formula 2 As shown in, it refers to a conductive polymer such as poly (3,4-ethylenedioxythiophene).
<화학식 2> 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)의 구조식 <Formula 2> Structure of poly (3,4-ethylenedioxythiophene)
본 발명의 반응은 크게 4 단계로 이루어지는데, (a) 이온성 액체(ionic liquid) 단량체를 중합하여 친수성 이온성 액체 고분자를 합성하는 제 1단계, (b) 친수성 이온성 액체 고분자를 분산안정제로 하여 티오펜계 전도성 고분자를 물에서 중합하여 친수성을 가진 수계 전도성고분자를 제조하는 제 2 단계, (c) 친수성을 가진 수계 전도성 고분자에서 이온성 액체의 음이온을 소수성 이온으로 교환시킴으로써 소수성을 가진 전도성 고분자를 형성하는 제 3 단계, (d) 소수성을 가진 전도성 고분자를 유기 용제에 재분산하여 유기 용제에 분산된 티오펜계 전도성 고분자 용액을 만드는 제 4 단계로 이루어진다.The reaction of the present invention is largely composed of four steps, (a) a first step of synthesizing a hydrophilic ionic liquid polymer by polymerizing an ionic liquid monomer, and (b) a hydrophilic ionic liquid polymer as a dispersion stabilizer. Step 2 to prepare a hydrophilic aqueous conductive polymer by polymerizing a thiophene-based conductive polymer in water, (c) a hydrophobic conductive polymer by exchanging anions of an ionic liquid with hydrophobic ions in a hydrophilic aqueous conductive polymer (3) a fourth step of forming a thiophene-based conductive polymer solution dispersed in the organic solvent by redispersing the conductive polymer having hydrophobicity in an organic solvent.
상기 4 단계로 이루어진 티오펜계 전도성 고분자-이온성액체 복합체 및 복합 용액은 참고문헌에 보고된 바와 같이 전기전도도가 매우 낮거나 유기 용매에의 분산성이 그다지 좋지 않다. 본 발명자들은 유기용매 분산성 전도성 고분자 제조에 대한 연구 결과, 상기 4 단계 중 (b)와 (d) 단계가 불순물이 없으면서 전기전도도가 높은 유기용매 분산성 전도성 고분자 제조에 가장 중요한 단계임을 알았다.The thiophene-based conductive polymer-ionic liquid complex and the composite solution, which consist of four steps, have very low electrical conductivity or poor dispersibility in an organic solvent, as reported in the literature. The inventors of the present invention have found that the steps (b) and (d) of the four steps are the most important steps in the preparation of the organic solvent dispersible conductive polymer having high electrical conductivity without impurities.
즉, (b) 단계에서 합성되는 수계 전도성 고분자는 미반응 단량체가 포함되지 않고 전도성 고분자의 입자크기가 최대 100 나노미터를 넘지 않아야 하며, (c) 단계에서 소수성을 가진 전도성 고분자를 석출하는 과정에서 용액에 혼합되어 있던 불순물이 상당량 소수성 전도성 고분자 입자 내에 존재하게 됨을 알았다. 따라서 (c)단계에서 소수성 전도성 고분자 석출물에 들어 있는 불순물을 (d)단계에서 유기용매에 분산시킨 다음 추가로 불순물을 제거해야만 최종적으로 전기전도도가 높으면서 분산성이 좋은 유기용매 분산성 전도성 고분자 용액을 제조할 수 있음을 발견하였다.That is, the aqueous conductive polymer synthesized in step (b) does not contain unreacted monomers and the particle size of the conductive polymer should not exceed 100 nanometers, and in the process of depositing a hydrophobic conductive polymer in step (c) It was found that impurities mixed in the solution were present in a considerable amount of hydrophobic conductive polymer particles. Therefore, the impurities contained in the hydrophobic conductive polymer precipitate in step (c) must be dispersed in the organic solvent in step (d), and the impurities must be further removed. Finally, the organic solvent dispersible conductive polymer solution having high electrical conductivity and good dispersibility is obtained. It was found that it can be prepared.
따라서 본 발명에서는 상기 4 단계의 제조단계를 거치는 과정 중 (b)단계의 수계 전도성 고분자 합성은 고속교반기 내에서 수행하여 합성된 전도성 고분자의 입자 크기를 100 나노미터 미만으로 조절하였고, 미반응 단량체를 제거하였으며 (d)단계에서 유기용매에 분산시켜 제조된 최종 전도성 고분자 분산 용액을 추가로 세척하는 방법을 이용하였다.Therefore, in the present invention, the water-based conductive polymer synthesis in step (b) during the manufacturing process of the four steps was carried out in a high speed stirrer to adjust the particle size of the synthesized conductive polymer to less than 100 nanometers, and to adjust the unreacted monomers. In step (d), the final conductive polymer dispersion solution prepared by dispersing in an organic solvent was further washed.
이하 본 발명에 따른 유기용매 분산성 티오펜계 전도성 고분자의 합성방법에 대해 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the synthesis method of the organic solvent dispersible thiophene conductive polymer according to the present invention will be described in more detail.
(a) 제 1 단계: 이온성 액체 고분자의 합성(a) Step 1: Synthesis of Ionic Liquid Polymer
이온성 액체 고분자를 합성하는 단계는 다시 (a1) 이온성 액체 단량체를 제조하는 단계와 (a2) 이온성 액체 단량체를 중합하는 단계로 크게 나누어진다.Synthesis of the ionic liquid polymer is roughly divided into (a1) preparing an ionic liquid monomer and (a2) polymerizing an ionic liquid monomer.
(a1) 이온성 액체 단량체의 합성(a1) Synthesis of Ionic Liquid Monomer
본 발명에서 합성되는 이온성액체 단량체는 유기 양이온과 유기 (또는 무기) 음이온으로 이루어져 있고, 차후 중합반응이 가능하도록 이온성액체의 양이온 부분에 중합반응을 위한 반응기를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.The ionic liquid monomer synthesized in the present invention is composed of an organic cation and an organic (or inorganic) anion, and characterized in that it has a reactor for polymerization in the cation portion of the ionic liquid so that the polymerization reaction can be performed later.
보다 상세하게는 상기 이온성액체 단량체에서 양이온의 구조는 하기 화학식 3으로 표시되는 바와 같이, 이미다졸륨, 피리디늄, 피롤리디늄, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 피라졸륨, 피페리디늄, 피페리지늄, 티아졸륨, 옥사졸륨, 트리아졸륨,몰폴리늄, 포스포늄, 암모늄 및 이들의 유도체로서 차후 중합반응을 유도하는 반응기인 R1과 수소, 알킬, 에테르, 알콕시 또는 에스테르기를 포함하는 반응기인 R2, R3, R4로 구성되어 있다.More specifically, the structure of the cation in the ionic liquid monomer is represented by the following formula (3), imidazolium, pyridinium, pyrrolidinium, pyridazinium, pyrimidinium, pyrazinium, pyrazolium, pipe Ridinium, piperizinium, thiazolium, oxazolium, triazolium, morpholinium, phosphonium, ammonium and derivatives thereof, R 1 and the hydrogen, alkyl, ether, alkoxy or ester It consists of R <2>, R <3> and R <4> which are reactors containing.
그리고, 하기 화학식 3에서 이온성액체 단량체에서 음이온(X-)은 Br-, Cl-, I-, BF4 -, PF6 -, ClO4 -, NO3 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, AsF6 -, SbF6 -에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 한다.And, to anion (X -) in the ionic liquid monomer in the formula (3) Br -, Cl -, I - , BF 4 -, PF 6 -, ClO 4 -, NO 3 -, AlCl 4 -, Al 2 Cl 7 -, AsF 6 - characterized by either is one selected from a -, SbF 6.
<화학식 3> 이온성액체 단량체의 구조식<Formula 3> Structural formula of the ionic liquid monomer
(여기서, R1은 비닐 또는 알릴기를 나타내며, R2,R3,R4는 수소 또는 탄소수 1 내지 15개로 이루어진 알킬, 에테르, 알콕시 또는 에스테르기를 포함하는 반응기를 나타낸다.)(Wherein R 1 represents a vinyl or allyl group, and R 2 , R 3 , R 4 represents a reactor containing hydrogen or an alkyl, ether, alkoxy or ester group consisting of 1 to 15 carbon atoms.)
