MEMS ( M icro E lectro M echanical S ystems )목 차 01. MEMS 의 정 의 02. MEMS 의 역사 03. MEMS 의 가공기 술 04. MEMS 의 장단점 05. MEMS 의 응용 분야MEMS 의 정의 현미경에 의하지 않고서는 형체를 알 수 없을 정도로 작은 기계가 공상 소설의 영역을 벗어나 이제 현실 공학의 새로운 분야로 정착 MEMS = Micro Electro Mechanical Systems 의 약자MEMS 의 정의 성냥개비 보다 작은 MEMSMEMS 의 정의 MEMS = Micro Electro Mechanical Systems 의 약자 마이크로 시스템 , 마이크로 머신 , 마이크로 메카트로닉스 라고 혼용가능 초소형 시스템 또는 초소형 기계 의미 기술개발 과정 명은 초소형 정밀기계 기술개발 실리콘이나 수정 , 유리 등을 가공해 초고밀도 집적회로 , 초미세 기계구조물을 만드는 기술 마이크로머신이 느끼고 생각하고 운동하는 시스템 기존의 기계를 단순히 축소한 마이크로머신MEMS 의 정의 MEMS 반도체 기술 반도체기술에서 파생 탄생배경 60 년대 초 반도체의 회로 집적화로 탄생 3 차원적으로 공간을 마련 전기선처럼 회로 배열 2 차원적으로 직접화 좁은 면적에 많은 회로 특색 인간의 감각기관 및 손발 가전 등의 기간산업과 항공 , 생물 , 제약산업 등 인간의 두뇌 정보통신 , 컴퓨터 등 집중적으로 응용 제품에서의 역할 응용 경제와 경쟁력에 파급효과 다양한 상품으로 주력산업 가능 세계적 경쟁의 각축장 한국의 수출 주력상품 산업 경제에 미친 영향MEMS 의 역사MEMS 는 실리콘 가공기술에서 시작 최초의 연구는 실리콘 기판상에서 미세 기계요소 밸브 , 모터 등의 부품을 2 차원평면으로 제작한 것이 시초 가솔린 엔진내의 공기압력측정하는 최초의 실용화 MEMS 기계 MEMS 의 역사 1960 년대 Sensor 에 의해 제어가 가능한 Micro Actuator 를 접적화하여 시스템을 구현이방성 에칭을 이용한 device 연구 3 차원 구조를 가진 광학 디바이스 연구 작은 MEMS Device 를 개발 가속도계 실용화 시작 MEMS 의 역사 1970 년대 반도체 기판 자체를 etching 하여 3 차원구조를 만듦기판에 손대지 않고 박막으로 etching 하여 구조물 만듦 표면 미세 가공 기술 사용 3 차원 구조 반도체에 비해 두께가 훨씬 큼 마이크로 머신 과 회로 동시에 하나의 칩에 융합 MEMS 의 역사 1980 년대 기판 위 증착된 희생 박막을 etching 해서 박막으로 된 3 차원 구조물을 만듦MEMS 의 다양한 공정으로 초소형 , 경량화 가능 면미세가공 , 기판미세가공 .LIGA 등 여러 제작 기술 개발 많은 MEMS 의 실용화 가능성 MEMS 의 역사 현재 주변에서 쉽게 찾을 수 있는 MEMS증 착 리소 그래피 에 칭 원하는 모양의 부품 조 합 MEMS 완성 MEMS 의 원리3. MEMS 의 가공기술 표면 미세가공 (Surface micromachining) 몸체 미세가공 (Bulk micromachining) 나노머시닝 ( nanomachining ) 레이저 미세가공 (Laser micromachining) LIGA( Lithographie , Galvanoformung , Abformung ) 방전 미세가공 (Electro discharge micromachining)3. MEMS 의 가공기술 (1) 표면 미세가공 (Surface micromachining)3. MEMS 의 가공기술 (2) 몸체 미세가공 (Bulk micromachining) 습식 식각 : 용액을 사용하여 실리콘을 식각하는 방법 