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GPC 실험 보고서

1. 실험 제목 : Molecular weight analysis by GPC2. 실험 날짜 :3. 실험 목적 : GPC의 원리를 이해하고 GPC를 어떻게 이용하는지, 어떤 유의할 점이 있는지 알아보기 위한 실험이다.4. 실험 원리I) Chromatography eq oac(○,1) 크로마토그래피의 정의와 종류- 크로마토그래피는 어떠한 이동상의 물질들의 정지상을 통과하는 시간차를 이용하여 분리하는 방법이다, 가장 널리 알려진 방법으로는 종이 크로마토그래피로 종이에 액체가 퍼져가는 속도를 이용한 것이다. 하지만 고분자에는 사용할 수 없고, 고분자는 일반적으로 칼럼 크로마토그래피인 GPC나 GFC를 사용하여 분리하여 측정한다. 일반적으로 크로마토그래피는 단순히 혼합물을 분리하거나 이동상의 유동 속도를 측정하기 위해 사용되지만 고분자의 경우 분자량 분포나 분자량을 측정하기 위해 크로마토그래피가 사용된다. 고분자에는 GPC나 GFC 사용이 일반적이지만 다른 크로마토그래피의 종류로는 고속액체, 기체 박층, 분배, 종이, 칼럼, 흡착 크로마토그래피 등 많은 분리 방법이 사용된다. eq oac(○,2) GPC와 GFC의 차이- GPC와 GFC는 둘다 고분자와 같은 높은 분자량의 물질을 분석하는데 많이 사용된다는 공통점이 있다. 또한 칼럼 형 크로마토그래피이며 정지상이 다공성 gel로 가득 채워져 있다는 것 또한 같다. 사실상 거의 모든 구조와 원리, 과정이 비슷하지만 GPC는 고분자가 유기 용매에 잘 녹을 때, GFC는 고분자가 수용액에 잘 녹을 때 사용한다. 즉 대부분의 고분자는 GPC로 실험을 하지만 biopolymer 같은 수용액에 녹여야 하는 고분자들은 그 환경에 맞는 GFC를 사용하는 것이 적절하다.1II) GPC (Gel Permeation Chromatography) eq oac(○,1) GPC의 원리- GPC는 말 그대로 이동상이 정지상을 투과하는 속도를 계산하여 분자량과 분자량의 분포도를 계산하는 분석법이다. 앞에서 말했듯이 GPC의 칼럼 안쪽에된다. 정지상이 gel은 다공성 gel로 용매와 작은 분자량의 물질이 통과할 수 있는 구멍이 많이 뚫려 있다. 고분자 용액이 이러한 다공성 gel을 통과할 때 칼럼에 머무는 시간을 retention time 또는 elution time이라 하는데 이러한 retention time이 차이가 나는 이유는 분자량 마다 칼럼을 통과할 때 이동하는 거리가 달라지기 때문이다. 다공성 gel에는 크기가 큰 구멍도 있고 크기가 작은 구멍도 있다. 따라서 분자량이 클 경우에는 작은 구멍은 들어가지 못하고 gel옆으로 지나가지만, 분자량이 작을 경우 거의 대부분의 구멍을 통과하여 지나가기 때문에 칼럼에서의 이동거리는 길어지고 retention time 또한 길어지게 되는 것이다. 이러한 원리를 이용하여 GPC에서 retention time이 짧을수록 분자량이 크고, retention time이 길수록 분자량이 작은 것을 알 수 있다.2 eq oac(○,2) GPC의 구조- GPC는 단순히 칼럼만 있으면 되는 단순한 장비는 아니다. 정확한 분석을 위해서 일정한 속도로 용액을 보낼 필요가 있으며, 용매에 이물질을 제거해줘야 하고, 칼럼에서 용출된 고분자의 농도를 측정하고 다음으로 고분자의 분자량 또한 측정해야한다. 따라서 pump와 filter, injector, column, 2 종류의 dector가 필요하다. 우선 pump에 대해 알아보면 pump의 가장 중요한 것은 일정한 압력을 주어야 한다는 것이다. 일반적으로 정지상이 손상이 가지 않게 1000~4000psi의 압력이나 2~3ml/min의 유속으로 물질을 보내주어야 한다. 그리고 filter에서 용매의 이물질을 걸러준 후 injector에서 0.005~0.1%의 농도로 고분자를 넣어준다. 이러한 고분자용액은 각각의 성질에 맞는 칼럼을 투과한 후 detector에 의해 감지되는데, 처음으로는 고분자의 중량 농도를 알 수 있게 UV absorption나 differential refractometer (DRI) 또는 refdensity detectors 등으로 중량 농도를 측정하여 나오는 고분자의 양을 계산한다. 그리고 나오는 고분자의 분자량을 측정하기 위해 LALLS (low angle light scattering detector) 및 MALLS (multi angle light scattering)를 사용하여 분자량을 감지한다. GPC는 이런 구조로 고분자의 분자량과 분자량 분포를 측정할 수 있는 장비이다. 3 eq oac(○,3) GPC에 영향을 주는 요인- GPC에는 결과에 영향을 미칠 많은 요소들이 있다. 신경써야 할 많은 요소들이 있지만 그중 중요한 것들로는 사용하는 용매의 종류, 칼럼의 타입(gel의 종류), 유체의 균일한 유동, 검출기 시스템 등이 있다.- 우선 용매에 대해서 알아보자. 용매에는 여러 종류가 있지만 온도와 고분자의 종류에 따라 주로 사용되는 용매들이 있다. 일반적으로 가장 많이 사용되는 용매는 THF로 대부분의 고분자를 상온에서 용해시킬 수 있는 좋은 용매이다. 또한 결정성 폴리올레핀을 녹이는 경우에는 o-dichlorobenzene과 trichlorobenzene을 사용한다. 이런 용매일 경우 130~150° C 사이에서 사용이 가능하다. 또한 주쇄 사이의 인력이 강한 축합 중합으로 생성된 나일론이나 폴리에스터 같은 경우는 phenlic solvent들을 이용한다. 이러한 경우는 100° C 부근에서 용해시키고 사용된다. 또한 나일론이나 폴리에스터 보다 인력이 강하여 용매에 잘 녹지 않는 고분자일 경우 DMF나 aqueous elunets가 사용되기도 한다.- 칼럼의 종류에는 크게 2가지 타입이 있는데 용매가 수용성 용매일 때와 유기용매일 경우로 나뉜다. GPC는 유기용매를 사용하므로 유기용매에 사용되는 칼럼을 사용한다. 또한 칼럼 안의 gel에도 여러 물질이 사용되는데 유기용매 타입의 칼럼에는 주로 다공성의 가교가 많이 된 폴리스티렌, 또는 다공성 실리카, 가교가 많이 된 폴리 바이닐 알코올이 사용된다. 또한 gel이 가져야할 특성으로는 세밀하고 많이 있어서 물질의 좋은 분리 효과와 유체가 잘 흐르도록 해야한다. 또한 젤의 타입에 따라- 일정한 유체의 유동 속도와 검출기의 종류는 ‘ eq oac(○,2)GPC의 구조’ 에서 말했던 일정한 압력과 유동 속도의 펌프와 여러 검출기 중 맞는 것을 사용하면 된다.4 eq oac(○,4) GPC의 결과 분석- GPC 원리에서 말했듯이 GPC는 분자의 크기에 따라 칼럼에 retention time이 달라지고, 그 시간의 차이를 이용하여 분자량과 분자량 분포를 얻는 것이다. 또한 용출되는 용액을 검출하는 장비는 용액의 weight fraction이나 농도를 측정하는 장비이다. 따라서 얻을 수 있는 결과는 retention time에 따른 용액의 농도나 weight fraction이다. 따라서 이러한 두 변수로 결과 그래프를 얻게 되면 일반적으로 broad한 peak를 가진 그래프를 얻을 수 있고, 이러한 peak가 broad 할수록 분자량 분포가 넓은 고분자이고, peak가 sharp 할수록 분자량 분포가 좁은 고분자인 것을 알 수 있다. 또한 이렇게 weight fraction과 retention time이 아닌 molecular weight 와 retention volume으로 교정하여 나타내기도 한다. 이러한 경우 기준 물질이 필요하고 기준 물질은 단분산성인 물질이여야 한다. 일반적으로 기준 물질로는 폴리스티렌을 많이 사용한다. 기준 물질이 특정 분자량을 가질 때 특정한 retention volume에서 용출 될 것이고, 이러한 방법으로 여러 분자량의 단분산성 기준물질들을 검사하여 Calibration curve를 만들어 주는 것이다. 이렇게 만들어진 calibration curve는 어떠한 물질의 retention volume에 따라 분자량이 얼마나 되는지 알려주는 기준 그래프가 된다. 만약 그 기준 그래프를 다른 물질에도 적용시키고 싶다면 분자량 축에 물질의 고유 점도를 곱해주면 된다. 분자량에 고유 점도를 곱한 것은 hydrodynami, 이러한 그래프를 universal calibration이라고 한다.5III) GPC의 이론적 배경- GPC에 들어가는 용액에는 아주 낮은 농도의 고분자 용액으로 고분자 간의 작용은 매우 적다. 따라서 용매에 녹은 고분자는 용매에 녹는 정도에 따라 구형이 될 수도 있고, 긴 막대 형태가 될 수 있다. 따라서 용매에 따라 점도가 달라지게 되며, GPC의 elution volume과 점도 간의 식이 필요하다.우선 물질의 고유 점도를 이렇게 나타낼 수 있다. 여기서 φ은 시료의 부피 분율을 나타내고, ω는 용매에 녹은 고분자 시료의 형태를 나타낸다. 여기서 ω가 2.5이면 구형 입자를 가지는 것을 의미한다.단분산성 고분자일 경우 이런 식으로 가정할 수 있고,농도를 0으로 보내는 경우 이러한 식이 나온다 여기서는 log[η]M이 hydrodynamic volume이다. hydrodynamic volume은 용매에 녹은 고분자 코일의 크기를 나타내며 good solvent일 경우 점점 커지는 성향을 띈다. 따라서 이렇게 hydrodynamic volume과 elution volume간의 식을 얻을 수 있다. 이러한 식을 이용하여 기준 물질과 내가 측정하는 물질 사이의 식을 이용하여 내가 측정하는 물질의 분자량을 알 수 있다.5. 실험 방법실험 방법은 가장 많이 사용되는 물질들을 기준으로 작성하겠습니다.I) 가장 많이 사용되는 용매인 THF (HPLC grade) 용매를 펌프로 흘러가는 호스를 연결시킨다.II) 펌프의 압력을 0.1ml/min에서 높여서 0.2~0.3ml/min으로 맞춰주고 압력이 안정화될 때까지 기다린다.III) 압력이 안정화되면 single analysis를 눌러 샘플의 ID, sample, file name을 동일하게 맞춘다.IV) 주사기 내부를 THF용매를 이용하여 5~6회 세척하여준다.V) 샘플을 넣기 전 THF투여로 안정화 시킨다. 순수한 THF를 넣어주고 load에서 inject로 돌렸다가 다시 load로 돌려준다.VI) 위 방법을 따라 TT4

