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환원 반응

1. 실험 제목 : 환원 반응2. 실험 목적산화, 환원 반응을 이해하고 아세토페논과 환원제()를 반응시켜 해당 알코올을 제조하고 목적물질을 분리, 정제한다.3. 실험 기구 및 장치각종초자(플라스크, 비이커, 피펫, 분액깔대기, 크로마토그래피용 컬럼...), 분석기기(Thin Layer Chromatography, UV detector)4. 실험순서1) 잘 건조된 플라스크에 acetopenon 0.5g과 ethanol 4ml를 넣는다.2) 약 5분간 교반한 후 0℃ 얼음물로 냉각시킨다.(bath이용)3) 15분 정도 냉각시킨 후를 0.315g 넣는다.(다 넣으면 bath제거)4) 3시간 정도 교반 후 TLC로 반응정도를 확인한다.5) 반응이 완전히 진행되었으면 교반을 멈추고 반응을 종결한다.6) Evaporator를 이용해 ethanol을 제거한다.7) 플라스크에 MC(4ml)와 물(2ml)를 넣고 잘 흔들어 층이 분리되면 MC층(아래층)만 받아 비이커에 담는다.8) 비이커에 건조제()를 넣고 filtering 한다.9) 플라스크에 받아 evaporator로 MC를 제거하고 무게를 측정한다.10) Column을 통해 순수한 물질을 얻어낸다.5. 실험 이론5.1 환원반응의 mechanism5.1.1 산화-환원 반응산화 환원 반응이란 보통 여러 가지로 정의 할 수 있다. 먼저 산화 환원 반응은 다음과 같이 어떤 물질이 산소 또는 수소와 결합하거나 분리되는 반응으로 정의된다.┌-----산화 -----┐CuO + H₂ ──→ Cu + H₂O (산소와 결합 또는 분리)└----환원-----┘┌------산화 ------┐Cl2 + H₂S ――――→ 2HCl + S (수소와 결합 또는 분리)└------환원-------┘또한 위의 반응을 이온식으로 나타내면 산화, 환원반응을 전자의 이동으로 설명할 수가 있다.┌----전자를 잃음(산화)-----┐2H + S₂+ + Cl₂ ──→ 2H+ + 2Cl- + S (전자의 잃고 얻음)└전자를 얻음(환원)┘즉 염소(Cl)는 전자를 얻 HCl1- + Mn4+O2 → Mn2+Cl2 + Cl20 + H2OHCl : 환원제 MnO2 : 산화제- 산화제 . 환원제로 쓰일수 있는 물질산화제 : 전자를 얻는 성질이 강한 비금속 원소산화수가 높은 원소를 포함한 화합물KMnO4 (Mn : 산화수 +7) K2Cr2O7 (Cr의 산화수 +6)환원제 : 전자를 주는 성질이 강한 금속 원소산화수가 낮은 원소를 포함한 화합물H2S (S의 산화수 -2) SnCl2 (Sn의 산화수 +2)- 산화제와 환원제의 양적 관계산화제 : 자신은 환원되므로 전자를 얻음환원제 : 자신은 산화되므로 전자를 잃음5.1.3 카르보닐 화합물의 산화-환원 관계수소음이온 시약은 카르보닐기를 환원시키는데 카르보닐기 (carbonyl group) C=O 의 전자는 두 구성원자 사이에 고르게 분포되어 있지 않다. 산소가 탄소보다 더 큰 전기 음성도를 가지기 때문에 카르보닐기의 탄소는 친전자성, 산소는 친핵성이다. 이러한 극성화는 전하가 분리된 공명형태로 나타낼 수 있다.카르보닐 탄소가 친전자성이므로, 친핵성 (H-)는 수소음이온 시약(hydride reagent)에 의해 제공될 수 있다. 이러한 두 종류의 시약이 sodium borohydride (NaBH₄) 와 lithium aluminum hydride (LiAlH₄)이다. 