건식 식각 : RIE 방법을 잉용하여 실리콘을 식각하는 방법3. MEMS 의 가공기술 (3) 나노 머시닝 ( nanomachining )3. MEMS 의 가공기술 (4) LIGA( Lithographie , Galvanoformung , Abformung )3. MEMS 의 가공기술 (4) LIGA( Lithographie , Galvanoformung , Abformung )4. MEMS 의 장단점 초소형화 (1) 장 점 반도체 제작 공정을 이용 초소형화 및 대량 생산 가능 초소형화를 시킴으로써 화학 , 생물의학 , 항공학 , 자동차 제품 , 선업 제어 , 소비자 제품 등에 사용이 기대됨4. MEMS 의 장단점 직접화 (1) 장 점 기계부품과 센서 , 전자회로 등을 하나로 한 칩에 여러 기능을 집적함으로써 기능성 향상 초소형화로 인해 하나로 집적함으로써 더 뛰어난 제품 구현 가능4. MEMS 의 장단점 다른 기술과 접목 가능성 (1) 장 점 MEMS 기술로 제작되어 응용되는 제품은 극히 일부분 다른 분야의 기술과 접목하여 기능 상승효과 기능 향상 뿐만 아니라 새로운 제품 창출4. MEMS 의 장단점 스케일의 문제 (2) 단 점 [ 마이크로의 세계 ] 마이크로 세계에서는 치수의 세제곱에 비례하는 체적의 효과가 상대적으로 약해지고 치수의 제곱에 비례하는 면적의 효과가 탁월 ▶ 먼지는 매우 가볍고 표면에 작용하는 공기의 마찰에 의해서 언제까지나 부유 • 먼지의 부유 때문에 마이크로 세계에서는 잘 움직이는 기계도 그대로 작게 해서는 잘 움직이지 않거나 효율이 나빠져서 실용화 할 수 없다4. MEMS 의 장단점 정보교환의 문제 (2) 단 점 [ 마이크로의 세계 ] 마이크로 세계에서는 치수의 세제곱에 비례하는 체적의 효과가 상대적으로 약해지고 치수의 제곱에 비례하는 면적의 효과가 탁월 ▶ 다수의 소형기계를 좁은 장소에 집중하여 사용하려 할 때에 큰 문제 • 기계를 제어하는 정보의 검출과 처리를 위하여 센서와 컴퓨터를 접속할 필요가 있을 때 그 배선이 기계 그 자체와 같을 정도로 커져버린다4. MEMS 의 장단점 단품 조립생산의 문제 (2) 단 점 [ 마이크로의 세계 ] 마이크로 세계에서는 치수의 세제곱에 비례하는 체적의 효과가 상대적으로 약해지고 치수의 제곱에 비례하는 면적의 효과가 탁월 ▶ 기계부가 소형으로 되면 그것을 취급하고 조립하는 것은 어려워진다 • 한 개의 소형기계를 만드는 단품 생산에서는 완성품의 비용은 매우 높아지며 , 특수한 용도 이외에는 사용할 수 없게 된다4. MEMS 의 장단점 반도체 마이크로 머신의 문제 (2) 단 점 [ 마이크로의 세계 ] 마이크로 세계에서는 치수의 세제곱에 비례하는 체적의 효과가 상대적으로 약해지고 치수의 제곱에 비례하는 면적의 효과가 탁월 ▶ 상대적으로 일정한 축소가 가능하다 • 재료가 실리콘에 한정 • 박막을 가공한 평면적인 구조밖에 없을 수 없다 • 힘이나 구조가 너무 작아서 어디에 응용하면 좋을지 모른다5. MEMS 의 응용분야5. MEMS 의 응용분야 (1) iT 분야5. MEMS 의 응용분야 (1) iT 분야5. MEMS 의 응용분야 (1) iT 분야5. MEMS 의 응용분야 휴대폰의 소형화 (1) iT 분야5. MEMS 의 응용분야 HMD 휴대용 컬러프린터 (1) iT 분야5. MEMS 의 응용분야 (2)BT 분야5. MEMS 의 응용분야 (2)BT 분야5. MEMS 의 응용분야 (2)BT 분야5. MEMS 의 응용분야 (2)BT 분야5. MEMS 의 응용분야 (3)NT( Nano Technology) 저장매체 AFM 을 이용한 데이터 기록 Low resistive loop 의 저항 Resistive