공학/기술| 2020.05.01| 5페이지| 1,000원| 조회(301)

실험보고서, 예비보고서, GPC

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PS 음이온 중합 보고서 평가A+최고예요

1. 실험 제목 : Polystyrene synthesis by Anionic Polymerization2. 실험 날짜 :3. 실험 목적 : PS를 anionic polymerization을 이용하여 중합함으로써 anionic polymerization의 메커니즘과 원리, 특징을 이해한다.4. 실험 원리i) 중합 종류 eq oac(○,1) 축합, 단계중합(condensation, step polymerization)- 단량체에 작용기가 2개씩 있는 분자들은 중합을 위해 작은 부가생성물을 만들며 중합을 한다. 이 중합에는 에스테르화, 아미드화, 우레탄화, 베이크라이트, 또는 방향족의 치환 등이 포함된다. 단계중합은 수평균 중합도(DP)가 1/(1-p)이므로 전환률(P)이 90%에 도달하더라도 중합도(DP)가 10밖에 되지 않아 전환률이 매우 높을 떄까지 분자량이 높지 않은 상태로 있다. 또한 전환률이 낮으면 분자량이 매우 낮아 교반에 용이하고 전환률이 높으면 반응속도가 느려져 발열량이 없는 것이 장점이다.1 eq oac(○,2) 첨가, 연쇄중합(addition, chain polymerization)- 이중 결합 또는 삼중결합을 가진 단량체들이 같은 종류의 분자와 반응기들에 반응하여 첨가 반응을 일으키며 중합을 한다. 중합 개시제나 중합 방식에 따라 라디칼, 음이온, 양이온 중합으로 분류할 수 있으며, 다중결합을 가진 단량체인 에틸렌, 올레핀, 다이엔, 스티렌 같은 단량체를 중합하는 방식이다. 단량체는 오로지 성장중인 작용기, 즉 라디칼이나 이온에만 반응을 한다. 따라서 낮은 전환률부터 높은 분자량이 만들어지는 것이 특징이며, 반응하는 내내 단량체가 서서히 사라지는 것이 특징이다. 또한 단계중합과는 다르게 분자량은 중합동안 비교적 일정하다.2ii) 이온 중합 eq oac(○,1) 이온 중합- 이온 중합은 단량체가 이온 개시제에 반응을 할 수 있도록 불포화 결합이 존재하는 단량체여야 중합이 가능하다. 따라서 라디칼 중합과 이온 중합이 가능한 연쇄 중합을 하는 단량체가 사용된다. 일반적으로 라디칼 중합을 가장 많이 사용하나 상황에 따라서 음이온 또는 양이온 중합을 하기도 한다. 양이온 중합의 경우에는 물과 알코올 또는 옥소늄에 titanium-, boron-, aluminum-, and tin-halide 화합물인 개시제를 첨가하여 반응을 시작한다. 그리고 음이온 중합의 경우 lithium, sodium, 그리고 potassium 같은 1족 금속을 개시제로 많이 사용한다. 이온 중합의 경우 라디칼 중합과 같이 개시 반응, 생장 반응, 연쇄 이동 반응, 정지 반응으로 단계가 이뤄진다. eq oac(○,2) 이온 중합의 특징- 이온 중합의 경우 단량체가 특정한 조건일 경우 사용할 수 있다. 양이온 중합의 경우 단순한 불포화 결합이 있는 것뿐만 아니라 단량체 안에서 친핵체인 전자 방출기가 있는 단량체여야 한다. 그리고 음이온의 경우에는 친전자체인 전자 흡입기가 있는 단량체여야 한다. 그리고 라디칼 중합 대신 사용되는 이유에는 라디칼 중합은 라디칼의 lifetime과 라디칼의 안정성에 대해 매우 의존적이지만 이온 중합의 경우 counter ion에 겨의 영향을 받지 않아서 활성종이 안정적이고 반응성이 매우 높고 반응 속도 또한 빠르다. 따라서 활성종이 안정적으로 살아 있기 때문에 블록 공중합체를 만드는데 적합하다. 하지만 극성이 너무 강한 단량체를 사용할 경우 단량체가 이온 쌍의 안정성을 파괴시켜 사용할 수 없다. 또한 이온 중합의 경우 독성이 강한 경우가 많아 중합 과정에 엄격한 관리가 필요하고 제품과 용매를 잘 정제하는 것이 필수적이다. eq oac(○,3) 음이온 중합의 단계3- 음이온 중합은 라디칼 중합이나 양이온 중합과 같은 중합 단계들을 가지고 있다. 중합 단계로는 크게 개시 반응, 생장 반응, 사슬 이동 반응, 정지 반응으로 나눠진다. 하지만 라디칼 반응과 다른 것은 라디칼 반응의 경우 활성 라디칼이 서로 만나게 되면 라디칼이 활성을 잃어버릴 수도 있지만 이온 중합의 경우 그러한 경우는 없다.- 우선 개시 반응을 보면 개시제가 용매에 녹음으로 해리되고 해리된 할로젠 원소 또는 2가 양이온이 불포화 결합을 공격하고 음이온을 가지게 된 단량체는 아칼리 금속인 lithium, sodium, 그리고 potassium에 의해 안정된다.- 이 안정된 단량체는 생장 반응을 시작하는데 생장 반응은 음이온화 된 단량체가 불포화 결합을 가진 다른 단량체를 공격하는 단계이다. 따라서 사슬을 이루는 단량체의 수는 계속 중가하게 된다.- 이렇게 생장하는 단량체는 반응을 멈추고 활성점을 다른 사슬이나 단량체에게 뺏기는 사슬 이동 반응이 일어나기도 한다. 생장 중이던 사슬에 결합된 음이온 개시 물질과 활성 중인 사슬을 안정시키던 알칼리 금속이 빠져 나가며 비활성인 단량체나 사슬에 붙기도 한다. 이러한 경우 사슬 이동 반이라고 한다.- 마지막으로 활성종이 활성을 잃어버리는 종결반응이다. 음이온 중합 과정에서는 사슬의 말단에 있는 활성종 간의 반응으로 종결 반응은 발생하지 않는다. 보통 음이온 중합의 경우에 단량체와 갯제 만 있을 경우 종결반응이 이뤄지지 않는다. 따라서 반응을 완전히 종결시킬 R-OH나 RCOOH 등의 물질들이 필요하다. eq oac(○,4) 이온 중합에 사용되는 개시제, 단량체- 촉매로는 알칼리 금속, 금속 알킬, 금속 수산화물, 그리냐르 시약, 나트륨아미드, 알핀 촉매 등이 사용된다. 그리고 음이온 중합 촉매 중 그리냐르 시약, 알칼리 금속, 금속 알킬 등은 보통 암모니아 액체와 같은 극성 용매 중에서 사용된다. 음이온 중합을 하는 단량체는 이중 결합이 양으로 하전(荷電)하는 것인데 시안화비닐리덴, 아크릴로니트릴, 아크릴산메틸, 부틸비닐술폰, 메타크릴산메틸, 메타크릴로니트릴, 스티렌, 부타디엔, 아세트산비닐, 니트로 메탄, 이소프렌, 에틸렌, 등이 있다.iii) 실험 반응 메커니즘iv) 실험 시 주의할 점4 eq oac(○,1) styrene monomer를 0.2mL 속도로 syring하는 이유- 음이온 중합은 대부분 활성종이 활성을 잃어버리거나 변하지 않고 유지되는 중합이며 반응속도 또한 매우 빠르다. 따라서 반응열을 제어하는 것이 아주 중요한데 개시제가 들어가있는 경우 단량체를 한번에 과량을 넣게 되면 반응열 제어가 어렵게 되고 굉장히 고온까지 올라가 높은 분자량의 고분자를 얻기 힘들다. 또한 Li이 사용되어 폭발의 위험성이 있다. eq oac(○,2) 기체를 반응성이 적은 기체로 채우는 이유- 이번 음이온 중합에서는 n-BuLi이 사용되는데, 개시제의 경우 Li에 의해 높은 온도 또는 산소와 접촉하여 폭발을 일으킬 수 있으므로 반드시 비활성 기체인 N2를 사용해야 한다.5. 실험 방법1) 마른 3-neck flask에 condenser와 termometer를 septum tape를 이용하여 연결하고 교반을 위한 magnetic bar를 flask에 넣어준다.2) 6ml의 THF와 2.5M의 n-butyllithium (in hexane)의 0.6ml를 syringe를 이용하여 flask에 넣어준다.3) 2ml의 styrene monomer를 0.2mL/sec의 첨가 속도로 syringe을 이용하여 넣어준다.4) 10-15 분 정도 뒤, MeOH를 1mL 첨가한다.5) MeOH 50mL를 이용하여 ppt 과정을 수행해준다.6) Filtering을 통해 Filterpaper 위에 생성물을 걸러 오븐에 건조시킨다.6. 시약 조사(MSDS)시약성질THFn-ButyllithiumHexaneStyreneMethanol화학식C 4 H 8 OC4H9LiC6H14C8H8CH3OH분자량72.107 g·mol−164.06 g·mol−186.178 g·mol−1104.15 g/mol32.04 g mol−1밀도0.8892 g/cm30.68 g/cm30.6606 g mL−10.909 g/cm30.792 g/cm3녹는점−108.4 °C−76 °C−96 to −94 °C−30 °C−97.6 °C끓는점66 °Cdecomposes68.5 to 69.1 °C145 °C64.7 °C주의할 점용매적 특성이 강해 피부에 쉽게 침투, 탈수 가능.높은 온도 압력에서 점화 주의활성 손실을 주의하고 불활성 기체 하에 저장 필요.물과 격렬히 반응하니 주의인체에 짧은 시간에 영향을 주니 주의가연성이 있으니 주의, 흡입, 피부 노출시 경미한 자극 있음흡입시 두통, 감각 이상을 일으킴눈, 피부 접촉 또는 흡입 시 암 유발 물질,또한 내장 기관, 호흡계에 독성을 가짐으로 흡입하지 않게 주의독성이 있어 극소량 섭취 시 문제가 되지 않지만 10mL 이상의 경우 시신경 파괴가 일어난다. 따라서 호흡계, 섭취에 주의. 인화성 물질이다.PAGE * MERGEFORMAT6

