수면상에서 지방산과 Polyamic acid 혼합 단분자 Langmuir막의 변위전류에 관한 연구

박근호, 송주영

창원대학교 공과대학 공업화학과

Maxwell Displacement Current of Monolayer Langmuir Films mixed with Fatty Acid and Polyamic acid on the Water Surface

Keun Ho Park, Ju Yeong Song

Depatment of Chemical Technology of Changwon National University

서론

최근에는 Langmuir-Blodgett(LB)막을 이용한 연구가 냄새 센서, 이온 센서, 습도 센서, 가스 센서 등과  다분자막을 이용한 bio sensor의 영역으로 크게 진전되고 있으며, 전기 광학 소자와 광자극에 의한 분자 구조의 변화를 이용한 분자 기억 소자에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다. LB법은 초박막의 합성에 대하여 그 분자 정렬이 수 nanometer 두께[1]로 정밀하게 조절할 수 있기 때문에 좋은 방법이다. 고분자의 LB막은 thin organic optical 제조와 일반적인 LB 박막에 비해 안정하기 때문에 전기광학 소자 설계에 사용되어지고 있다. 또한 nitroazobenzene 작용기를 가진 polyamic acid의 변위 전류 등의 물성을 보면 Langmuir(L)막 상에서 열 등의 에너지를 가하는 경우에는 구조 변화가 발생하므로 열자극 소자나 다른 기능성 소자로의 이용 가능성이 제시되고 있다[2].

본 연구에서는 4-octyl-4'-(5-carboxypentamethyleneoxy)azobenzene(8A5H) 지방산과 합성한 polyamic acid를 혼합하여 용액을 제조한 후, 이 혼합물을 수면상에 전개시킨 L막의 Maxwell 변위 전류(MDC)를 측정하여 그 물성을 검토하고자 하였다.

실험

본 실험에 사용한 8A5H는 (주) Dojindo(Japan)에서 제조한 시약을 구입하여 정제하지 않고 그대로 사용하였다. 물질의 합성과 반응 측정 및 분석에 사용한 기기는 Shimadzu사(일본)의 UV-2100, FT-IR 8100 series, NMR은 90MHz를 사용하였으며, 반응 생성물의 점도 측정에는 Oswald viscometer를 사용하였다[2].

MDC 측정 장치는Nippon Laser NL-LB 1000을 사용하였으며, 그림 1과 같다. 전극 1(상부 전극)은 면적이 46.5cm2인 원형 ITO 유리로서 스테인레스 강으로 쉴드(shield) 하였으며, 트러프(trough)에 탈착이 용이하도록 하였다.

전극 2 (하부 전극)는 금선으로 수중에 설치하였다. 전극 1과 수면의 거리는 1mm로 하였고, 지방산을 혼합한 polyamic acid 단분자를 수면 상에 전개시킨 다음 10분간 방치하여 용매를 휘발시킨 후 베리어(barrier)를 40mm/min의 속도로 압축 및 확장시켜 변위전류를

측정하였다.                              Fig.1 MDC measuring apparatus

결과 및 고찰

지방산과 Polyamic acid를 사용하여 수면에 L막을 형성한 후 베리어를 압축, 팽창하면 다음 식 (1)로 표시되는 전하량 Q1가 상부 전극 1에 유기되고, 이 유기 전하량이 전류계를 통하여 검출된다[3].

[eqn: Q1 = - {N} over {d} {m}_{z} - { □ { epsilon}_{o}S} over {d}{PHI}_{s}]                       (1)

여기서, □o : 진공의 유전율, □ : 공기의 비유전율, d : 상부 전극과 수면과의 거리, S : 상부 전극 면적, □s : 수면의 전위, N : polyamic acid 단분자막의 분자 밀도, mz : 분자의 쌍극자 모멘트 수직 성분이다.

또한 polyamic acid 혼합 단분자막의 외부에서 압력을 가하면 막의 상태와 구조가 변하게 되므로 이 때, 상부 전극과 하부전극 간의 분자간 전속 밀도가 변화할 때 변위 전류는 흐르게 되며, 외부 회로를 통하여 흐르는 변위 전류 I는 식 (2)와 같다[4].

[eqn: I = - { dQ} over {dt }][eqn: = {{m}_{z}}over{d}{dN}over{dt}+{N}over{d}{d{m}_{z}}over{dt}+{epsilon{epsilon}_{o}S}over{d}{d {PHI}_{s}}over{dt}]       (2)

여기에서 제 1 항은 분자의 배향 상태가 변화하여, 쌍극자의 수직 방향 성분 mz가 변화할 때 흐르는 전류이고, 제 2 항은 전극 밑에 존재하는 분자수가 변화할 때 흐르는 전류이며, 제 3 항은 수면의 계면 전위가 변화할 때 흐르는 전류로서 변위 전류를 구분할 수 있다. 식(2)에서 보면, 베리어 압력에 의한 계면 전위의 변화는 무시할 수 있는 양이므로 결국 변위 전류의 크기는 N와 mz의 시간에 따른 변화에 좌우됨을 알 수 있다.