이 두 화합물은 LiH 나 NaH 와 같은 더 간단한 유사 체보다 일반적으로 유기용매에 더 잘 녹는 장점을 가지고 있다. 각 알칼리 금속 수소화물은 borane (BH₃) 나 alane (AlH₃)에 첨가하여 수소음이온 시약을 만들면, 중심원자는 팔 전자계를 갖는다. Methane이나 암모늄이온 (NH₄+)와 같이, BH₄-나 AlH₄- 이온도 4개의 동등한 수소를 가지는 사면체이다.이러한 수소음이온 시약들의 화학은 수소원자의 수소음이온 성질에 의해 좌우된다. 카르보닐기의 환원은 탄소에 수소음이온, 산소에 양성자가 첨가되어 진행한다. 비록 수소음이온 자체는 양성자성 용매에 의해 즉시 양성자 첨가가 일어나는 강력한 염기이지킬 수 있다. 결국 붕소시약은 tetraethoxyborate 로 변한다.5.2 TLC (Thin Layer Chromatography)의 원리 및 응용5.2.1 크로마토그래피크로마토그래피는 다성분 혼합물을 두 상(phases), 즉 고정상(stationary)과 이동상(mobile phase)에 분배시켜, 각 성분들이 두 상에 분배되는 정도, 즉 각 상에 대한 용해도나 흡착도가 달라 다른 분배 평형계수를 보이기 때문에 분리가 가능하다.크로마토그래피는 일종의 연속적인 추출과정인데 고정상에 대해 연속적으로 이동상을 접촉시키면서 이동시키면 이동되면서 각 상에 있던 물질들은 새로운 고정상을 접할때마다 재분배되고, 고정상에 많이 분배되는 성분들의 이동속도는 늦어지고 이동상에 분배가 많이 되는 성분의 이동속도는 빨라지게 되어 분리된다.크로마토그래피는 이동상의 상태에 따라 기체크로마토그래피(GC)와 액체크로마토그래피(LC)로 나누고, 정지상의 상태와 종류에 따라 세분되며, 정지상을 컬럼에 넣고 용리시키는 컬럼법과 정지상을 얇은 판 위에 묻히거나 거름종이를 사용하는 판법으로 세분되며 종류를 다음과 같이 분류할 수 있다.5.2.2 크로마토그래피의 정의 및 원리크로마토그래피의 원리를 한마디로 요약하자면 “분배평형”의 원리라고 말할 수 있다. 예를 들어 무극성 분자 M을 섞이지 않는 두 용매, 즉 극성이 큰 용매 A와 극성이 작은 용매 B로 구성된 용액에 넣고 잘 흔들어준 다음 그대로 방치하면 극성이 큰 용매 A와 무극성용매 B는 서로 섞이지 않고 층이 분리되는 현상을 보이게 되며 이 때 무극성 분자 M은 극성용매 A보다 무극성 용매 B에 더 많이 녹아있게 된다. 이는 무극성 분자 M이 용매 A와 B 사이에 고르게 분배되지 않기 때문이며 이를 평형식으로 나타내면 다음과 같다.M(A)M(B)이러한 분배 평형의 원리는 이동상(액체 또는 기체)과 고정상(고체)이 존재하는 크로마토그래피에서도 그대로 적용할 수 있다. 혼합용질이 이동상에 섞여 고정상을 통과할 때 각각의 용질은 서로 다른은 용질분자 보다는 극성이 큰 용질분자와 상호작용이 더 크게 되며 반대로 고정상이 극성이 작은 물질(역상크로마토그래피) 로 이루어진 경우 극성이 작은 용질분자가 더 큰 상호작용을 하게 된다. 두 번째 이유는 각각의 용질이 이동상에 대해 서로 다른 용해도(상호작용)를 갖기 때문이며 이동상에 대한 용해도가 큰 용질일수록 고정상에서의 속도가 빠르다고 할 수 있다.