공학/기술| 2020.05.01| 5페이지| 1,000원| 조회(205)

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PMMA 중합 실험 보고서

1. 실험 제목 : PMMA Bulk polymerization2. 실험 날짜3. 실험 목적 : 다른 중합과 비교하여 벌크중합의 특징을 알고 벌크 중합의 특징 파악을 통한 scale up의 엔지니어링 측면을 이해한다. 또한 라디칼 중합의 분자량 변화와 메커니즘 이론과 결부시켜 이해한다.4. 실험 원리I) 중합 메커니즘에 따른 중합종류 eq oac(○,1) 축합, 단계중합(condensation, step polymerization)- 단량체에 작용기가 2개씩 있는 분자들은 중합을 위해 작은 부가생성물을 만들며 중합을 한다. 이 중합에는 에스테르화, 아미드화, 우레탄화, 베이크라이트, 또는 방향족의 치환 등이 포함된다. 단계중합은 수평균 중합도(DP)가 1/(1-p)이므로 전환률(P)이 90%에 도달하더라도 중합도(DP)가 10밖에 되지 않아 전환률이 매우 높을 떄까지 분자량이 높지 않은 상태로 있다. 또한 전환률이 낮으면 분자량이 매우 낮아 교반에 용이하고 전환률이 높으면 반응속도가 느려져 발열량이 없는 것이 장점이다.1 eq oac(○,2) 첨가, 연쇄중합(addition, chain polymerization)- 이중 결합 또는 삼중결합을 가진 단량체들이 같은 종류의 분자와 반응기들에 반응하여 첨가 반응을 일으키며 중합을 한다. 중합 개시제나 중합 방식에 따라 라디칼, 음이온, 양이온 중합으로 분류할 수 있으며, 다중결합을 가진 단량체인 에틸렌, 올레핀, 다이엔, 스티렌 같은 단량체를 중합하는 방식이다. 단량체는 오로지 성장중인 작용기, 즉 라디칼이나 이온에만 반응을 한다. 따라서 낮은 전환률부터 높은 분자량이 만들어지는 것이 특징이며, 반응하는 내내 단량체가 서서서 사라지는 것이 특징이다. 또한 단계중합과는 다르게 분자량은 중합동안 비교적 일정하다.2II) 중합방법의 종류3 eq oac(○,1) 괴상중합(Bulk polymerization)- 고분자를 중합하는 방법 중 가장 간단한 방법으로 반응기에 단량체, 반응개시제, 또는 경우에 따라 첨가제거가 굉장히 어려운 중합이여서 보통은 단계중합이 가능한 나일론, 폴리에스터, 폴리우레탄 생산에 많이 사용하고 연쇄 중합으로 생산되는 고분자는 몇몇에 한하여 사영하고 있다. 괴상중합에서는 판상 제품을 만드는 cast중합이 있고, 보통 판상 PMMA, PS를 cast 중합으로 만든다. eq oac(○,2) 용액중합(Solution polymerization)- 단량체를 용매에 녹여 중합하는 방식으로 농도가 감소하여 중합 속도와 반응기의 점도를 낮추어 교반과 반응열 제거에 용이하다. 하지만 용매 재사용을 위해서 추가 설비가 필요하고, 대부분의 용매는 독성이 있다. 또한 반응기당 생성물의 수율이 좋지 않다는 단점이 있다. 또한 생성물에서 용매 제거가 쉽지 않아 생성물의 순도가 낮고 chain transfer가 자주 일어나 분자량이 낮다. 양이온, 음이온 중합은 활성점이 물에 의해 비활성화되므로 용액중합을 이용해야한다. eq oac(○,3) 현탁중합(Suspension polymerization)- 물에 분산된 단량체 방울들을 현탁제(Gelatin, PVA)로 안정시켜 작은 단량체 방울 안에서 괴상중합이 일어나게 하는 방식이다. 따라서 현탁중합 반응은 괴상중합 반응과 거의 같은 반응속도론적 거동을 보인다. 현탁중합은 반응기 부피당 얻는 고분자가 적고, 물 속에서 반응하여 반응열을 제어하기 쉽다. 또한 단량체 방울 크기 조절로 작은 입자의 생산이 가능하다. 하지만 안정제의 독성으로 오염이 심한편이다. eq oac(○,4) 유화중합(Emulsion polymerization)- 물 속에 유화제를 넣어 표면장력을 낮추고, 단량체를 넣어 단량체의 micelle 방울을 만들어 중합을 시키는 방식이다. 보통 개시제가 micelle속으로 들어가 단량체를 중합시킨다. 일반적으로 높은 중합도의 고분자가 생성되고 분자량 분포가 좁으며 마이크로 겔의 합성법으로 이용되고 있다. 다만 유화제에 의한 오염이 단점이다.III) 라디칼 중합의 메커니즘 eq oac(○,1) 개시 반응ydroperoxides 등이 있다. eq oac(○,2) 생장 반응(Propagation)- 단량체들이 활성종과 계속하여 반응하고 사슬의 길이가 성장하는, 즉 중합하는 과정이다. eq oac(○,3) 종결 반응(Terminiation)- 종결 반응은 두 활성종이 반응하여 비활성화되는 것을 의미한다. 즉, 두 라디칼이 만나 전자쌍을 이루고 반응성을 잃어버리는 것이다. 이러한 종결반응에는 2가지 방식이 있는데 Coupling, Disproportionation이 있다. Coupling을 두 활정종을 가진 고분자가 만나서 결합하는 것이고, Disproportionation은 하나의 활성종이 다른 활성종으로 transfer하는 것을 뜻한다. 따라서 분자량이 m인 n개의 활성종에 Coupling이 일어나면 n/2개의 분자가 생성되고, 분자량은 2m이 된다. 