heater 의 저항5. MEMS 의 응용분야 (3)NT( Nano Technology) 저장매체 AFM 을 이용한 데이터 읽기 Thermo-mechanical 방식 - 온도에 따른 저항의 변화를 이용 350ºC5. MEMS 의 응용분야 (4)ST(Space Technology) Pico-Satellite 비용을 줄이기 위해 MEMS 기술 제안 비용절감을 통한 대량생산의 가능성 전력소모 감소효과5. MEMS 의 응용분야 (4)ST(Space Technology) 미세 비행체 (MAV)감 사 합 니 다{nameOfApplication=Show}
탄소나노튜브 (Carbon Nano Tube )Contents 탄소나노튜브 ( CNT ) 란 ? 탄소나노튜브의 발전단계 탄소나노튜브의 구조 탄소나노튜브의 합성기술 1 2 3 4 탄소나노튜브의 응용분야 국내 / 국외 기술 및 연구 동향 5 6 향후 시장 전망 71991 년 일본의 NEC 부설연구소 이지마 수미오 박사에 의해 처음 보고된 탄소나노튜브 (carbon nanotube , CNT) 는 탄소들로 이루어진 육각형 구조들이 서로 연결되어 가늘고 긴 관 형태를 이루는 물질 플러렌 ( 탄소원자 60 개가 공 모양으로 연결된 축구공 모양 ) 을 변형시켜 만든 것으로 탄소로 이루어진 탄소동소체로서 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루고 있는 물질 나노기술 중에서 가장 많은 주목을 받고 있는 것이 이른 바 ‘꿈의 신소재’ , ‘21 세기 나노 기술의 보석’이라 불리는 탄소나노튜브 플 러 렌 탄소나노튜브 탄소나노튜브 (CNT) 란 ?탄소나노튜브의 물성 전기적 특성 - 구조에 따라 도체 또는 반도체 특성을 보임 - 전기 전도도가 매우 높음 열적 특성 - 열적도도가 높아 열 방출이 용이 - 고온에서도 잘 견딤 기계적 특성 - 강철보다 100 배 이상 강함 - 매우 가벼움 화학적 특성 - 다른 화합물과 반응을 잘 하지 않음 - 매우 안정적탄소나노튜브의 발전단계 1985 년 Smalley, Curl, Kroto 가 탄소동소체의 하나인 Full erene ( 탄소원자 60 개가 모인것 :C60) 을 처음으로 발견 (1996 년 노벨화학상 수상 ) 1991 년 이 물질을 연구하던 NEC 의 이지마 박사가 CNT 를 발견 하여 Nature 에 처음으로 발표 ( 전기방전법을 사용 ) 1992 년 Ebbesen , Ajayan 등이 전기방전법을 사용하여 합성 수율을 크게 증가하는 방법 발표 1993 년 IBM 의 Bethune 와 NEC 의 Iijima 등이 전기방전법 을 사용하여 직경이 1nm 수준인 단중벽 나노튜브합성 발표탄소나노튜브의 발전단계 구조에 따라 도체도 될 수 있고 반도체도 될 수 있는 독특한 전기적 성질 로 각광 받아왔음 . 탄소나노튜브의 구조단일벽 나노튜브 (single-wall nanotube ) - 튜브에 탄소원자로 구성된 벽이 하나인 튜브형태 - Zigzag Type, Armchair Type 의 두개의 대칭구조 - 전기 전도성 , 열전도성이 가장 우수 - 다중벽 나노튜브보다 유연해서 , 여러 개의 로프로 뭉치는 경향이 있는데 이것을 다발형 나노튜브 (rope nanotube ) 라 함 탄소나노튜브의 구조이중벽 나노튜브 (Double-wall Nanotube ) - 하나의 튜브에 탄소원자로 구성된 벽이 이중으로 겹친 튜브형태 - 단일벽 나노튜브와 다중벽 나노튜브의 중간구조 탄소나노튜브의 구조다중벽 나노튜브 (Multi-wall nanotube ) - 하나의 튜브에 탄소원자로 구성된 벽이 여러겹인 튜브형태 - Strait Type( 전기방전법 ), Bamboo Type( 화학기상증착법 ), Cut-stacked Type( 기상합성법 ) - 전기 및 열적 특성은 떨어지나 , 기계적 특성이 우수해 제조가 용이 탄소나노튜브의 구조탄소나노튜브 CTN 의 실물모습 흑 연 다이아몬드탄소나노튜브의 합성 기술 전기방전법 (arc-discharge) 레이저 증착법 (Laser vaporization) 열 화학기상증착법 (Thermal CVD) 플라즈마 화학기상증착법 (Plasma CVD) 기상증착법 (Vapor Phase Growth) 전기분해 / Flame 합성법초기 CNT 를 합성할 때 주로 사용한 방법 , 직류전원을 인가하여 전극 사 이의 방전에 의한 생성법 . 생성원리 진공의 챔버안에 수백 Torr 의 분위기 가스 (He 기체 ) 를 채우고 탄소막대의 양극에 직류전압을 가해준다 . 이때 양극 사이에 방전이 일어나는데 방전에 의해 생성된 전자는 양극으로 이동하여 탄소막대와 충돌하고 , 떨어져 나온 탄소들은 냉각된 음극의 탄소막대 표면에서 응축한다 . 이때 음극에서 생성된 탄소덩어리에는 CNT,Co, Ni, Fe, Y 등의 금속파우더를 적절한 비율로 혼합하여 전기 방전을 일으키면 단일벽 CNT 를 합성시킬 수 있음 . * 아크방전으로 생성된 단일벽탄소나노튜브 (SWNT) * 다중벽탄소나노튜브 (MWNT)레이저 증착법 (Laser vaporization) 전기방전식하고 비슷하지만 탄소봉 에 레이저를 주입시켜 기화된 탄소원 자를 냉각 수집기로 모으는 방법으로 CNT 를 얻음 . 생성원리 반응오븐에 He 나 Ar 기체를 넣어서 500Torr 의 압력으로 유지시키고 1200 도의 온도를 맞춘다 . 이때 레이저로 그래파이트 타겟을 쏘면 , 기화 된 탄소클러스터들이 발생되고 , 이것들은 냉각 되어 있는 Cu collector 에 흡착되어 응축된다 . 이떄 얻어진 응축물질은 CNT 와 탄소나노입자 , 그리고 탄소파티클이 함께 섞여있는 상태 . 장점 : 생산품질이 우수 . 단점 - 레이저 유지보수 . - 극소량의 생산물 . - 합성속도가 느림 . * 레이저증착법으로 합성한 CNT 의 SEM 사진 ( 좌 ) 과 TEM( 우 ) 사진 주사전자현미경 ( 시료의 표면관찰 ) 투과전자현미경 ( 시료의 내부관찰 )열 화학기상증착법 (Thermal CVD) 750~1050 도의 고온의 반응로 안에 탄소 성분의 가스 (C2H2,C2H4) 를 흘리 면 , 촉매금속 (Ni, Co, Fe) 의 표면에 열분해된 탄소원자가 반응하여 CNT 를 생성 . 장점 - 장치가 간단 , 제조비용 감소 . - 대량합성유리 . - 생성물및 원료가 다양 . - 미세 구조 제어 가능 . 단점 : 균일도 및 반응상태가 좋지 못한 결함상태의 CNT 생성 . * T-CVD 에 의해 생성된 CNT 의 SEM 사진 * T-CVD 에 의해 생성된 CNT 의 TEM 사진플라즈마 화학기상증착법 (Plasma CVD) 열화학 기상증착법과 유사하지만 , 고 주파 전원으로 플라즈마를 발생시켜 반응가스를 분해 고주파 전원의 사용으로 400~500 도 정도의 온도에서 CNT 를 생성 가능 생성원리 양 전극에 고주파 전원이 연결태로 CNT 를 합성하는 기법 생성원리 장치의 한쪽으로 반응가스가 공급된다 . 비교적 온도가 낮은 1 단계 온도영역에서 촉매금속분말 을 기화시키고 , 이로 인해 미세한 촉매금속 파 티클이 생성된다 . 이것은 온도가 높은 2 단계 영 역에서 고온에 의해 분해된 탄소와 흡착하여 C NT 를 합성 * 기상증착법으로 합성된 CNT 의 TEM 사진 ( 좌 ) 과 SEM( 우 ) 사진전기분해 / Flame 합성법 전기분해법 이 방법은 흑연막대 ( 음극 ) 를 용융상태의 LiCI 전해질이 함유된 흑연양극에 담그고 전기회로를 구성하여 MWNT 를 합성하는 방법이다 . 