상기 이온성액체 단량체의 대표적인 예로는 1-비닐-3-알킬이미다졸륨 브로마이드(또는 클로라이드), 1-알릴-3-알킬이미다졸륨 브로마이드(또는 클로라이드), 1-비닐-4-알킬피리디늄 브로마이드(또는 클로라이드), 1-알릴-4-알킬피리디늄(또는 클로라이드), 2-(메트)아크릴로일록시알킬트리알킬암모늄 브로마이드(또는 클로라이드)이 있으며, 이에 한정되지 않고 차후 중합반응을 유도하는 반응기를 가지고 있으면서 화학식 3으로 표시되는 모든 이온성액체 단량체를 포함한다.Representative examples of the ionic liquid monomers include 1-vinyl-3-alkylimidazolium bromide (or chloride), 1-allyl-3-alkylimidazolium bromide (or chloride), and 1-vinyl-4-alkylpyridinium. Bromide (or chloride), 1-allyl-4-alkylpyridinium (or chloride), 2- (meth) acryloyloxyalkyltrialkylammonium bromide (or chloride), including but not limited to inducing subsequent polymerization It includes all the ionic liquid monomer represented by the formula (3) while having a reactor.
이하 상기 이온성액체의 단량체의 자세한 합성방법을 예를 들어 설명하고자 한다.Hereinafter, a detailed method for synthesizing the monomer of the ionic liquid will be described.
본 발명의 이온성액체 단량체로서 1-비닐-3-알킬이미다졸륨 브로마이드의 경우에는 1-비닐이미다졸 및 알킬브로마이드를 반응시킴으로서 생성된다. 구체적으로는 일정 함량의 1-비닐이미다졸을 교반하는 중에 1-비닐이미다졸에 대해 약 1 내지 2 몰비에 해당하는 알킬브로마이드를 천천히 주입하고, 상온이상의 온도에서 10내지 100시간동안 반응을 개시한다. 이 때 반응조건은 반응물인 알킬브로마이드의 종류에 따라 달라지는데 보통 알킬브로마이드의 알킬기의 길이가 길어질수록 반응속도가 느려지므로 반응온도가 높고 반응시간이 길어지게 된다. 합성반응을 통해 생성된 1-비닐-3-알킬이미다졸륨 브로마이드는 알킬기의 길이에 따라 고형의 형태로 침전되어 나타나거나 액상의 형태를 가지게 된다. 수득된 반응생성물은 미반응 물질을 제거하기 위하여 클로로포름 등의 적절한 용매로 세척한 후 진공오븐에 건조한 다음, 중합반응을 위한 다음 단계로 넘어가게 된다. In the case of 1-vinyl-3-alkylimidazolium bromide as the ionic liquid monomer of the present invention, it is produced by reacting 1-vinylimidazole and alkyl bromide. Specifically, while stirring a certain amount of 1-vinylimidazole, alkyl bromide in an amount of about 1 to 2 molar ratios is slowly injected to 1-vinylimidazole, and the reaction is performed at a temperature above room temperature for 10 to 100 hours. It starts. At this time, the reaction conditions vary depending on the type of alkyl bromide as the reactant. Usually, the longer the length of the alkyl group of the alkyl bromide, the slower the reaction rate, the higher the reaction temperature and the longer the reaction time. The 1-vinyl-3-alkylimidazolium bromide produced through the synthesis reaction appears to precipitate in a solid form according to the length of the alkyl group or may have a liquid form. The obtained reaction product is washed with a suitable solvent such as chloroform to remove unreacted material, dried in a vacuum oven, and then passed to the next step for polymerization.
(a2) 합성된 이온성 액체 단량체를 중합하여 이온성액체 고분자를 합성(a2) Synthesizing the ionic liquid monomer to synthesize the ionic liquid polymer
상기와 같은 방법으로 합성된 이온성 액체 단량체에는 중합반응을 유도하는 반응기를 포함하고 있기 때문에 중합개시제를 첨가하여 반응시킴으로써 이온성 액체 고분자를 수득할 수 있다. Since the ionic liquid monomer synthesized as described above includes a reactor for inducing a polymerization reaction, an ionic liquid polymer can be obtained by adding and reacting a polymerization initiator.
중합반응은 이온성 액체 단량체를 적절한 용매에 용해시켜 교반하는 중에 중합개시제를 천천히 투입함으로써 개시된다. 이 때, 중합반응은 부반응을 제어하기 위해 질소 또는 아르곤과 같은 비활성 기체 분위기에서 진행해야 하며, 이온성 액 체 단량체의 종류 및 개시제의 종류에 따라 반응온도 및 반응시간을 조절하게 된다. 일반적으로 상기 이온성 액체의 중합반응은 20℃ 내지 100℃의 온도에서 1시간 내지 48시간동안 교반함으로써 진행되며, 중합반응이 완료되면 에틸아세테이트 등의 적절한 용매로 미반응물을 제거하고 진공오븐에서 건조하여 이온성 액체 고분자를 수득한다. The polymerization reaction is initiated by slowly adding the polymerization initiator while the ionic liquid monomer is dissolved in a suitable solvent and stirred. At this time, the polymerization reaction should proceed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon to control the side reaction, and adjust the reaction temperature and reaction time according to the type of ionic liquid monomer and the type of initiator. In general, the polymerization of the ionic liquid proceeds by stirring at a temperature of 20 ° C. to 100 ° C. for 1 hour to 48 hours. When the polymerization reaction is completed, unreacted materials are removed with an appropriate solvent such as ethyl acetate and dried in a vacuum oven. To obtain an ionic liquid polymer.
중합반응에 사용되는 개시제로는 중합반응을 유도하는 통상적인 개시제가 사용될 수 있는데, 구체적인 예로는 벤조일퍼옥사이드, 다이큐밀퍼옥사이드, 아세틸퍼옥사이드 등의 퍼옥사이드 계, 아조비스(2-메틸프로피오니트릴), 아조비스(2,4-다이메틸발레노니트릴) 등의 아조화합물계, 암모늄퍼설페이트 또는 포타슘퍼설페이트 등이 있으며 이를 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. As the initiator used in the polymerization reaction, a conventional initiator for inducing a polymerization reaction may be used. Specific examples thereof include peroxide-based compounds such as benzoyl peroxide, dicumyl peroxide, and acetyl peroxide, and azobis (2-methylpropio). Nitrile), azo compounds such as azobis (2,4-dimethylvalenonitrile), ammonium persulfate or potassium persulfate, and the like, and these may be used alone or in combination of two or more thereof.
중합반응에 사용되는 용매로는 물을 비롯하여 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 이소부틸알콜 등의 알콜 용매, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤 용매, 디에틸에테르, 디프로필에테르, 디부틸에테르, 부틸에틸에테르, 테트라하이드로퓨란등의 에테르 용매, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르등의 알콜 에테르 용매, N-메틸-2-피릴리디논, 2-피릴리디논, N-메틸포름아미드, N,N-디메틸포름아미드등의 아미드 용매, 디메틸술폭사이드, 디에틸술폭사이드등의 술폭사이드 용매, 디에틸술폰, 테트라메틸렌 술폰등의 술폰 용매, 아세토니트릴등의 니트릴 용매, 알킬아민, 시클릭 아민, 아로마틱 아민등의 아민 용매, 메틸 부틸레이트, 에틸부틸레이트, 프로필프로피오네이트 등의 에스테르 용매, 에틸 아세테이트, 부틸아세테이트등의 카르복실산 에스테르 용매, 벤젠, 에틸벤젠, 클로로벤젠, 톨루엔, 자일렌등의 방향족 탄화수소 용매, 헥산, 헵탄, 시클로헥산등의 지방족 탄화수소 용매, 클로로포름, 테트라클로로에틸렌, 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄과 같은 할로겐화된 탄화수소 용매 등이 사용될 수 있으며, 이들 용매 중 어느 하나 또는 그 이상을 혼합하여 사용해도 무방하다.Examples of the solvent used for the polymerization reaction include water, alcohol solvents such as methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol and isobutyl alcohol, ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone and cyclohexanone, and diethyl. Ether solvents such as ether, dipropyl ether, dibutyl ether, butyl ethyl ether, tetrahydrofuran, alcohol ether solvents such as ethylene glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether and ethylene glycol monobutyl ether Amide solvents such as N-methyl-2-pyridyridone, 2-pyridyridone, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide, and di Sulfone solvents such as ethyl sulfone and tetramethylene sulfone, nitrile solvents such as acetonitrile, amine solvents such as alkylamine, cyclic amine, aromatic amine, methyl butyrate, Ester solvents such as butylate and propyl propionate, carboxylic acid ester solvents such as ethyl acetate, butyl acetate, aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, ethylbenzene, chlorobenzene, toluene, xylene, hexane, heptane, cyclohexane, etc. An aliphatic hydrocarbon solvent, chloroform, tetrachloroethylene, carbon tetrachloride, dichloromethane, dichloromethane, halogenated hydrocarbon solvent such as dichloroethane and the like can be used, and any one or more of these solvents may be used in combination.