그리고 분자량이 m인 n개의 활성종에 Disproportionation이 일어나면 n개의 분자가 생성되고, 분자량은 m이 된다. eq oac(○,4) 사슬 이동 반응(Chain transfer)- 사슬 이동 반응은 활성종(자유 라디칼)이 있는 사슬에서의 라디칼이 비활성 상태인 사슬 또는 단량체로 이동하는 것이다. 사슬 이동 반응이 자주 일어나면 중합이 되는 도중에 사슬이 비활성화 되므로, 분자량은 더 작아지게 된다. 사슬 이동제(Chain transfer agent)를 이용해 사슬 이동 반응을 증가시키고 분자량을 조절하는데 사용하기도 한다.IV) PMMA의 중합 방법 및 주의할 점 eq oac(○,1) MMA의 중합- MMA는 탄소 간에 이중결합을 포함하는 에스터 화합물이다. 따라서 탄소 간 이중결합 부분이 라디칼 또는 이온 중합으로 연쇄 중합을 할 수 있고, 보통은 라디칼 중합으로 생산한다. 유화 중합, 용액 중합, 괴상 중합으로도 생산할 수 있지만, 이번 실험에서는 괴상중합으로 만들 예정이다. 따라서 남은 미반응 단량체나 이물질들은 메탄올로 정제하는 것이 필요하다. eq oac(○,2) 이상적고, 0.134몰의 AIBN이 사용된다. 따라서 전환률이 100%일 경우 PMMA의 이상적인 중합도는 104 정도이고 분자량은 10.4kg/mol이다. 하지만 전환률이 100%가 되기는 거의 불가능하고 1시간만 중합을 할 예정이라서 이상적 분자량보다 훨씬 낮은 수치가 나올 것으로 예상된다. eq oac(○,3)AIBN 사용 시 주의할 점- 라디칼 중합을 할 때에 보통 AIBN을 많이 사용한다. 낮은 온도와 온화한 환경에서 중합할 수 있기 때문이다. 보통 AIBN을 사용하여 중합할 때에는 70~80° C의 조건에서 중합을 한다. 하지만 이 온도를 벗어나 너무 낮은 온도나 높은 온도에서는 자유라디칼이 잘 생성되지 않거나 너무 빨리 비활성화되어 버려서 이 점을 주의해야 한다. 50° C에서는 74시간동안 라디칼이 살아있지만 라디칼이 생성되는 속도가 너무 느리고, 100° C에서는 단 7분정도만 라디칼이 살아있어서 중합할 시간이 부족하다.5. 실험 방법I) 반응기에 MMA를 30ml와 AIBN을 20mg을 넣어주고 AIBN을 완전히 녹여준다. 이때 반응기중 기체는 비활성 기체(질소)로 채워준다.II) 반응기에 용액을 교반하며 반응기를 70~80° C를 유지하며 1시간가량 중합을 한다. (이 온도를 벗어날 경우 라디칼이 빠르게 비활성화 되거나 AIBN에서 라디칼이 생성되지 않는다)III) 어느정도 점도가 생겼으면 소량의 용액을 메탄올 1L에 넣어 PMMA가 침전이 일어나는지 확인한다. (PMMA가 하얗게 침전됨을 알 수 있다.)IV) 침전이 일어나면 PMMA용액에 아세톤을 50ml 넣어준 후 나머지 용액을 전부 메탄올에 부어서 PMMA를 침전시킨다.V) 침전된 PMMA를 여과지를 통해 메탄올과 미반응 MMA를 제거하여 PMMA를 얻는다.VI) 진공상태에서 남아있는 액체들을 기화시켜 고체상태인 PMMA만을 추출한다.6. 시약 정보 및 MDSDI) MMA(C5H8O2)- 화학식은 C5H8O2, 분자량은 100.12g/mol 에스테르 냄새가 가는 무색 액체, 녹는점 -4며 실명을 유발할 수 있으므로 조심해야한다.II) PMMA- 보통 ‘아크릴 수지’ 라고 부르며, 1930년대에 연구 계발되며 공업적으로 사양하기 시작하였다. 현존하는 수지 중 가장 오래된 역사를 가진 수지의 일종으로 가장 투명하고 내후성이 좋다. 그래서 유기유리, 전기부품 및 건축재료 등으로 광범위하게 사용되고 있다. 비결정성 고분자라서 굉장히 투명하고 cast 중합을 이용하여 판상 유리 제품으로 많이 만든다. 또한 유화 중합, 용액 중합, 괴상 중합으로도 생산한다. 밀도는 1.18g/cm3, Tm은 160° C, Tg는 105° C이고 화학식은 (C5O2H8)n이다.III) AIBN- 화학식은 C8H12N4이고, 분자량은 164.21 g / mol, 밀도는 1.1g/cm, 녹는점 103 ~ 105 ° C이다. 많은 Thermal initiator 중에 하나로 낮은 온도에서 라디칼 중합이 가능하다는 장점이 있다. 또한 peroxide들보다 폭발 위험이 낮기 때문에 더 사용하기에 안전하다. 보통 60~80° C에서 라디칼이 생성하고 70° C에서 가장 효율적이고 적당한 시간 동안 라디칼이 비활성화되지 않고 살아있어서 70° C에서 많이 사용된다. 활성 기체에서 높은 온도를 받을 경우 폭발 가능성이 있어서 주의하여 사용해야 한다.IV) Methanol(CH3OH)- 화학식이 CH3OH이고, 분자량은 32.04 g/mol, 밀도는 0.782g/cm3, 녹는점 −97.6 ° C, 끓은점 64.7 °C이다. 독성이 있어서 조심해야 할 물질 중 하나이다. 소량 섭취 시 크게 문제는 없지만 10ml 순수한 메탄올의 정도가 섭취될 경우 실명의 위험이 있으니 주의해야한다. 이 실험에서는 반응이 끝난 용액에 PMMA를 정제하는데 사용할 것이다. 미반응 MMA은 메탄올에 녹기 때문에 용액에 남은 MMA와 이물질들은 제거해줄 수 있다.V) Acetone(C3H6O)- 화학식은 C3H6O, 분자량 58.08g/mol, 무색 액체, 밀도 0.7845 g / cm 3, 녹는점 −94.7MAT2