크로마토그래피의 원리를 토대로 정의를 하면 지지체 support의 고체표면 위에서 혼합물의 성분들이 한 방향으로 흘려주는 유체(fluid)에 의해서 흘러갈 때 고체표면에 고정되었다가 떨어져 나가는 정도가 서로 다르기 때문에 분리되는 과정이라 말할 수 있다.5.2.3 TLC (Thin Layer Chromatographp)액체상 크로마토그래피의 일종이며, 미량의 시료를 손쉽게 빠른 시간안에 분리할 수 있는 분석방법이다. 흡착제를 얇게 입힌, 유리판 또는 플라스틱판의 한쪽 끝에 미량의 시료를 점적한 후 적당한 전개 용매가 들어 있는 전개용기에서 전개 시키면 흡착제 막의 모세관 작용에 의해 시료가 각기 다른 위치로 이동되는데 이 이동 위치는 흡착제와 시료간의 상대적인 흡착력에 의존한다.크로마토그램상의 spot는 첫째, 자외선(UV light 254nm)으로 비추어 형광물질의 위치를 찾는 방법, 둘째, 발색제를 TLC판 위에 뿌려서 확인하는 방법, 셋째, 황산/과망간산칼륨 용액으로 유기물을 탈수시켜 확인할 수 있는 방법, 넷째, 요오드 증기가 포화되어 있는 유리기구 속에서 유기물질이 요오드를 흡착하여 착물을 만들므로써 위치를 확인할 수가 있다. Spot의 위치로부터 Rf를 계산하는 방법은 다음 그림으로 알 수 있으며 Rf에 대한 정의는 다음과 같다.5.2.3.1 TLC의 응용상품화된 TLC판의 편리한 형태는 200μm 플라스틱 낱장에 도표한 100μm 층의 흡착제로 이루어진 20×20cm 낱장으로 나온다. 이들을 보통의 가위나 혹은 종이 절단기를 사용해서 분석용 분리에 적합한 2×10cm 조각으로 자른다. 액체-고 면이 올라오는 점들이 눈에 띠도록 여과지 선 내에 공간을 향하게 해야한다. 병은 뚜껑을 막고 올라오는 용매 앞쪽이 위쪽의 선에 도착될 때 까지 놓아둔다.하나 이상 확인해야 할 성분들이 무색이라면, 편리한 시각 확인법으로 요오드를 분산시키도록 한 찻숟갈 정도와 한 두개 요오드 결정과 혼합한 것이 들어있는 또 다른 나사뚜껑을 병 안의 TLC판에 넣는 것이다. 뚜껑을 닫고 한 병을 수평으로 유지하여, 요오드와 모래 혼합물과 접촉하기 위해 판을 들고 1～2처간 덜려준다. 요오드 증기가 유기물질이 농축되어 있는 판 위에 흡수되어서 갈색점으로 나타낸다. 색이 나타난 후에는 판을 끄집어 내어서 각 점 주위를 연필로 둥글게 표시한다. 공기중에 노출시키면 갈색 요오드 점들이 점차 사라진다.자외선광을 흡수하는 화합물로 또다른 시각 확인법은 형광색소를 스며들게 한 박층판을 사용하는 것이다. 판을 UV광에 노출시키면 색소가 빛을 발하게 된다. 만일 유기화합물이 UV광을 흡수하면, 이것이 색소로 도달하는 광을 방해하게 되어 빛을 발하는 동안 어두운 반점을 만들게 된다. 그 판이 빛을 발하는 동안 어두운 반점들을 자외선광을 제거한 후에 이들 위치를 측정하고 기록할 수 있도록 연필로 동그라미를 그려 놓아야 한다.5.2.3.2 흡착제와 용매TLC에 가장 많이 사용되는 두 가지 흡착제로는 실리카젤(SiO2)과 알루미나(alumina, Al2O3)를 들 수 있으며, 물질을 정제하는 데 사용하는 칼럼 크로마토그래피의 흡착제로도 역시 두 가지가 가장 많이 사용되고 있다. 일반적으로 상대적으로 소수성 물질, 즉 탄수화물, 알킬 할라이드, 에테르, 알데하이드, 케톤 등을 분리할 경우에는 실리카젤을 사용하며, 친수성 성질이 강한 물질, 즉 알코올, 카복실산과 아민 등을 분리할 경우에는 흡착력이 강한 알루미나를 사용한다. 사용하는 흡착제 외에 크로마토그래피를 실시하는 데 사용하는 용매의 영향도 크다. 극성이 큰 용매는 극성이 큰 물질과 상호 작용하며, 극성이 작은 용매는 역시 극성이 작은 물질과 상호 한다.