본 발명을 통해 생성된 이온성 액체 고분자는 중합조건을 조절함으로써 중량평균분자량이 1,000 내지 1,000,000 g/몰으로 하는 것이 바람직하다. 이는 이온성 액체 고분자의 중량평균분자량이 1,000g/몰 미만일 경우에는 최종적으로 형성되는 전도성 고분자 및 이온성액체 복합체의 분산성 및 내구성이 저하될 가능성이 있으며, 1,000,000을 초과하는 경우에는 전도성 고분자 및 이온성액체 복합체 입자의 크기가 크기 때문에 코팅물성을 저하시킬 우려가 있기 때문이다.In the ionic liquid polymer produced through the present invention, the weight average molecular weight is preferably 1,000 to 1,000,000 g / mol by controlling polymerization conditions. When the weight average molecular weight of the ionic liquid polymer is less than 1,000 g / mol, the dispersibility and durability of the finally formed conductive polymer and the ionic liquid composite may decrease. This is because there is a fear that the coating properties are reduced because the size of the liquid liquid composite particles is large.
상기 중합반응을 통해 수득한 이온성액체 고분자는 물에 용해되는 특성을 나타내게 되는데, 이러한 특성은 이온성액체 단량체의 양이온 및 음이온의 종류를 적절하게 선택함으로써 달성할 수 있으며, 특히 본 단계에서는 이온성액체 단량체가 친수성 음이온을 가지도록 하여 중합반응을 실시한 이후에 수득된 이온성 액체 고분자가 물에 용해되는 친수성 이온성액체 고분자를 제조하게 된다. The ionic liquid polymer obtained through the polymerization reaction exhibits a property of dissolving in water, and this property can be achieved by appropriately selecting the types of cations and anions of the ionic liquid monomer. The liquid monomer has a hydrophilic anion to prepare a hydrophilic ionic liquid polymer in which the ionic liquid polymer obtained after the polymerization reaction is dissolved in water.
이는 본 발명의 티오펜계 전도성 고분자 및 이온성액체의 복합체가 먼저 친수성 이온성 액체를 이용하여 수계 분산된 티오펜계 전도성 고분자 및 이온성액체의 복합용액을 제조한 뒤, 다시 이온성액체를 소수성 이온으로 교환반응 시킴으로써 결국 유기용매에 분산된 티오펜계 전도성고분자 및 이온성액체의 복합용액을 제 조하는 것이기 때문에, 제 1단계에서 제조되는 이온성액체는 물에 용해되는 특성을 나타내도록 하는 것이며. 이를 위해 이온성액체의 음이온으로는 브로마이드 또는 클로라이드를 사용하는 것이 보다 바람직하다. This is because the composite of the thiophene conductive polymer and the ionic liquid of the present invention first prepares a composite solution of the thiophene conductive polymer and the ionic liquid dispersed in water using a hydrophilic ionic liquid, and then the ionic liquid is hydrophobic again. The ionic liquid prepared in the first step exhibits the property of dissolving in water because the ionic liquid prepared in the first step is prepared by the exchange reaction with ions, thereby producing a composite solution of thiophene-based conductive polymer and ionic liquid dispersed in an organic solvent. . For this purpose, it is more preferable to use bromide or chloride as the anion of the ionic liquid.
(b) 제 2 단계 ; 수계 분산된 티오펜계 전도성 고분자 및 이온성 액체의 복합체 제조(b) a second step; Preparation of Aqueous Dispersed Thiophene-based Conductive Polymer and Ionic Liquid
다음으로, 상기와 같이 합성된 이온성액체 고분자를 티오펜계 전도성 고분자와 분산 중합하여 친수성을 가진 전도성 고분자-이온성액체 복합체를 형성한다.Next, the ionic liquid polymer synthesized as described above is dispersed and polymerized with a thiophene conductive polymer to form a conductive polymer-ionic liquid composite having hydrophilicity.
본 발명의 수분산성 티오펜계 전도성 고분자 및 이온성 액체의 복합체 제조방법은 다음과 같다.Method for producing a composite of the water dispersible thiophene-based conductive polymer and the ionic liquid of the present invention is as follows.
먼저, 제 1단계에서 제조된 이온성 액체 고분자를 적당량 평량하여 물(H2O)에 용해시킨 다음 티오펜계 전도성 고분자 단량체를 투입하고 교반하는 중에 개시제를 천천히 첨가하여 전도성 고분자의 중합반응을 개시하게 된다. 이 때 반응온도는 -80℃ 내지 80℃에서 진행하며 반응시간은 1시간 내지 72시간으로 하는 것이 바람직하다.First, the ionic liquid polymer prepared in the first step is weighed in an appropriate amount to dissolve in water (H 2 O), and then the thiophene-based conductive polymer monomer is added and the initiator is slowly added while stirring to initiate the polymerization of the conductive polymer. Done. At this time, the reaction temperature is carried out at -80 ℃ to 80 ℃ and the reaction time is preferably set to 1 hour to 72 hours.
본 단계의 반응에서는 합성된 수분산성 티오펜계 전도성 고분자 및 이온성 액체의 복합체의 입자 크기를 최대 100 나노미터 이하로 조절하기 위해 고속교반기 내에서 수행된다.In the reaction of this step is carried out in a high speed stirrer to control the particle size of the composite of the water-dispersible thiophene-based conductive polymer and the ionic liquid synthesized up to 100 nanometers or less.
이때 고속교반기의 회전속도는 150~3,000 rpm 범위에서 조절한다. 교반속도 가 150 rpm 미만이면 충분한 교반이 이루어지지 않기 때문에 입자크기가 100 나노미터 이상이 되어 불리하고, 3000 rpm 이상의 교반속도에서는 용액의 회전속도가 너무 높아 반응 용액이 용기 벽면에 위치하여 오히려 합성을 방해한다. 합성된 전도성 고분자 입자의 크기가 100 나노미터 이상이면 합성된 전도성 고분자의 전기전도도가 낮아지므로 불리하다.At this time, the rotation speed of the high speed stirrer is adjusted in the range of 150 to 3,000 rpm. If the stirring speed is less than 150 rpm, since the stirring is not sufficient, the particle size becomes over 100 nanometers. Disturb. If the size of the synthesized conductive polymer particles is 100 nanometers or more, the electrical conductivity of the synthesized conductive polymer is lowered, which is disadvantageous.
상기와 같은 방법을 통해 제조된 전도성 고분자-이온성 액체 복합체는 입자크기가 100 nm 이하이며 수계 분산된 형태를 가진다.The conductive polymer-ionic liquid composite prepared by the above method has a particle size of 100 nm or less and has an aqueous dispersion.
상기 수계 분산된 복합체 용액에는 미반응된 모노머 또는 개시제 등의 불순물이 잔존하게 된다. 이 미반응물들은 전기전도도에는 크게 영향을 미치지는 않으나 후속 공정의 분산성을 저해하는 요인으로 작용한다. 따라서 이를 제거하기 위해 물과는 혼합되지 않고 미반응된 모노머 등을 용해시킬 수 있는 비수계 용매를 이용하여 세척과정을 거치는 것이 보다 효과적이다.Impurities such as unreacted monomers or initiators remain in the aqueous dispersion solution. These unreacted materials do not significantly affect the electrical conductivity but act as a deterrent to the dispersibility of subsequent processes. Therefore, in order to remove this, it is more effective to go through the washing process using a non-aqueous solvent that can dissolve unreacted monomers without mixing with water.
상기와 같은 목적으로 사용할 수 있는 유기용매로는 에틸아세테이트, 톨루엔, 자일렌, 프로필렌 카보네이트 등이 있으며 물과는 혼합되지 않고 미반응된 모노머 등을 용해시킬 수 있는 비수계 용매라면 모두 사용가능하다.Organic solvents that can be used for the above purpose include ethyl acetate, toluene, xylene, propylene carbonate, and the like, and any non-aqueous solvent that can dissolve unreacted monomers without being mixed with water can be used.