흑연양극의 온도는 보통 약 60 0 도이며 Ar 분위기이다 . DC 전류를 3 ~ 20A, 20V 미만에서 인가하면 직경이 2 ~ 10nm, 길이가 0.5um 이상의 MWNT 가 합성 Flame 합성법 이 방법은 CH 4 등의 탄화수소화합물이 미량의 산소분위기에서 연소되면서 발생하는 연소열이 열원이 된다 . CNT 합성을 위한 C 2 H 2 등의 반응가스와 촉매전구체를 확산 Flame 분위기에 흘려줌으로써 합성조건에 따라 MWNT 및 SWNT 가 합성 . Flame 분위기의 온도가 600 ~ 1300 도의 범위로 균일하지 않아 비정질탄소가 다 량 포함되며 , 결정성이 다소 떨어지는 편이다 . 저비용으로 대량합성에 용이하며 전극 재료에 유망탄소나노튜브의 응용분야 평판디스플레이 차세 대 디스플레이인 전계방출 소자의 TIP 을 탄소나노튜브로 대체 . 저전압 고휘도 광시야각 수피커패시 터 평행관 축전기의 금속전극을 탄소나노튜브로 대체 용량 증가 2 차 전지 및 수소저장 탄소나노튜브 속에 수소 , 리튬 등을 저장하여 2 차 전지 및 연료전지에 응용하여 전기 자동차에 사용 가능 . 고용량 , 긴 수명 고집적 메모리소자 설계 나노 크기의 탄소나노튜브를 정열시켜 메모리소자 설계 , 고집적 응용분야 가늘고 길게 서있다 . 속이 비어있다 . 표면적이 넓다 . 반도체특성이 있다 . Nanoprobe Nanosize 고강도 Nano에서 열 화학기증착법으로 세계 최초 상용화가 가능한 CNT 대량 합성장치를 3 년의 연구 끝에 개발 . 국내외 특허출원 현황 년도 국가 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2002 계 한국 - - - 1 5 6 16 83 82 63 193 미국 - 2 4 14 13 19 15 40 12 119 일본 3 10 7 9 3 12 22 56 35 157 유럽 - - - 6 4 1 7 16 23 57국가별 탄소나노튜브 유망용도 분야 국 가 유 망 용 도 한 국 FED, 전자부품 , EMI/RFI 차페 미 국 전자 , 의약 , 광 data 저장용 코팅 / 필름 , EMI/RFI 차페 일 본 전자부품 , EMI/RFI 차페 , FED, 에너지 저장 독 일 나노기계 , 생물약제약 , 코팅 및 필름 , EMI/RFI 차페 프랑스 에너지 저장 , 의약품 , 코팅 중 국 EMI/RFI 차페 , 폴리머 첨가제 MWCT 러시아 폴리머 첨가제 , 코팅 및 필름 , EMI/RFI 차페국내기술 동향 생체적합성 하이브리드 나노입자 및 신 합성공정 개발 - 손상된 뼈 및 치아 재생용 부품 소재 등 광범위한 응용 가능 간기능 진단폰 개발 - 유비쿼터스 헬스 케어 분야 등의 응용국외기술 동향 미 공군 , 자기정화 의류 코팅 기술 개발 - 군복 및 스포츠웨어에 적용 나노 스케일 중국지도 제작 - DNA 의 단일 가닥을 접어서 만듬 - 재료과학 분야의 응용 - 초정밀 전자소자 가공 - 생명과학 분야의 응용향후 시장 전망 CNT 시장은 연평균 30% 이상의 고성장이 전망 . 2004 년 약 1 조원에 불과하던 전 세계 CNT 시장은 해마다 성장을 거듭 해 2010 년 6 조원 돌파 . 아직 연구 개발 단계인 점을 감안한다면 , 상용화가 진행될 경우 더욱 급 속한 성장을 기록할 가능성 있음 .결론 여러 분야에서 활용되기까지 남은 과제 . 1. 대량생산을 통한 가격 인하 . 2. 특정 응용 분야에 맞는 각각의 탄소나노튜브 개발 . 3. 정제 및 커팅이라는 다소