공학/기술| 2020.05.01| 6페이지| 1,000원| 조회(264)

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나일론 6-10 Nylon 6-10 실험 보고서

1. 실험 제목 : 계면중합을 이용한 나일론 6-10의 합성2. 실험 날짜 :3. 실험 목적 : 나일론을 계면 중합을 시키며 축합 중합의 개념을 알고 나일론의 생성 메커니즘을 배운다.4. 실험 원리I) 중합의 종류 eq oac(○,1) 연쇄중합- 이번 실험에서 나일론이 합성되는 방법의 중합으로 두 가지 이상의 작용기가 있는 단량체가 반응하며 고분자를 형성하는 반응이다. 연쇄중합으로 생성되는 고분자들은 보통 아마이드 작용기, 에스테르 작용기, 우레탄 작용기를 가진 고분자들이 있다. 연쇄중합에 속하는 축합중합이 있는데 완전히 같은 의미의 중합은 아니고 축합중합이 연쇄중합안에 속하는 개념이다. 이번 실험에서 나일론6-10을 중합할 때에도 축합반응이 일어난다.1 eq oac(○,2) 단계중합- 연쇄중합과 다르게 두가지 이상의 작용기가 있는 단량체가 아니라 탄소 간 결합이 2중이나 3중 결합이 있어서, 이러한 다중결합이 개시제에 의해 활성화 되어 다른 다중결합을 공격하는 중합이다. 단계중합으로는 음이온 중합, 양이온 중합, 라디칼 중합 등이 있다.2II) Nylon eq oac(○,1) Nylon의 유래- 나일론은 하버드 대학에서 화학과 교수였던 유기화학으로 유명한 월리스 캐로더스에 의해 개발되었다. 1935년도에는 비단을 대신할 것을 목적으로 개발되었고, 칫솔모로 사용되었다. 차차 나일론의 공정이 발달되면서 1939년에는 나일론의 강도를 이용하여 최초의 스타킹이 판매되었다. eq oac(○,2) Nylon의 합성과 구조- 나일론은 사슬 구조에 아미드기 결합이 포함되어 있는 폴리아마이드의 관용명이다. 폴리아마이드는 아민기와 카르복시산기 사이에서 친핵체 공격으로 아미드기가 형성되면서 중합되는 고분자이다. 나일론은 2개의 아민기가 있는 단량체와 2개의 카르복시산기가 있는 단량체에 있는 탄소의 수에 따라 뒤에 붙는 수가 달라지는데 아민의 단량체에 탄소가 6개 카르복시산기의 단량체에 탄소가 6개일 경우 Nylon 6-10이라 말한다.- 일반적인 아미드기의 생성은 아민기와 카르복시산기가 결합되면서 물이 빠져나오는 축합반응이지만 반응성을 위해서는 카르복시산기에 수소 대신 good leaving group인 염소를 붙여서 단량체로 사용한다. 아미드기가 생성될 때 아민기와 카르복시산기가 반응을 하는데 친핵체인 아민기와 친전자체인 카르복시산기의 탄소 사이에 친핵성 치환 반응으로 결합이 생성된다. 즉 질소에 비공유전자쌍이 카르복시산기의 탄소에 붙고 염소가 떨어지며 안정화가 되는 것이다.3- Nylon 중합 메커니즘III) 계면중합 eq oac(○,1) 계면중합의 특징, 조건- 계면중합은 중합의 종류 중 하나이지 않고 중합 방법 중 하나이다. 계면 중합은 이름 그대로 두용액에 두 상 사이에서의 계면이 존재할 때 계면에서 단량체가 만나 반응을 일으키며 중합이 일어난다. 따라서 각 용매는 섞이지 않고 상 분리가 일어나야 하며 각 용매에 단량체가 하나씩 잘녹는 good solvent여야 한다. 그래서 보통은 물에 잘 녹는 아민기가 있는 단량체는 물에 용해시키고, 카르복시산기가 있는 단량체는 유기용매에 녹여 계면 중합을 한다. 또한 계면에서 굉장히 빠른 속도로 중합이 일어나야 계면중합으로 어느 정도의 분자량을 기대할 수 있어서 두 단량체는 반응성이 굉장히 높고 반응 속도 또한 매우 빨라야 한다.4 eq oac(○,2) 계면중합의 장, 단점장점- 우선 계면중합의 가장 큰 장점은 화학양론적 반응이 아니라는 것이다. 일반적으로 많은 중합들은 화학양론비를 맞추지 않고 중합을 시킬 경우 생성된 분자의 분자량이 현저히 떨어지거나 미반응 단량체가 매우 많이 남아 처리가 힘든 상황이 온다. 하지만 계면중합은 단량체가 계면에서만 반응되어 사라지는 즉시 다시 공급되고 생성된 고분자 또한 생성되는 동시에 추출되어 화학양론비가 맞지 않아도 충분히 중합이 가능하다.- 계면중합으로 Melt polymerization 보다 더 높은 중합도를 가진 분자들을 생성할 수 있다는 장점이 있다. 계면중합은 확산에 의해 단량체들이 계면에서 만나 반응을 일으키는데, 보통 반응 속도가 중요하므로 반응성이 매우 좋은 단량체끼리 반응을 시킨다. 또한 단량체들이 확산에 의해 작용기에 빠르게 붙을 수 있기 때문에 높은 분자량과 빠른 반응속도를 얻을 수 있다.- 계면중합은 고분자의 생산에 가장 큰 문제인 반응열을 제어하기 적합하여 내열성이 약한 고분자 생성에도 큰 제한이 없다는 장점이 있다. 이유는 용액 중합과 같다고 볼 수 있다. 용액 중합은 반응기에서 반응을 일으키는 물질의 농도가 낮아 열을 충분히 분산시키고 반응열을 제어할 수 있는데 이와 같이 계면중합 또한 용매가 존재하여 반응열을 잘 분산시키고 반응열을 제어하기 좋다. 