본 단계의 반응에서 사용되는 티오펜계 전도성 고분자 단량체로는 화학식 1로 표시되는 모든 전도성 고분자 단량체가 사용될 수 있는데, 바람직하기로는 3-메틸티오펜, 3-헥실티오펜, 3-옥틸티오펜, 3-메톡시티오펜, 디메톡시티오펜, 디에톡시티오펜, 디프로폭시티오펜, 디부톡시티오펜, 메틸렌디옥시티오펜, 에틸렌디옥시티오펜, 프로필렌디옥시티오펜, 부틸렌디옥시티오펜이 사용될 수 있다. As the thiophene-based conductive polymer monomer used in the reaction of this step, all conductive polymer monomers represented by Formula 1 may be used. Preferably, 3-methylthiophene, 3-hexylthiophene, 3-octylthiophene, 3-methoxythiophene, dimethoxythiophene, diethoxythiophene, dipropoxythiophene, dibutoxythiophene, methylenedioxythiophene, ethylenedioxythiophene, propylenedioxythiophene, butylenedioxythiophene can be used. have.
또한, 전도성 고분자를 제조할 때 사용되는 개시제로는 FeCl3, Fe(ClO4)3, Fe2(SO4)3, Fe2(S2O8)3 등의 철(III)로 이루어진 염을 비롯하여 철(III)-무기산 염 및, 철(III)-톨루엔설퍼네이트, 철(III)-캠퍼설퍼네이트등의 철(III)-유기산 염이 있으며, 암모늄퍼설페이트 ((NH4)2S2O8), 나트륨퍼설페이트 (Na2S2O8), 포타슘퍼설페이트 (K2S2O8)등의 퍼설페이트, 알칼리퍼보레이트, 포타슘 퍼망가네이트, 포타슘디크로메이트, 구리염, 과산화수소 등이 사용될 수 있다.In addition, as an initiator used when preparing the conductive polymer, a salt consisting of iron (III) such as FeCl 3 , Fe (ClO 4 ) 3, Fe 2 (SO 4 ) 3 , and Fe 2 (S 2 O 8 ) 3 may be used. Iron (III) -organic acid salts and iron (III) -organic acid salts such as iron (III) -toluenesulfonate, iron (III) -camphorsulfonate, and ammonium persulfate ((NH 4 ) 2 S 2 O 8), sodium persulfate (Na 2 S 2 O 8) , potassium persulfate (K 2 S 2 O 8) permanganate persulfate, alkali perborate, potassium, such as carbonate, potassium dichromate, copper salts, hydrogen peroxide, etc. This can be used.
본 발명의 수분산된 티오펜계 전도성 고분자 및 이온성 액체로 구성된 복합체에서 전도성 고분자 합성용 단량체와 이온성 액체 고분자의 중량비율은 전 범위의 비율에서 가능하다.In the composite composed of the water-dispersible thiophene-based conductive polymer and the ionic liquid of the present invention, the weight ratio of the monomer for synthesizing the conductive polymer and the ionic liquid polymer is possible in the whole range of ratios.
그러나 최종적으로 제조된 전도성 고분자/이온성 액체 복합체의 전기적 성질 및 유기 용제 분산성 등을 고려하면 전도성 고분자 제조용 단량체와 중합된 이온성 액체의 중량 퍼센트비가 (이하 중량비) 70/30 내지 30/70 가 바람직하다.However, considering the electrical properties and organic solvent dispersibility of the finally prepared conductive polymer / ionic liquid composite, the weight percent ratio of the monomer for preparing the conductive polymer and the polymerized ionic liquid (hereinafter, referred to as weight ratio) is 70/30 to 30/70 desirable.
이는 전도성 고분자 및 이온성 액체의 중량비가 최종적으로 생성된 전도성 복합체의 전기적 물성과 분산성을 결정짓는 중요한 요소이기 때문으로, 이온성 액체의 함량이 30 중량비 미만이면 합성된 전도성 고분자 복합체의 입자 크기가 너무 커지거나 유기 용매에의 분산도가 매우 떨어져 안정적인 전도성 용액을 얻기 어렵다. 또한 이온성 액체의 함량이 70 중량비를 초과할 경우 분산성은 좋으나 전도성 복합체의 전기전도도가 매우 낮아지기 때문에 각종 응용분야에 실제로 적용하기에는 제한이 있다.This is because the weight ratio of the conductive polymer and the ionic liquid is an important factor in determining the electrical properties and dispersibility of the finally produced conductive composite. When the content of the ionic liquid is less than 30 weight ratio, the particle size of the synthesized conductive polymer composite is It becomes too large or the dispersion in the organic solvent is very low, and it is difficult to obtain a stable conductive solution. In addition, when the content of the ionic liquid exceeds 70 weight ratio, the dispersibility is good, but since the electrical conductivity of the conductive composite is very low, there is a limit to the practical application in various applications.
(c) 제 3 단계: 친수성 음이온을 소수성 음이온으로 이온교환(c) step 3: ion exchange of hydrophilic anions into hydrophobic anions
상기 제 2 단계에서 제조된 전도성 고분자는 친수성(hydrophilic) 이온성 액체를 이용하여 제조되었기 때문에 전도성 고분자가 수계 분산된 형태를 가진다.Since the conductive polymer prepared in the second step is manufactured using a hydrophilic ionic liquid, the conductive polymer has an aqueous dispersion.
제 3 단계에서는 상기 친수성 이온성액체를 이온 교환반응을 통해 소수성(hydrophobic) 이온성액체로 변화시킴으로써 결국 소수성, 즉 유기용매 분산성 전도성 고분자를 얻는다.In the third step, the hydrophilic ionic liquid is converted into a hydrophobic ionic liquid through an ion exchange reaction, thereby obtaining a hydrophobic, ie, organic solvent dispersible conductive polymer.
소수성 전도성 고분자의 제조를 위해서는, 제 2 단계에서 제조된 친수성의 수계 전도성 고분자 용액에 소수성 음이온을 포함하는 알칼리 금속염 또는 소수성 음이온을 포함하는 유기 또는 무기산을 투입함으로써 이온성액체의 친수성 음이온을 알칼리 금속염의 소수성 음이온으로 교환하는 반응을 실시한다.To prepare the hydrophobic conductive polymer, the hydrophilic anion of the ionic liquid is converted into an alkali metal salt by adding an alkali metal salt containing a hydrophobic anion or an organic or inorganic acid containing a hydrophobic anion to the hydrophilic aqueous conductive polymer solution prepared in the second step. The reaction is exchanged with hydrophobic anions.
상기 소수성 음이온을 포함하는 알칼리 금속염은 리튬염, 나트륨염 및 칼륨염으로 음이온이 소수성기를 가지는 것이면 특별히 한정되지 않는다.The alkali metal salt containing the hydrophobic anion is not particularly limited as long as the anion has a hydrophobic group as a lithium salt, sodium salt and potassium salt.
또한, 소수성 음이온의 대표적인 예로는 CF3COO-, CH3COO-, CF3SO3 -, (CF3SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, (CF3CF2SO2)2N- , (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, SF5CF2SO3 -, SF5CHFCF2SO3 -, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (O(CF3)2C2(CF3)2O)2PO- , 등이 있으며, 이를 2종 이상 혼합하여 사용하는 것도 가능하 다.In addition, typical examples of the hydrophobic anions are CF 3 COO -, CH 3 COO -, CF 3 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (CF 3 SO 2) 3 C -, (CF 3 CF 2 SO 2) 2 N -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, SF 5 CF 2 SO 3 -, SF 5 CHFCF 2 SO 3 -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (O (CF 3 ) 2 C 2 (CF 3) 2 O) 2 PO - , and the like, and it is also possible to use a mixture of two or more.
상기 소수성 음이온을 포함하는 알칼리 금속염 또는 소수성 음이온을 포함하는 유기 또는 무기산을 수계 분산된 전도성 고분자-이온성 액체 복합체에 투입하면 이온성액체의 음이온이 알칼리 금속염의 소수성 음이온으로 치환되면서 소수성(hydrophobic)의 전도성 고분자가 석출된다.When the alkali metal salt containing the hydrophobic anion or the organic or inorganic acid containing the hydrophobic anion is introduced into the aqueous dispersed conductive polymer-ionic liquid complex, the anion of the ionic liquid is replaced with the hydrophobic anion of the alkali metal salt, thereby making it hydrophobic. A conductive polymer precipitates.
이때 이온 치환 반응을 통해 석출되는 전도성 고분자는 빠르게 석출되기 때문에 용액에 혼합되어 있던 금속염 등의 불순물이 석출되는 전도성 고분자 입자 내에 존재하게 된다.At this time, since the conductive polymer precipitated through the ion substitution reaction is rapidly precipitated, impurities such as metal salts mixed in the solution are present in the conductive polymer particles precipitated.