1번 실험Diazotization1. 250ml 삼각 플라스크에 5% Na2CO3 용액 5ml를 넣고 다시 10ml의 물로 묽히고 1.3 g(7.5mmol)의sulfanilic acid를 가한다.2. 0.45g(6.3mmol)의 NaNO2 를 3ml의 물에 녹이고 그 용액을 sulfanilic 용액에 가한다. 찬물15ml를 가하여 용액을 냉각한다. Ice bath를 사용하여 용액을 냉각하고 온도가 3~5℃ 가 되면 격렬히 교반하며 물로 묽힌 진한염산 용액 1ml 를 1방울씩 가한다.⇒ 스포이드 사용. 용액의 색이 진한 노랑(혹은 주황)으로 변함.3. 만들어진 다이아조늄 용액을 필요 이상방치하지 말고 곧바로 다음 단계로 넘어간다.Coupling1. 시험관에 0.8ml (6.3mmol)의 dimethylaniline 과 0.4ml (0.4g, 7mmol)의 빙초산을 완전하게 섞는다.다이아조늄 용액을 격렬히 교반하며 재빨리 dimethylaniline acetate용액을 가한다. 그리고 혼합물을 5~10 분동안 교반한다.⇒ solid 떨어지면 반응 끝난 것임. Deep red.2. 마지막으로 수산화나트륨 수용액(0.9g+3ml H2O)을 가하여 알칼리 용액을 만든다.⇒ 색 변화 관찰 : Deep red 에서 yellowish orange로.3. 즉시 분리.250ml 삼각 플라스크뷰흐너 깔때기스포이드5% Na2CO3 용액 5ml1.3 g(7.5mmol)의sulfanilic acid0.45g(6.3mmol)의 NaNO2묽힌 진한염산 용액수산화나트륨 수용액(0.9g+3ml H2O)0.8ml (6.3mmol)의 dimethylaniline0.4ml (0.4g, 7mmol)의 빙초산에탄올2번실험Diazotization① 500ml 비이커에서 sulfanilic acid 5g을 5% Na2CO3 용액 30ml에 용해시킨다.② ①에 얼음으로 냉각한 물 100ml로 희석하고 온도를 3~5℃로 유지하면서 NaNO2 2g을 물 20ml에 용해한 용액을 저어주면서 가한다.③ HCl (1:1) 10ml를 1방울씩 가하여 디아조화반응의 완결여부를 starch potassium iodide paper로 시험하여 청색으로 변하지 않으면 NaNO2용액을 더 가하여 준다.＊starch potassium iodide paper:1% KI 용액에 여과지 조작을 적시고 다시 colloid 상의 starch용액에 적시어 건조한다.Coupling① 시험관에 dimethyl aniline 3g에 CH3COOH 1.5g을 가하여 만든 dimethylaniline acetate용액을 충분히 교반하면서 diazonium염 용액을에 가하고 5~10분간 방차한다.② 위 혼합액을 25% NaOH 20mldmf 가하여 알칼리성을 만들면 황색 methyl orange가 생성된다.
1.실험제목메틸오렌지 합성2.실험목적Methyl Orange합성으로 디아조 반응과 커플링 반응을 이해하고, Methyl Orange가 산과 염기에 어떤 변화가 있는지 알아본다.3.실험이론방향족 1차 amine 화합물에 NaNO2 (or HNO2)와 염산(or 황산)을 사용해 반응시키면 diazonium salt가 생성되는데 이러한 반응을 디아조화 반응(diazotization)이라 한다. (그림1-1)여기에서 처음 diazotization은 강산성하에서 일어나도록 한다. 이론적으로 2당량이나 실제로는 2.5～3당량정도가 필요하다. 그 이유는 먼저 생성된 diazonium ion이 미반응의 amine과 coupling을 하는 것을 막기 위해서이다.