또한 반응성이 좋은 산 염화 반응물을 사용하기 때문에 촉매가 없어도 낮은 온도에서 충분히 빠르게 중합이 가능하다.단점- 계면중합에는 반응속도에 조건이 있다. 계면중합은 반응속도가 상온에서 굉장히 빠른 물질이여야 가능하다. 따라서 반응성이 좋은 duacid chloride를 사용해야하며 반응속도가 느린 물질들은 사용하기 힘들다. 예를 들어 diol과 diacidchloride는 계면중합에서 사용하기 힘들다.- 충분히 많은 용매에 단량체를 섞어서 확산시켜야 하므로 고분자 생성량에 비해 많은 용매가 필요하고 반응기 크기에 비해 만들어지는 고분자의 수율이 떨어지게 된다. 따라서 적당량의 고분자를 얻기 위해서는 많은 용매와 염기가 필요하며 사용 후 정제하거나 폐기해야 하는데 이 또한 계면중합의 단점이라 할 수 있다IV) 계면중합 반응 시 주의해야 할 점 eq oac(○,1) 반응성을 유지시켜 줘야 한다. Diamine과 Diacide chloride를 반응 시키면 반응 부가 생성물로 HCl이 생성되는데 이 물질은 물이 매우 잘 녹아서 diamine 단량체가 있는 수용액에 녹게 되고, H+와 Cl- 상태로 이온화가 된다. 여기서 H+이 물에 녹게 되면 아민기를 공격하여서 아민기의 친행성을 현저하게 떨어지게 되고 반응성이 매우 떨어지게 된다. 이 점을 주의하여 HCl을 중화시켜 줄 염기를 넣어주는 것이 중요하다. eq oac(○,2) 두 용액을 한 비커에 넣을 때 수용액이 유기용액으로 바로 떨어지게 되면 그 충격으로 인해서 두 용액이 섞일 수 있는데 그렇게 되면 좋은 계면중합이 일어나지 못한다. 두 용액간에 계면에 갑작스럽게 증가하여 증가한 계면에서 반응이 빠르게 일어나고 미반응 단량체와 섞여서 분자량과 고분자의 품질이 좋지 못하게 된다. 따라서 용액을 한 비커에 넣을 때 막대를 이용하여 천천히 벽면으로 붙여서 부어야 한다. eq oac(○,3) Nylon을 추출할 때 속도를 잘 조절해야한다. 고분자 막을 핀셋으로 걷어낼 때 너무 빠르게 걷어내면 단량체들이 중합을 하며 분자량을 높이는 과정 도중에 추출이 되고 충분한 분자량을 얻지 못하고 좋지 못한 결과가 나타날 것이다.5. 실험 방법I) 계면중합을 위해서는 2가지 phase에다가 각 단량체를 녹인 상태를 만들어야 하므로, 수용액에는 200ml의 물과 0.04M의(4.64g) hexamethylene diamine을 넣고 반응 중 생기는 HCl이 아민기의 반응성을 떨어뜨리지 않게 하기 위해 0.08M의(3.2g) sodium hydroxide을 넣어준 후 잘 섞어준다.II) 유기용액에는 200ml의 1,2-dichloroethehane과 0.04M(9.56g)의 sebacoyl chloride를 넣어서 잘 섞어준다.III) 이제 두 용액을 한 비커에 넣을 순서인데 안정적이고 평평한 계면이 생기게 하기위해서는 위에 떠있을 수용액 상의 액체를 막대에 부어 비커의 벽면으로 이동하기 한다. 따라서 두 상이 섞여서 반응이 일어나지 않게 만든다.IV) 두 용액을 넣게 되면 계면에서 빠르게 중합이 일어나게 된다. 따라서 계면에서 어느정도 중합이 일어나서 고분자 막이 생기면 중합이 점점 느려지는데 이 때 고분자 막을 핀셋으로 걷어내면 다시 중합이 일어난다. 이 때 중합이 일어나는 속도를 고려하여 너무 빠르지 않게 고분자 막을 걷어내야 한다.V) 충분히 Nylon을 추출하여 반응이 끝날 때쯤 추출한 Nylon을 막대에서 분리하여 Methanol에 세척해준다. Nylon 막을 걷어내는 동안 수용액 층을 거쳐서 와서 이물질이 묻어 있을 수 있고, 아직 반응을 하지 못한 단량체들이 남아 있을 수 있으므로 이러한 물질에 good solvent인 Methanol에 세척하는 것이다.6. 시약 조사(MSDS)시약 성질hexamethylene diaminesodium hydroxidesebacoyl chloride1,2-dichloroethaneH2OMethanol화학식C 6 H 16 N 2NaOHC 10 H 16 Cl 2 O 2C 2 H 4 Cl 2H2OCH3 OH몰 질량116.208g/mol39.9971g/mol239.14 g / mol98.95g/mol18.0152g / mol32.04g/mol외관무색 결정백색 왁스, 불투명 결정황색 액체무색 액체무색 액체무색 액체밀도(상온)0.84g/ml2.13 g / cm 31.12g/ml1.253g / cm 30.999g / mL0.792 g / cm 3녹는점39~42° C323 ° C−2.5 ° C−35 ° C0.00 ° C−97.6 ° C끓는점204.6° C1,388 ° C220 ° C84 ° C99.98 ° C64.7 ° C위험요소가연성을 가짐화상과 피부자극LD50은 712~1127mg/kg화학적 화상안구에 접촉시 실명위험고온 고압에서 격력한 반응, 폭발피부에 자극유발폭박위험 인화점 13° C독성이 강한편으로 섭취나 안구에 들어가는것은 치명적10ml 이상 섭취시 실명 위험소량의 독성존재PAGE * MERGEFORMAT5