이를 제거하기 위해 세척을 하면 입자 표면의 불순물은 제거되나 입자 내부에 있는 불순물은 제거되지 않는 단점이 있다. 그러나, 이는 다음의 (d)단계에서 유기용매에 분산시킨 다음 추가적인 세척을 통해 제거하면 된다.When washing to remove this, impurities on the surface of the particles are removed, but impurities in the particles are not removed. However, this may be removed by further washing after dispersing in the organic solvent in the next step (d).
한편, 상기 명시된 금속염 화합물이 아니더라도 소수성 음이온을 가지는 유기 또는 무기산 화합물을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 유기 또는 무기산 화합물은 소수성 음이온을 가지는 것이면 한정되지 않으며, 이러한 화합물의 대표적인 예로는 비스(2-에틸헥실히드로겐 포스페이트) 또는 도데실벤젠술폰산 등이 있다.On the other hand, it is possible to use an organic or inorganic acid compound having a hydrophobic anion even if it is not the metal salt compound specified above. Such organic or inorganic acid compounds are not limited as long as they have a hydrophobic anion, and representative examples of such compounds include bis (2-ethylhexylhydrogen phosphate) or dodecylbenzenesulfonic acid.
(d) 제 4 단계 : 소수성을 가지는 티오펜계 전도성 고분자 및 이온성 액체 복합체의 재분산 및 추가 세척(d) 4th step: redispersion and further cleaning of hydrophobic thiophene conductive polymer and ionic liquid composite
본 발명의 유기 용제 분산성 전도성 고분자 합성의 마지막 단계인 제 4 단계는 상기 제 3 단계에서 얻어진 소수성을 가지는 전도성 고분자 석출물을 다시 유기 용매에 재분산하고 추가로 세척하는 과정이다.The fourth step, which is the final step of synthesizing the organic solvent dispersible conductive polymer of the present invention, is a process of redispersing the conductive polymer precipitate having the hydrophobicity obtained in the third step again in an organic solvent and further washing.
이때, 소수성을 가지는 전도성 고분자를 분산하기 위한 유기용매로는 물을 제외한 모든 유기용매로서 특별히 한정되지 않는다.In this case, the organic solvent for dispersing the conductive polymer having hydrophobicity is not particularly limited as all organic solvents except water.
유기용매의 구체적인 예로는 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤 용매, 디에틸에테르, 디프로필에테르, 디부틸에테르, 부틸에틸에테르, 테트라하이드로퓨란등의 에테르 용매, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르등의 알콜 에테르 용매, N-메틸-2-피릴리디논, 2-피릴리디논, N-메틸포름아미드, N,N-디메틸포름아미드등의 아미드 용매, 디메틸술폭사이드, 디에틸술폭사이드등의 술폭사이드 용매, 디에틸술폰, 테트라메틸렌 술폰등의 술폰 용매, 아세토니트릴, 벤조니트릴등의 니트릴 용매, 알킬아민, 시클릭 아민, 아로마틱 아민등의 아민 용매, 메틸 부틸레이트, 에틸부틸레이트, 프로필프로피오네이트 등의 에스테르 용매, 에틸 아세테이트, 부틸아세테이트등의 카르복실산 에스테르 용매, 벤젠, 에틸벤젠, 클로로벤젠, 톨루엔, 자일렌등의 방향족 탄화수소 용매, 헥산, 헵탄, 시클로헥산등의 지방족 탄화수소 용매, 클로로포름, 테트라클로로에틸렌, 카본테트라클로라이드, 디클로로메탄, 디클로로에탄과 같은 할로겐화된 탄화수소 용매, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디메틸카보네이트, 디부틸카보네이트, 에틸메틸카보네이트, 디부틸카보네이트, 니트로메탄, 니트로벤젠 등이 사용될 수 있으며, 이들 용매 중 어느 하나 또는 그 이상을 혼합하여 사용해도 무방하다.Specific examples of the organic solvents include ketone solvents such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone and cyclohexanone, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, butyl ethyl ether, and ether solvents such as tetrahydrofuran, and ethylene. Alcohol ether solvents such as glycol, propylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, N-methyl-2-pyridyridone, 2-pyridyridone, N-methylformamide, Amide solvents such as N, N-dimethylformamide, sulfoxide solvents such as dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide, sulfone solvents such as diethyl sulfone and tetramethylene sulfone, nitrile solvents such as acetonitrile and benzonitrile and alkylamine Amine solvents such as cyclic amines, aromatic amines, ester solvents such as methyl butyrate, ethyl butyrate, and propyl propionate, ethyl acetate Carboxylic ester solvents such as butyl acetate, aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, ethylbenzene, chlorobenzene, toluene and xylene, aliphatic hydrocarbon solvents such as hexane, heptane, cyclohexane, chloroform, tetrachloroethylene, carbon tetrachloride Halogenated hydrocarbon solvents such as dichloromethane, dichloroethane, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, dibutyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dibutyl carbonate, nitromethane, nitrobenzene and the like can be used, and any one of these solvents Or you may mix and use more.
상술한 바와 같이, (c)단계에서 석출되는 전도성 고분자 입자 내부에는 금속 염 등의 불순물이 들어 있다. 이를 제거하기 위해서는 전도성 고분자를 분산시키는데 사용한 유기용매와는 섞이지 않으면서 금속염 등의 불순물은 용해시킬 수 있는 용매(예: 물, 기타 극성용매) 사용하면 된다.As described above, the conductive polymer particles precipitated in step (c) contain impurities such as metal salts. To remove this, a solvent (eg, water or other polar solvent) that can dissolve impurities such as metal salts without mixing with the organic solvent used to disperse the conductive polymer.
본 발명의 유기용제 분산성 전도성 고분자를 유기용매에 분산시키는 과정에서, 고속교반기, 고압균질기 또는 호모게나이저를 사용하거나, 초음파 처리를 선택적으로 또는 병행하여 실시해 주면 분산성을 보다 높이고 분산입자의 크기를 작고 균일하게 할 수 있다.In the process of dispersing the organic solvent dispersible conductive polymer of the present invention in an organic solvent, by using a high speed stirrer, a high pressure homogenizer or a homogenizer, or by performing an ultrasonic treatment selectively or in parallel, the dispersibility is increased and The size can be made small and uniform.
이로서 본 발명에서 제시하는 유기용매에 분산된 티오펜계 전도성 고분자-이온성액체 복합체 용액의 제조 공정이 완료된다. This completes the preparation of the thiophene-based conductive polymer-ionic liquid composite solution dispersed in the organic solvent proposed in the present invention.
이하에서는 상기에서 제조되는 유기용매에 분산된 전도성 고분자 용액을 이용하여 하나의 사용 예인 대전방지용 코팅액을 제조하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of preparing an antistatic coating solution, which is an example of use, using a conductive polymer solution dispersed in the organic solvent prepared above will be described.
※ <유기용제에 분산된 전도성고분자-이온성액체 복합체를 이용한 유기용제성 대전방지용 코팅액의 제조> ※ <Preparation of organic solvent antistatic coating solution using conductive polymer-ionic liquid composite dispersed in organic solvent>
본 발명을 통해 제조된 전도성고분자-이온성액체 복합체는 다양한 유기용제에 분산시켜 유기용제성 대전방지 코팅액으로 제조하는 것이 가능하며, 이를 다양한 기재에 코팅하여 건조함으로써 대전방지 필름을 형성할 수 있다. 이 때, 상기 유기용제성 대전방지 코팅액은 유기용매에 분산되어 있는 전도성 고분자의 고형분 함량을 0.001 내지 10 중량퍼센트에서 조절하는 것이 바람직하다. 고형분 함량이 0.001 중량퍼센트 이하이면 전도성 고분자 함량이 너무 낮아 전기전도성을 부여하기 어려워 불리하며, 10 중량퍼센트 이상이면 전도성 고분자 함량 많음에도 불구하고 전도도 증진효과가 적어 오히려 불리하다.The conductive polymer-ionic liquid composite prepared through the present invention may be dispersed in various organic solvents to prepare an organic solvent-based antistatic coating solution, and may be coated on various substrates and dried to form an antistatic film. At this time, the organic solvent antistatic coating liquid is preferably adjusted to the solids content of the conductive polymer dispersed in the organic solvent at 0.001 to 10% by weight. If the solid content is less than 0.001% by weight, the conductive polymer content is too low to be difficult to impart electrical conductivity. If the content is more than 10% by weight, the conductivity enhancement effect is small despite the large amount of the conductive polymer.