즉 1당량의 HCl은 아질산(HONO)을 생성하는데, 또 1당량은 방향족 1차 amine을 염으로 만들어 triazene 유도체가 생성되는 것을 막기 위하여 필요하다(그림 1-2).Diazonium salt는 일반적으로 불안정하나 낮은온도(0～5℃) 및 산성이나 약 염기성 용액에서는 비교적 안정하여 다른 여러 가지 친핵체들에 의해 쉽게 치환될 수 있기 때문에 의약품, 농약, 염료합성 반응에 널리 이용되고 있다. 한 예로 diazonium salt에 적절한 할로겐화 구리(CuX)를 넣어 반응시키면 (Sandmeyer 반응) 방향족 고리에 할로겐이 치환된 화합물을 쉽게 얻을 수 있다. (그림 1-3)또한, 이들 diazonium ion 은 친전자체로서 다음과 같은 공명구조를 가지고 있다.Nitronium ion(NO2+) 보다는 약한 친전자체로서 반응성이 훨씬 큰 방향족화합물(예 ; Phenol, aniline 유도체등)과 반응시키면 azo 화합물이 생성되는데 이러한 반응을 coupling 반응이라 한다. 이러한 반응은 주로 para위치에서 일어나지만, para위치에 다른 그룹이 치환되어 있을 경우에는 ortho 위치에서도 일어난다. 디아조화 반응과 짝지음 반응의 생성물들은 가시광선 영역에서 흡수되는 conjugate된 π― 전자들이 있기 때문에 염료에 널리 이용되고 있다.예를 들면 p-(N,N-dimethylamino)azobenzene은 밝은 노란색의 염료1)이고 Alizarin Yellow R은 양털 염료에 이용되고 있다. (그림1-4)■ Methyl Orange의 합성디아조화 반응과 짝지음 반응을 이용 azo 색소의 하나인 methyl orange를 합성해 보고자 한다. 물론 methyl orange는 염료 보다 지시약으로 더 많이 사용되고 있다. (그림 1-5)4.실험방법■실험기구250ml 비커, 피펫, ice bath, 감압여과기, heating mantle■실험시약황산 9.5g, Na2CO3무수물 3.0g, 진한황산 3.8g, CH3COONa 17ml,디메틸아닐린 12g, 25% NaOH 6g■실험방법-디아조화① 250ml의 비커에 NaCO3 5% 용액 5ml를 넣고 약 12ml가 되게 물로 희석시킨 다음 황산 1.3g(0.0075mole),(또는 1.5g hydrate)를 첨가한다.② 물중탕에서 천천히 가열하고 나서 만일 황산이 완전히 용해되지 않는다면 NaCO3 5% 수용액 1~2ml 이상을 넣어준다(2ml 이상을 넘기지 않아야 한다.)③ NaNO2 약 0.45g을 재어 약 3ml 물에 용해시키고 ②에 첨가한다.④ 얼음물에서 온도가 3~5℃가 될 때까지 용액을 냉각시키고 물 1~2ml로 희석된 진한염산 용액 1ml를 한 방울씩 첨가한다. (이 결과로 생기는 디아조늄 용액을 필요이상 방치해두지 않도록 한다.)-커플링⑤ 시험관에 있는 0.8ml 디메틸아닐린에 빙초산 0.4ml를 첨가하고 완전히 섞는다.
1. 실험 제목니트로화 반응(니트로 벤젠)2. 실험 목적실험에서는 친전자성 방향족 치환반응의 중요한 예제의 하나인 nitration(니트로화)를 알고 이를 통해 nitrobenzene을 합성해 봄으로서 nitration반응을 이해한다.3. 실험 이론◆원리니트로벤젠의 합성 반응식은 다음과 같으며 이반응은 발열반응이다.벤젠의 탄소와 결합되어 있는 수소가 혼산 중의 이온으로 치환된다.그림에서와 같이 유기 화합물에 니트로기를 도입하는 반응을 니트로화 반응이라고 한다. 공업적으로 질산에스테르의 생성반응(에스테르화 반응)도 니트로화 반응이라고 하는 경우가 있지만, 대부분 방향족 화합물에 적용된다.● 니트로화(nitration)화합물의 수소원자를 니트로기 [-NO2]로 치환하여 니트로화합물을 합성하는 반응이다. 벤젠으로 니트로벤젠을 합성하는 것이 대표적인 예이다. 