공학/기술| 2020.05.01| 5페이지| 1,000원| 조회(207)

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SEM, TEM 실험 보고서

1. 실험 제목 : SEM (Scanning Electron Microscope) and TEM (Transmission Electron Microscope)2. 실험 날짜3. 실험 목적 : 물질의 확대 상을 만들어 물질의 요철이나 결정, 배향을 분석하는 현미경에 대해 공부하고 광학 현미경과 전자현미경의 원리 차이에 대해 이해한다.4. 실험 원리i) 현미경의 종류 및 차이 eq oac(○,1) 광학 현미경 (Optical Microscope)- 광학 현미경의 종류에는 여러 종류가 있는데 많이 사용되는 것은 실체 현미경, 형광 현미경, 레이저 주사 현미경, 공초점 레이저 주사 현미경 등이 있다. 이중 하나의 렌즈로 확대시키는 것을 단순 현미경이라 하고 여러 렌즈가 사용되는 것을 복합 현미경이라 한다. 일반적으로 연구용으로는 원하는 자료에 맞는 복합현미경을 사용한다. 광학 현미경은 가시 광선을 시료에 투과하여 렌즈를 이용해 확대해서 보는 방식이다. 따라서 렌즈와 가시광선을 이용해 보는 것이므로 해상도에 한계가 있고 일반적인 연구용 현미경으로 최대 배율은 2000배 정도 된다. eq oac(○,2) 전자 현미경- 전자 현미경의 종류도 TEM, SEM, SSEM, REM, STEM, STM등 많은 전자 현미경이 있지만 우리가 이번 실험에 사용할 전자 현미경은 SEM (주사 전자 현미경)과 TEM (투과 전자 현미경)이다. 전자 현미경과 광학 현미경의 차이를 알아보자면 전자 현미경은 광학 현미경과 다르게 전자 조명을 사용한다. 전자 현미경에서 사용되는 전자 빔은 광학현미경에서 사용되는 가시 광선에 비해 대략 100,000배 더 짧은 파장을 가질 수 있고 따라서 분해능과 해상도 또한 100,000배 가량 더 높다. 또한 전자현미경에서는 자기장이 형성되는 렌즈를 이용하여 광학현미경에서의 광학 렌즈와 비슷하게 전자 빔을 확대 시켜 시료를 관찰 할 수 있다. 따라서 광학현미경에 비해 굉장히 높은 해상도로 시료를 관찰 할 수 있고, 배율은 대략 최대 10,000,000정,3) 분해능과 해상도- 분해능을 간단히 말하자면 분해능은 어떠한 물체를 확대 시켜보는 망원경이나 현미경에 사용되는 말로, 관찰하고자 하는 물체에 두 점이나 선을 명확히 구분할 수 있는 능력을 의미한다. 망원경이나 현미경 같은 이미징 시스템에서는 수차(amberration)이나 회절(dffractio)에 의해 상이 흐려지는 경우가 생긴다. 이러한 현상에 의해서 상이 흐려지고 두 지점을 정확히 구분하지 못하는 현상이 생기게 된고 해상도가 떨어지게 된다. 따라서 분해능은 사용하는 광원의 파장이 짧을수록 더 우수해지며 전자 빔을 사용하는 전자 현미경이 가시 광선을 사용하는 광원 현미경보다 분해능이 우수한 이유이다. 분해능을 정의하는 식으로는R = =이고, 여기서 R은 분해능 N은 굴절계수, λ는 파장, α는 광학 시스템의 조리개 크기이다. 일반적으로 현미경에서는 분해능과 해상도는 같은 의미로 사용된다.ii) SEM (Scanning Electron Microscope, 주사 전자 현미경) eq oac(○,1) SEM의 원리와 특징- SEM은 말 그대로 관찰하고 싶은 물질의 표면에 전자 빔을 주사하여 반사된 전자 빔을 검출기로 검출하여 표면의 모양을 관찰하는 것이다. SEM의 구조는 물질의 표면에 수직 되게 렌즈(Condenser Lens)와 조리개, 전자 빔 전구이 나열되어 있다. 전자 빔 전구에서 나온 전자 빔이 조리개와 렌즈를 거치며 시료의 표면의 한 곳에 집속되고 코일(Scanning coil)에 의해 전자 빔이 집속되는 곳이 이동하며 시료의 표면을 스캔하는 방식이다. SEM에서 전자 빔이 반사되어서 나오는 것에는 전자가 시료 내부로 들어갔다가 나오는 깊이에 의존하므로 각도가 반사되는 전자 양에 굉장히 중요한 요소이다. 따라서 전자 검출량이 각도에 크게 의존하여 얻을 수 있는 이미지는 이차원임에도 불구하고 삼차원 이미지와 같은 입체적인 이미지를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한 광학 현미경과 달리 SEM은 피사심계도가 깊어서 요철의 높낮이가 크더라도 사용전자들을 검출하는 현미경이다. 이때 원자에 의해 바로 굴절되어 나오는 Secondary electorn과 여러 원자의 굴절에 의해 나오는 Back scattered electron과 X-ray를 검출하는 것이다. 여기서 Secondary electron은 전자가 침투하고 빠져나오는 깊이에 매우 민감하고 대략 5~50nm의 깊이까지 만 빠져 나올 수 있다. 따라서 요철의 기울기에 크게 영향을 받고 요철의 기울기가 클수록 많은 Secondary electron이 나온다. 반면 Back scattered electron은 표면의 깊은 곳까지 거쳐서 나오므로 표면의 물질 조성에 크게 영향을 받고 물질의 조성에 따라 나오는 Back scattered electron양이 달라진다. 2 eq oac(○,3) SEM에서 얻을 수 있는 정보- 앞에서 말했듯이 SEM은 관찰할 시료의 표면에 전자 빔을 쏘아서 표면의 요철 형태를 관찰하는 기기이다. 