또한 상기 대전방지 코팅액을 제조할 때, 최종적으로 형성된 코팅도막의 표면저항, 코팅표면의 물성, 기재와의 접착력, 내스크래치성 및 내구성을 조절하는 목적으로 유기 또는 무기화합물로 이루어진 바인더를 혼합하여 사용하는 것이 가능하다. 이 때, 전도성 고분자와 혼합되는 상기 바인더의 예로서, 우레탄기, 에폭시기, 카르복실기, 카르보닐기, 아크릴기, 히드록시기, 에스테르기, 에테르기, 아미드기, 이미드기, 말레인산기, 비닐아세테이트기등의 유기바인더 및 실리케이트, 티타네이트등의 무기성분을 포함하는 무기바인더가 있으며, 이에 한정되지 않고 당업계에서 통상적으로 사용되는 유기 또는 무기 바인더 중에서 선택된 어느 하나 또는 그 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이 때, 상기 바인더의 함량은 전도성고분자-이온성액체 복합체 함량 대비하여 0.1 내지 100배 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.In addition, when preparing the antistatic coating solution, a binder made of an organic or inorganic compound is used for the purpose of controlling the surface resistance of the finally formed coating film, the physical properties of the coating surface, adhesion to the substrate, scratch resistance and durability It is possible to do At this time, as an example of the binder mixed with the conductive polymer, an organic binder such as urethane group, epoxy group, carboxyl group, carbonyl group, acrylic group, hydroxy group, ester group, ether group, amide group, imide group, maleic acid group, vinyl acetate group And inorganic binders including inorganic components such as silicates and titanates, but are not limited thereto and may be used by mixing any one or more selected from organic or inorganic binders commonly used in the art. At this time, the content of the binder can be used by mixing 0.1 to 100 times compared to the content of the conductive polymer-ionic liquid complex.
이는 바인더의 함량이 전도성고분자-이온성액체 복합체의 함량 대비 100배를 초과하면 최종적으로 형성된 코팅도막의 표면저항값이 증가하여 요구되는 기준치를 만족시키기 어려우며, 0.1배 미만이면 바인더를 혼합함으로써 기대되는 코팅물성의 향상을 구현하기 어렵기 때문이다.When the content of the binder exceeds 100 times the content of the conductive polymer-ionic liquid composite, the surface resistance of the finally formed coating film increases, and it is difficult to satisfy the required standard value. It is because it is difficult to implement the improvement of the coating properties.
상술한 기술은 이온성 액체를 매개체로 하여 티오펜계 전도성 고분자를 유기 용매에 분산시키는 방법으로 전도성 고분자 및 이온성 액체의 함량비율을 조절함으로써 유기용매에 대한 분산성이 높을 뿐 아니라 전기전도도 또한 높기 때문에 여러 응용분야에 이용이 가능하다.The above-described technique is a method of dispersing a thiophene-based conductive polymer in an organic solvent using an ionic liquid as a medium to adjust the content ratio of the conductive polymer and the ionic liquid to increase the dispersibility of the organic solvent as well as the electrical conductivity. Therefore, it can be used for various applications.
특히, 본 발명의 전도성 고분자 및 이온성 액체의 복합체는 기존의 티오펜계 전도성 고분자가 친수성인 것과는 달리 소수성으로 각종 고분자 필름에 습윤성이 좋아 바인더를 혼합하지 않고 전도성 고분자 용액만 코팅하여도 접착성, 코팅 도막 물성 또는 물 또는 알콜류 용매에 대한 내용제성이 매우 뛰어나다.In particular, the composite of the conductive polymer and the ionic liquid of the present invention is hydrophobic, unlike the conventional thiophene-based conductive polymer is hydrophobic and has good wettability to various polymer films. The coating film properties or solvent resistance to water or alcohol solvents is very good.
또한, 본 발명의 전도성 고분자 및 이온성 액체의 복합체는 수계 분산된 형태가 아닌 유기용매에 용해된 형태로서 각종 유기용제형 바인더와도 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.In addition, the composite of the conductive polymer and the ionic liquid of the present invention may be mixed with various organic solvent type binders as a form dissolved in an organic solvent rather than in an aqueous dispersed form.
이하 본 발명의 전도성 고분자-이온성액체 복합체 및 이를 이용하여 제조된 대전방지 필름을 실시예 및 비교예를 통해 보다 상세히 설명하고자 하나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the conductive polymer-ionic liquid composite of the present invention and an antistatic film prepared by using the same will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the following examples are only illustrative of the present invention. It does not limit the scope of rights.
1. 실시예들 및 비교예들1. Examples and Comparative Examples
<실시예 1><Example 1>
제 1단계로서 둥근바닥 플라스크에 1-비닐이미다졸 9 g을 넣고 교반하는 중에 브로모에탄 20.4 g을 한 방울씩 투입하고 상온에서 13 시간 동안 반응시킴으로써 1-비닐-3-에틸이미다졸륨 브로마이드를 수득하고 이를 건조시킨다.As a first step, 1-vinylimidazole 9g was added to a round bottom flask, and while stirring, 20.4 g of bromoethane was added dropwise and reacted at room temperature for 13 hours to thereby react 1-vinyl-3-ethylimidazolium bromide. Is obtained and dried.
상기 1-비닐-3-에틸이미다졸륨 브로마이드를 에틸알콜에 용해시킨 후, 질소분위기에서 중합개시제인 아조비스(2-메틸프로피오니트릴)를 상기 1-비닐-3-에틸이미다졸륨 대비 2 몰퍼센트로 투입하고 50℃의 온도에서 7시간 동안 반응시킴으로써 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨 브로마이드)를 제조하고, 수득된 생성물을 클로로포름으로 세척한 후 40도의 온도에서 진공오븐에서 건조하였다. 수득된 생성물을 겔크로마토그래피(GPC)로 측정한 결과 중량평균분자량은 약 170,000 g/몰인 것으로 확인되었다.After dissolving the 1-vinyl-3-ethylimidazolium bromide in ethyl alcohol, azobis (2-methylpropionitrile), a polymerization initiator, was added to the 1-vinyl-3-ethylimidazolium 2 in a nitrogen atmosphere. Poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium bromide) was prepared by adding in mole percent and reacting at a temperature of 50 ° C. for 7 hours, and the obtained product was washed with chloroform and dried in a vacuum oven at a temperature of 40 ° C. It was. The obtained product was measured by gel chromatography (GPC) and found to have a weight average molecular weight of about 170,000 g / mol.
제 2단계로서 둥근바닥 플라스크에 3,4-에틸렌디옥시티오펜 1 g 및 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨) 브로마이드 1g을 150 ml의 물에 투입시켜 용해시키고, 중합개시제로서 암모늄퍼설페이트를 3,4-에틸렌디옥시티오펜에 대해 1.2 몰비로 한 방울씩 첨가하여 상온에서 중합반응을 유도한다.As a second step, 1 g of 3,4-ethylenedioxythiophene and 1 g of poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium) bromide were added to 150 ml of water in a round bottom flask, and ammonium peroxide was used as a polymerization initiator. Sulfate is added dropwise at 1.2 molar ratios to 3,4-ethylenedioxythiophene to induce polymerization at room temperature.
중합반응을 실시할 때 전도성 고분자의 입자의 크기를 작게 하기 위해 고속 교반을 실시하였으며, 이 때 교반조건은 1,000 rpm으로 하였다. 고속교반을 통한 중합반응을 상온에서 48시간 동안 실시하여 수계 분산된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 및 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨) 브로마이드의 복합용액이 제조됨을 확인하였다. 상기 용액에 분산된 수계 전도성 고분자 입자의 크기를 광산란 입도 측정기를 이용하여 측정한 결과 평균입자크기가 약 40 nm임을 확인하였다. When the polymerization reaction was carried out in order to reduce the size of the particles of the conductive polymer was carried out at high speed, the stirring conditions were set to 1,000 rpm. Polymerization reaction through high-speed stirring was performed at room temperature for 48 hours to confirm that a composite solution of aqueous dispersion of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium) bromide was prepared. It was. The size of the water-based conductive polymer particles dispersed in the solution was measured using a light scattering particle size meter, and the average particle size was found to be about 40 nm.
그 다음 제 3단계로서 상기 수계 분산된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 및 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨) 브로마이드의 복합용액에 소수성 음이온을 포함하는 알칼리 금속염인 리튬비스(트리플루오로메탄설폰이미드)를 폴리(1-비닐-3-에틸 이미다졸륨) 브로마이드에 대해 1.2 몰비로 투입하여 브로마이드와 비스(트리플루오로메탄설폰이미드)간에 음이온 교환반응을 유도한다.Lithium bis, which is an alkali metal salt containing a hydrophobic anion, in a composite solution of the aqueous dispersed poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium) bromide as a third step (Trifluoromethanesulfonimide) is introduced at 1.2 molar ratio to poly (1-vinyl-3-ethyl imidazolium) bromide to induce anion exchange reaction between bromide and bis (trifluoromethanesulfonimide) .