톨루엔을 혼산(진한 질산과 진한 황산의 혼합물)과 가열하여 니트로화하면, 고성능 폭약 TNT(트리니트로톨루엔)가 생성된다. 또한 알코올과 질산으로 질산에스테르(대표적인 예는 니트로글리세린, 니트로셀룰로오스)를 만드는 반응도, 넓은 의미로 니트로화반응이다. 니트로화반응의 생성물은 대개 폭발성이 있다. 환원반응에 의한 amine의 제조와 관련된 화합물(benzidine, p-aminophenol)의 제조에 대한 중간체로도 매우 유용하다.R-H + HNO3 → R-NO2 + H2O탄화수소 니트로화합물R-OH + HNO3 → R-O-NO2 + H2O알코올 질산에스테르니트로화 반응식은 일반적으로 질산과의 반응식으로 표현되지만, 실제로 NO2+ 이온에 의해 반응이 진행된다. NO2+이온은 질산 중에는 거의 존재하지 않고, 질산과 황산과의 혼산에서, 질산이 황산으로부터 H+을 받아 이온화하여 NO2+이온을 생성한다. 벤젠을 진한 질산과 진한 황산의 혼합물과 함께 가열하면서 반응을 진행시키면 훨씬 빨리 반응이 일어난다. 이는 질산이 진한 황산 중에서 다음과 같이 이온화하기 때문이다.HNO3 + 2H2SO4 → NO2+ + H3O+ + 2HSO4-이 과정은 Oxoniumion ion fragment가 물을 잃으면서 카르보 양이온이 생성되는 알코올의 탈수반응의 반응속도 결정단계와 유사하다. 니트로화 반응에서의 속도결정단계는 Nitronium iom의 공명안정화 중간체를 형성하는 시그마결합으로부터 한 쌍의 π전자를 편재화하는 방향족 고리화의 반응이다. 마지막 단계에서 중간체는 빠르게 proton을 잃고 방향성을 가진 고리가 된다.그러나, 질산이 황산에 의해 이온화하기 위해서는 황산의 농도가 상당히 높아야 하며, 황산의 농도가 낮아지거나 수분이 많아지면 NO2+이온은 거의 존재하지 않는다.● 니트로벤젠=> 벤젠을 혼합산으로 니트로화하면 얻어지는 방향족 니트로화합물로 분자식 C6H5NO2이다. 무색의 액체로서 분자량 123, 녹는점 5.8℃, 끓는점 211℃, 비중 1.2(0℃)이다. 물에는 잘 녹지 않지만, 유기용매와는 잘 섞인다. 수용액은 단맛이 나며, 환원시키면 니트로소벤젠, N-페닐히드록실아민을 거쳐 아닐린이 된다. 1834년 E.미처리히가 처음으로 합성했으며, 벤젠을 황산과 질산의 혼합산 속에서 니트로화 시켜서 얻는다. 아닐린의 염료공업에서 중요하고, 원료로 중요하고, 또 유기반응의 용매로도 사용된다. 또한, 약한 산화작용을 나타내므로 온화한 산화제로 이용된다. 니트로벤젠은 독성이 강하고 피부에 흡수되기 쉬우므로 취급할 때 조심해야 한다.4. 실험 방법◆실험 시약진한HNO3, 진한H2SO4, benzene(C6H6), CaCl2 , 5~10% Na2CO3수용액◆실험 기구3구 둥근 바닥 플라스크, 환류냉각기, 중탕기, 전열기, 교반기, 초시계, dropping funnel◆실험 방법① 500㎖ 둥근 바닥 플라스크에 진한 HNO3 35㎖(49g)를 넣는다.② 냉각수로 냉각하면서 진한 H2SO4 40㎖(72g)을 천천히 가한다.③ 온도계를 반응액에 집어넣어 온도가 60℃를 넘지 않도록 주의하면서 벤젠을 한번에 약 3㎖씩 가하고는 잘 흔드는 방식으로 전량 29㎖(25g)을 추가한다.④벤젠을 다 가한 후 환류 냉각기를 부착하고 물중탕 내에서 60℃에서 45분간 가온한다.(가온 할 동안 반응액을 잘 흔드는 것을 잊어서는 안 된다.)⑤가온이 끝나면 반응액을 증류수 약 30㎖ 중에 서서히 가하면 니트로벤젠은 유상으로 가라 앉는다.(이 때 용액 위에 뜨기도 한다. 유상액체이므로 알아보기 쉽다.)
세라믹8조탄소나노튜브
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