Polyamic acid를 수면에 전개시켜 베리어를 압축시켰을 때 분자의 점유 면적에 Fig. 2 MDC for mixed  polyamic acid and 8A5H monolayers on the water surface with 1st and 2nd compression: □-A and I-A Isotherms.

대한 표면압 및 변위전류의 변화 결과를 Fig.2에 나타내었다. Polyamic acid와 8A5H의 몰비를 1:1로 하여 혼합한 것을 0.2mmole/L로 전개액을 조제하여 600□L를 수면 상에 전개시켰다. 그리고 베리어를 40.0mm/min의 속도로 1차 및 2차 압축하였을 때 분자당 점유 면적에 대한 표면압과 변위 전류의 변화를 검토하였으며, 그 결과를 Fig.2에 나타내었다. Fig.2를 보면, 분자의 점유 면적을 130Å2부터 25Å2 부근까지 압축시켰다. 처음 1차 압축이 시작되었을 때 변위 전류는 발생하지 않았으며, 약 95Å2 부근에서 변위 전류가 발생하기 시작하여 95Å2에서 최대 피크가 발생하였다. 또한 표면압의 변화는 85Å2 부근에서 볼 수 있었으며, 전하량 변화도 역시 비슷한 위치에서 나타났다. 2차 압축시 변위 전류 및 표면압의 경우를 보면 변위전류는 90Å2 부근에서 나타기 시작하여 점유면적 75Å2 부근에서 최대 변위전류 피크가 나타나고, 표면압의 발생은 비슷한 분자당 점유면적에서 발생한다. 따라서 변위전류 및 표면압 변화의 차가 발생함을 볼 수 있으며, 이것은 압축시 분자간의 H-aggregation에 의한 것으로 추정되어진다.

지방산과 polyamic acid의 압축 및 확장에 따른 영향을 검토하기 위하여 polyamic acid와 8A5H의 몰비를 1:1로 하여 혼합한 것을 0.2mmole/L로 전개액을 조제하여 500□L를 수면 상에 전개시켰다. 그리고 베리어를 40.0mm/min의 속도로 압축, 확장하였을 때 분자당 점유 면적에 대한 표면압과 변위 전류의 변화

를 검토하였으며, 그 결과 Fig.3에 나타내었다. Fig.3의 압축과 확장의 경우를 보면, 분자의 점유 면적을 160Å2부터 30Å2부근까지 압축하였다. 처음 압축이 시작되었을 때 변위전류는 발생하지 않았으며, 약 100Å2 부근에서 변위 전류가 발생하기 시작하여 78Å2에서 큰 피크가 발생하였다. 또한 표면압의 변화는 80Å2 부근에서 볼 수 있었다. 이 후 변위전류의 피크가 크게 감소되면서 표면압의 변화가 나타난다. 압축과 확장시 표면압가 변위 전류의 변화는 약간의 차가 있음을 알 수 있다. 이러한 현상은 polyamic acid 유도체의 분자가 크기 때문에 인지질과 같은 유연한 물질을 제외한 유연성이 결여된 일반적인 물질의 경향을 나타내고 있어 압축과 확장이 원만하지 않는 것으로 사료되어진다[5].

Fig. 3 A typical example of the displacement current measurement for mixed  polyamic acid and 8A5H monolayers on the water surface with compression and expansion.

결론

지방산과 polyamic acid 혼합 단분자 L막에서 변위전류 및 표면압 변화에 관하여 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 1차 및 2차 압축시 변위전류 및 표면압 변화의 차가 발생하는 것은 압축시 분자간의 H-aggregation에 의한 것으로 추정되어진다.

2. 8A5H와 polyamic acid 혼합 단분자 L막의 압축확장에 따른 영향은 큰 차가 없었으며, 이것은 혼합물질의 유연성 결여에 기인한 것으로 생각된다.

참고문헌

1) Palto, S. P., Shtykov, N. M., Khavrichev, V. A. and Yudin, S. G., Mol. Mater. 1, 3 (1992).

2) Park, K. H. and Park, T. G., Transactions of the Institute of Industry and Technology, Changwon National University, 11, 305 (1997).

3) Lee, K. S. and Iwamoto, M., J. Coll. Inter., 177, 414 (1996).

4) Park, K. H. and Iwamoto, M., J. Coll. Inter., 193, 71 (1997).

5) Park, K.H., and Lee, S., and Byun, Y.J., J. of Korean oil Chemists’Soc.,

16(4), 281(1999).