이때, 알칼리 금속염을 투입하자마자 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 및 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨) 비스(트리플루오로메탄설폰이미드)의 복합체가 형성되며 물에 분산되지 않고 석출되는 것을 확인하였다.At this time, as soon as the alkali metal salt is added, a complex of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium) bis (trifluoromethanesulfonimide) is formed and dispersed in water. It confirmed that it did not precipitate.
또한 석출물을 퓨리에변환적외선 분광기(아바타, 신코사) 를 통해 흡수피크를 측정한 결과 1054, 1134, 1194, 1353 cm-1에서 나타난 것으로 석출물의 음이온이 트리플루오로메탄설폰이미드로 치환된 것을 확인하였다.In addition, as a result of measuring the absorption peak of the precipitate through a Fourier transform infrared spectrometer (Avatar, Shinkosa), it was confirmed that the anion of the precipitate was substituted with trifluoromethanesulfonimide at 1054, 1134, 1194, and 1353 cm -1 . It was.
제 4단계로서 상기 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 및 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨) 비스(트리플루오로메탄설폰이미드)의 복합체를 수득한 후, 이를 유기용제인 프로필렌 카보네이트에 고형분 함량이 1.0 중량%가 되도록 재분산시켜 유기용매에 분산된 전도성 고분자 및 이온성 액체의 복합용액을 제조하였다.As a fourth step, a complex of the poly (3,4-ethylenedioxythiophene) and poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium) bis (trifluoromethanesulfonimide) was obtained, which was then organic solvent. The redispersion was carried out so that the solid content was 1.0% by weight in the propylene carbonate to prepare a composite solution of a conductive polymer and an ionic liquid dispersed in an organic solvent.
<실시예 2><Example 2>
실시예 2는 제 2단계에서 3,4-에틸렌디옥시티오펜 1 g 및 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨) 브로마이드를 2.2 g을 사용하여 중합반응을 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.Example 2 was prepared in Example 2, except that 1 g of 3,4-ethylenedioxythiophene and 2.2 g of poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium) bromide were polymerized in the second step. Is the same as
<실시예 3><Example 3>
실시예 3은 제 2단계에서 3,4-에틸렌디옥시티오펜 1 g 및 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨) 브로마이드를 0.5 g 사용하여 중합반응을 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.Example 3 was polymerized with Example 1 except that 1 g of 3,4-ethylenedioxythiophene and 0.5 g of poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium) bromide were polymerized in the second step. same.
<비교예 1>Comparative Example 1
비교예 1는 제 2단계에서 3,4-에틸렌디옥시티오펜 1 g 및 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨) 브로마이드를 9 g 사용하여 중합반응을 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.Comparative Example 1 was polymerized with Example 1 except that 1 g of 3,4-ethylenedioxythiophene and 9 g of poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium) bromide were polymerized in the second step. same.
<비교예 2>Comparative Example 2
비교예 2는 제 2단계에서 3,4-에틸렌디옥시티오펜 1 g 및 폴리(1-비닐-3-에틸이미다졸륨) 브로마이드를 0.11 g 사용하여 중합반응을 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.Comparative Example 2 was polymerized with Example 1 except that 1 g of 3,4-ethylenedioxythiophene and 0.11 g of poly (1-vinyl-3-ethylimidazolium) bromide were polymerized in the second step. same.
<비교예 3>Comparative Example 3
비교예 3는 제 2단계에서 중합반응을 실시할 때 고속교반기를 사용하지 않고 100 rpm의 교반조건으로 자석교반을 실시한 것 이외에는 실시예 1과 동일하다. 제 2단계를 거친 후, 수계 전도성 고분자 입자 크기를 광산란입도측정기를 이용하여 측정한 결과 평균 입자크기가 약 400 nm임을 확인하였다. Comparative Example 3 is the same as Example 1 except that the magnetic stirring was performed under a stirring condition of 100 rpm without using a high speed stirrer when performing the polymerization reaction in the second step. After the second step, the particle size of the water-based conductive polymer was measured using a light scattering particle size analyzer, and the average particle size was found to be about 400 nm.
2. 코팅막의 형성2. Formation of coating film
상기 실시예들 및 비교예들에 의해 제조되는 용액을 이용하여, 캐스팅 방법과 바코팅 방법을 이용하여 전도성 도막을 형성하였다. 캐스팅 방법으로 제조된 전도성 막은 상기 용액을 슬라이드 글라스 위에 부은 후 약 120도에서 5분간 건조시킨후 다시 상온에서 진공오븐으로 24시간 건조시켜 제조하였으며, 바코팅 방법으로 제조된 전도성 코팅막은 상기용액을 폴리에스터 필름에 부은 후, 7번 바코터를 이용하여 코팅하고 150도에서 2분간 건조시켜 제조하였다.Using the solution prepared by the above Examples and Comparative Examples, a conductive coating film was formed using the casting method and the bar coating method. The conductive film prepared by the casting method was prepared by pouring the solution on a slide glass, drying at about 120 degrees for 5 minutes, and then drying at room temperature for 24 hours in a vacuum oven. The conductive coating film prepared by the bar coating method prepared the poly After pouring into the ester film, it was coated by using a bar coater No. 7 and dried at 150 degrees for 2 minutes.
3. 물성측정3. Property measurement
상기 실시예들 및 비교예들을 통해 제조된 전도성 고분자 및 이온성 액체의 복합용액을 유기 용매로서 프로필렌 카보네이트를 사용하여 분산시켰으며, 상기 분산 용액을 상온에서 24시간 방치한 후 침전발생 여부에 따라 분산성을 평가하였다.The composite solution of the conductive polymer and the ionic liquid prepared through the above Examples and Comparative Examples was dispersed using propylene carbonate as an organic solvent, and the dispersion solution was allowed to stand for 24 hours at room temperature and then Acidity was evaluated.
○: 침전발생 없음, ○: no precipitation,
△: 미량의 침전발생, △: occurrence of a small amount of precipitation,
X: 침전발생X: precipitation
또한, 상기 분산용액을 폴리에스터 필름에 캐스팅한 후 4단자 측정법을 (키슬리사 2400)을 이용하여 전기전도도를 측정하였으며, 표면저항은 바코터를 이용하여 도막두께를 약 100 nm로 한 후 표면 저항 측정기(Prostat사 PRS-801)를 이용하여 측정하였다.In addition, the dispersion solution was cast on a polyester film, and then the electrical conductivity was measured using a four-terminal measurement method (Kisley's 2400). The surface resistance of the coating film was approximately 100 nm using a bar coater. It measured using the resistance meter (Prostat PRS-801).
접착력의 측정은 분산용액을 폴리에스터 필름에 5번 바코터를 이용하여 코팅 하고 건조시킨 후에 3M 스카치 테이프를 붙이고 분리했을 때 코팅도막이 떨어져 나오는지를 평가하였으며 (ASTM D3359), 코팅도막이 떨어져 나오는 것은 불량으로 기재하였다.The adhesive force was measured by coating the dispersion solution on the polyester film using a bar coater 5 and drying, and then applying the 3M scotch tape and detaching it. The coating film was released (ASTM D3359). Described.
내용제성은 면봉에 이소프로필알콜을 적신 후, 코팅면을 10회 왕복마찰시켜 코팅도막이 벗겨지는지를 평가하였으며, 코팅도막이 벗겨지는 것을 불량으로 기재하였다.Solvent resistance was evaluated by immersing isopropyl alcohol on a cotton swab, and then reciprocating the coating surface 10 times to determine whether the coating film was peeled off.
4. 물성측정 결과 및 분석4. Property measurement result and analysis
상기 표 1은 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 의해 제조되는 전도성고분자-이온성 용액, 및 코팅도막에 대한 물성측정 결과를 나타낸 것이다.Table 1 shows the results of measuring the physical properties of the conductive polymer-ionic solution and the coating film prepared by the Examples and Comparative Examples of the present invention.