이러한 SEM에는 검출기가 시료에서 나오는 전자를 검출하는데 이때 검출기는 2가지 전자를 검출할 수 있다. 한 가지는 시료의 표면에 형태와 요철에 따라 달라지는 Secondary electron이고 다른 한 가지는 물질의 조성에 따라 달라지는 Back scattered electron이다. 따라서 Secondary electron을 검출하여 시료 표면의 Topography(지형)과 Morphology(형태), Crystallographic(결정 형태)를 알 수 있다. 또한 Back scattered electron을 검출하여 시료 표면의 Composition(물질 조성)을 알 수 있다. eq oac(○,4) SEM의 시료 준비- SEM은 시료의 표면에 요철이나 물질의 조성을 알기 위해 사용하는 방법이다. 하지만 측정 목적에 적합하지 않은 시료나 적합하지 않은 전처리 과정을 마친 표면을 사용할 경우 좋은 이미지를 얻기 힘들 뿐더러 잘못된 정보를 얻기 쉽다. 따라서 원하는 이미지를 얻기 위해서는 적당한 시료 준비 방법뿐만 아니라 주 그 형태를 알아 보고 싶을 때에는 특정 부분만 etching하여 시료를 준비하기도 한다. 그리고 주의해야 할 점에 대해서는 고분자의 경우 전기전도성이 낮아 전자 빔으로 과도한 음전기에 의해 대전 현상이 발생하기도 한다. 따라서 고분자 같은 전도성이 낮은 표면의 경우 Pt나 Au, Os같은 전도체를 코팅해야 좋은 이미지를 얻을 수 있다. 또한 앞에서 말했듯이 전자 빔 전구부터 시료까지의 경로를 진공 상태로 만들어야 하기 때문에 시료에 기화가 될만한 물질들이 흡착되어 있지 않은지 잘 점검하여야 한다.3iii) TEM (Transmission Electron Microscope, 투과 전자 현미경) eq oac(○,1) TEM의 원리와 특징- TEM은 SEM과는 다른 방식의 전자 현미경이다. SEM은 전자 빔을 시료의 표면에 집속하여 표면에서 굴절되어 나오는 전자를 검출하는 방식의 기기이고, TEM은 전자 전구에서 높은 에너지의 전자를 얇은 시료에 쏘아서 투과되는 전자를 검출하는 방식의 기기이다. 따라서 SEM과 구조도 다를 뿐만 아니라 시료의 준비와 사용되는 전자 빔의 전압도 다르다. 우선 TEM의 구조에 대해서 알아보자면, TEM은 전자 빔이 렌즈에 의해 시료에 집속되고, 시료를 투과한 뒤 다시 렌즈에 의해 확대되어 스크린 위에 상을 형성하게 된다. 따라서 전자 전구와 시료 사이에 렌즈가 존재하고 시료와 스크린 사이에도 렌즈가 존재하는 구조이다. TEM에는 시료에 전자 빔을 집속 시켜주기 위해 시료 전에 condenser lens가 있고, 시료를 투과한 후 스크린에 상을 확대시켜 띄우기 위해 object lens, intermediate lens, projector lens가 있다. 이러한 TEM에서는 전자 빔이 시료를 투과하면서 흡수되거나 산란되는 정도를 이용하여 시료의 형태를 관찰하는 기기이다. 따라서 시료에 의해 전자가 많이 흡수되거나 산란되면 적은 양의 전자가 검출 될 것이다. 이렇게 찍힌 이미지로 얻을 수 있는 정보에는 영상분석으로 시료의 형태나 mage(BF), Dark-Field Image(DF)- TEM에서는 목적에 따라 조리개를 조절하여 BF나 DF의 이미지를 얻을 수 있다. 우선 BF에 대해 알아보면 산란 되거나 굴절된 전자들은 조리개에서 걸러지고 단순히 투과된 전자만 조리개를 통과하여 투과한 전자로만 이미지를 형성하는 방법이다. 따라서 시료에 의해 회절 되거나 산란된 경우 BF에서는 더 어두운 색으로 나타나게 된다. 반면에 DF는 BF와 반대로 조리개를 이용하여 투과된 빛은 걸러내고 회절 된 빛만을 이용하여 이미지를 형성한다. 따라서 시료에 의해 산란이나 회절이 된 부분의 경우 더 밝은 색으로 나타나게 된다.5 eq oac(○,3) TEM에서 얻을 수 있는 정보- 앞에서 말한 SEM 같은 경우에는 시료의 표면을 입체적으로 볼 수 있어서 요철을 관찰하는데 많이 사용된다. 하지만 TEM은 시료의 표면은 정확히 관찰하기 힘들지만 시료의 내부 구조와 결함 구조를 파악하는데 적합하다. 또한 DF같은 회절 된 전자 빔을 검출하는 경우 시료의 배열이나 격자 구조를 관찰할 수 있다. 그리고 에너지 분산 또는 손질을 이용하여 화학적 분석에도 사용된다. 하지만 주로 이러한 화학 분석보다는 시료의 영상 분석이나 회절을 통한 격자, 배열 구조 분석에 더 많이 사용된다. eq oac(○,4) TEM의 시료 준비- 앞에서 말했듯이 TEM은 전자가 시편를 통과해야 하기 때문에 시편은 굉장히 얇아야 한다. 시편의 두께는 얇아서 전자가 잘 투과해야 더 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 따라서 Ultramicotome을이용하여 얇은 시료을 제작하거나 가루 형태 또는 액상 형태의 시료를 supporting grids에 고정시켜서 사용하기도 한다. 여기서 grid는 TEM시료 제작에 도움을 주는 도구로 Cu, Ni, Mo들의 물질로 만들어진 그물 모양의 시료를 고정시켜주는 역할을 한다. 일반적으로 광학 현미경에 사용되는 slide glass와 같은 역할이다. 이렇게 grid에 고정시킨 얇은 시료에 staining을 해주는6

공학/기술| 2020.05.01| 5페이지| 1,000원| 조회(574)

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