표 1을 참조하면, 상기 측정결과에서 비교예 1과 같이 전도성 고분자 단량체의 함량에 비해 이온성 액체의 함량이 크게 높을 경우 유기 용매 분산성은 좋으나 전기전도도가 낮음을 확인할 수 있으며, 비교예 2와 같이 이온성 액체의 함량에 비해 전도성 고분자 합성용 단량체의 함량이 높을 경우 전도성 고분자 단량체끼리 반응하여 침전이 발생하여 본 발명의 목적을 벗어나며 접착성 또는 유기 용매 분산성이 나빠짐을 알 수 있다.Referring to Table 1, when the content of the ionic liquid is significantly higher than the content of the conductive polymer monomer in Comparative Example 1, the organic solvent dispersibility is good but the electrical conductivity is low, as shown in Comparative Example 2 When the content of the monomer for synthesizing the conductive polymer is high compared to the content of the ionic liquid, the conductive polymer monomers react with each other to cause precipitation, thereby deteriorating the adhesiveness or dispersibility of the organic solvent.
따라서, 본 발명의 전도성 고분자 복합체는 전도성 고분자 및 이온성 액체의 함량비율이 본 발명에서 제시하는 수준의 적정한 선에서 유지되는 것이 전도성 고분자 및 이온성 액체의 복합체의 유기용매 분산성 및 이 복합체로 이루어진 복합 용액의 전기적 특성을 결정짓는 중요한 요소임을 알 수 있었다.Therefore, in the conductive polymer composite of the present invention, the content ratio of the conductive polymer and the ionic liquid is maintained at an appropriate level at the level suggested by the present invention. It was found to be an important factor in determining the electrical properties of the composite solution.
또한, 비교예 3에서는 전도성 고분자 및 이온성 액체의 함량비가 적절하다 하더라도, 중합 반응시 고속교반기를 사용하지 않은 경우에는 입자의 크기가 커지고 이로 인해 미량의 침전발생과 함께 전기전도도가 낮아짐을 알 수 있다. In addition, in Comparative Example 3, even if the content ratio of the conductive polymer and the ionic liquid is appropriate, when the high speed stirrer is not used in the polymerization reaction, the size of the particles increases, which results in a small amount of precipitation and an electrical conductivity. have.
이하 추가적인 실시예들을 제시하여 보다 우수한 물성을 가지도록 해주기 위한 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a description will be given of a method for providing more excellent physical properties by presenting additional embodiments.
<실시예 4><Example 4>
실시예 4는 분산 유기용매로서 실시예 1에서 사용한 프로필렌 카보네이트가 아닌 디메틸아세트아마이드을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.Example 4 is the same as Example 1, except that dimethylacetamide is used instead of the propylene carbonate used in Example 1 as a dispersed organic solvent.
이에 대하여 상기와 같은 방법으로 물성을 측정한 결과 유기용매로 디메틸아세트아마이드을 사용하는 경우에도 침전현상이 발생하지 않고 분산성 역시 우수함을 확인하였으며, 폴리에스터 필름에 코팅했을 경우 전기전도도는 7.9x10-2 S/cm로 측정되었다.As a result of measuring the physical properties in the same manner as described above, even when using dimethyl acetamide as an organic solvent, it was confirmed that no precipitation occurred and the dispersibility was excellent, and when coated on a polyester film, the electrical conductivity was 7.9x10 -2. Measured in S / cm.
<실시예 5><Example 5>
실시예 5는 제 2단계에서 수계 분산된 전도성 고분자 복합용액을 제조한 후, 여기에 과량의 톨루엔을 부어 미반응 불순물을 분리하는 과정을 추가적으로 거치는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하다.Example 5 is the same as that of Example 1, except that the conductive polymer composite solution dispersed in the aqueous phase is prepared in the second step, and an additional toluene is poured therein to separate unreacted impurities.
수계 분산된 전도성 고분자 복합용액을 톨루엔으로 세척하여 분리하면 톨루엔의 빛깔이 노란색로 변하는 것으로 미루어 미반응된 EDOT 단량체가 제거됨을 확인하였다. 이 후 공정을 통해 수득한 전도성 고분자-이온성 액체 복합체 용액을 캐스팅한 후 측정한 전기전도도는 6.5x10-2 S/cm 으로 측정되었다. 따라서 (b) 단계에서 미반응믈을 제거하면 불순물은 효과적으로 제거되는 반면에 전기전도도는 크게 증가하지 않음을 알았다. When the aqueous dispersion-conductive polymer composite solution was separated by washing with toluene, it was confirmed that the unreacted EDOT monomer was removed because the color of toluene turned yellow. After the casting of the conductive polymer-ionic liquid composite solution obtained through the process, the measured electrical conductivity was measured as 6.5x10 -2 S / cm. Therefore, it was found that when the unreacted metal was removed in step (b), impurities were effectively removed, while the electrical conductivity was not greatly increased.
<실시예 6><Example 6>
실시예 6은 실시예 5와 동일한 방법으로 프로필렌 카보네이트를 유기용매로 하여 전도성 고분자-이온성 액체 복합체 용액을 제조하였다. 이후, 상기 용액에 과량의 물을 넣은 후 교반하고 일정시간 방치하면, 전도성 고분자-이온성 액체 복합체가 포함되어 있는 유기층과 물층으로 분리되는 데 분별깔때기를 이용하여 유기층만을 분리하여 수득하였다. 상기 과정을 3회 반복하고 실리카겔을 이용하여 잔존하는 물을 완전히 제거하였다. 이후 상기 용액의 분산성을 평가한 경우에 침전현상이 발생하지 않았으며, 캐스팅하여 측정한 전기전도도는 3.5x10-1 S/cm으로 측정되었다.In Example 6, a conductive polymer-ionic liquid composite solution was prepared using propylene carbonate as an organic solvent in the same manner as in Example 5. Then, after adding excess water to the solution and stirred and left for a certain time, to separate the organic layer using a separatory funnel to separate the organic layer and the water layer containing the conductive polymer-ionic liquid complex was obtained. The process was repeated three times and the remaining water was completely removed using silica gel. Thereafter, when the dispersibility of the solution was evaluated, no precipitation phenomenon occurred, and the electrical conductivity measured by casting was measured as 3.5 × 10 −1 S / cm.
이로서, 물로 잔존하는 불순물을 제거하는 공정을 더 거치게 되면 보다 순수한 이온성액체-티오펜계 전도성 고분자 복합체가 얻어짐으로서 최종적으로 형성되는 코팅층의 전기전도도가 크게 향상됨을 확인하였다.As a result, when the process of removing impurities remaining in the water was further performed, a purer ionic liquid-thiophene-based conductive polymer composite was obtained, and it was confirmed that the electrical conductivity of the finally formed coating layer was greatly improved.
<실시예 7><Example 7>
실시예 7은 실시예 1을 통해 수득한 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/이온성 액체 복합체를 1.0 중량퍼센트가 되도록 프로필렌카보네이트 용매에 용해시킨 후 여기에 프로필렌카보네이트 용매를 20배 더 넣어 희석시킨 후 폴리에스터 표면에 7번 바코터로 코팅한 후 건조하여 표면에 대전방지층을 형성하였다.Example 7 dissolves the poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / ionic liquid complex obtained in Example 1 in propylene carbonate solvent to 1.0 weight percent, and then adds 20 times more propylene carbonate solvent. After diluting, the polyester surface was coated with a bar coater 7 times and dried to form an antistatic layer on the surface.
이들 필름의 표면저항을 측정한 결과, 고형분 함량이 1.0 중량퍼센트인 경우에는 표면저항이 8.4X107 Ω/□이었고 희석 용액을 코팅한 경우에는 표면저항이 9.3X109 Ω/□이었다.As a result of measuring the surface resistance of these films, when the solid content was 1.0% by weight, the surface resistance was 8.4X10 7 Ω / □ and when the diluted solution was coated, the surface resistance was 9.3X10 9 Ω / □.
<실시예 8><Example 8>
실시예 8은 실시예 1을 통해 수득한 수계 분산된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/이온성 액체 복합체를 이온 치환할 때 비스(2-에틸헥실 히드로겐 포스페이트)를 사용하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하다. 실시예 1에서 수득한 복합체의 경우 프로필렌 카보네이트에는 분산 가능하지만 비교적 무극성 용매인 에틸아세테이트에는 분산되지 않는다. 이 경우 본 실시예와 같이 비스(2-에틸헥실 히드로겐 포스페이트)를 이용해서 이온 교환을 하면 에틸아세테이트에 분산된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/이온성 액체 복합체를 얻을 수 있다.Example 8 excludes the use of bis (2-ethylhexyl hydrogen phosphate) when ion displacing the aqueous dispersed poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / ionic liquid complex obtained through Example 1 And the same as in Example 1. The composite obtained in Example 1 is dispersible in propylene carbonate but not in ethyl acetate, which is a relatively nonpolar solvent. In this case, by ion exchange using bis (2-ethylhexyl hydrogen phosphate) as in this embodiment, a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / ionic liquid complex dispersed in ethyl acetate can be obtained.
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