공학/기술| 2006.09.12| 7페이지| 1,000원| 조회(436)

전자, 산화, 반응, 환원, Cl

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[유기화학]Grignard 반응 평가B괜찮아요

1. 실험 제목Grignard 반응2. 실험 일자2005 년 9 월 28 일3. 실험 목적Grignard 시약을 제조하여 aldehyde에 첨가시켜 alcohol을 제조하고, 그 반응에 대하여 공부하여 보자. 또한 여러 가지 실험 초자 및 분석기기들의 사용방법과 그에 대한 원리를 이해하자.4. 시약 및 실험기구- 실험 시약* Benzylchloride * 3-Chlorobenzaldehyde* 1.0MPhMgBr/THF(Tetrahydrofuran) * Ether, Mg, H2O시약BenzylChlorideMgI2EtherFW126.5924.31253.8WT400mg115.2mg1조각3mlmole ratio3.519mmol4.739mmol- 실험 기구(초자)* 플라스크 * 비이커* 피펫 * 분별깔대기* OTC (Open Tubular Column) * 바이알- 분석 기기* TLC * UV Detector5. 실험 순서- Grignard 시약 제조-1) 플라스크에 Benzylchloride 400mg을 넣는다.2) stirring bar와 solvent(ether)를 5ml 넣는다.3) Mg 100mg을 넣는다.4) 플라스크에 vacuum을 건다.5) 1시간 교반 후 TLC를 확인한다.- Grignard 반응-6) 플라스크에 3-Chlorobenzaldehyde 324mg과 Ether 10ml을 넣은 후 진공을 걸고 온도를 섭씨 0℃ 로 유지한다.7) 일회용주사기를 이용하여 1.0 M PhMgBr/THF 3ml을 넣는다.8) 다시 1시간 동안 교반시킨다.9) TLC로 반응을 확인한다.10) 반응이 다 진행되었으면 ether와 물을 넣고 약5분간 교반 후 HCl수용액 을 넣은 후 다시 교반한다.11) ether 층과 물 층이 잘 분리 되면 ether만을 받아서 MgSO4로 건조시킨다.12) evaporator로 solvent를 제거한다.13) crude를 계산한다.6. 실험이론6.1 Grignard reagent [2][3]유기할로겐화물, RX는 Ether나 te들면, dibuthyl ether (B.P.: 142℃)는 높은 끓는점을 갖는 용매가 필요할 때 사용하기도 한다. THF와 같은 몇 가지의 cyclic ether도 Grignard 시약을 제조하는데 사용되기도 한다. alkyl iodide, bromide 또는 alkyl chloride 그리고 aryl iodide 또는 aryl bromide는 용매로서 diethyl ether를 사용하여 대응되는 Grignard 시약으로 만들 수 있다. 한편 aryl chloride는 diethyl ether하에서 마그네슘과 반응하지 않지만 THF가 용매로 사용될 때는 쉽게 반응하여 Grignard 시약을 만든다.할로겐 화합물과 Mg의 반응에서 할로겐에 따른 반응성은 RI〉RBr〉RCl이며 또한 aryl halide보다는 alkyl halide의 반응성이 크다. 따라서 aryl bromide와 alkyl halide는 거의 비슷하게 잘 반응하는 것으로 알려져 왔다. 특히 반응성이 없는 할로겐 화합물을 취급할 경우에는 초기반응은 때때로 반응 혼합물에 소량의 요오드를 첨가함으로써 이루어지는데 이것은 소량의 할로겐화합물이 조금 더 반응성이 있는 요오드화물로 전환되는 것으로 생각된다.Grignard 시약의 제법은 무수의 조건하에서 이루어져야만 하며 가능하다면 산소 없이 행해져야 한다. 물이 존재하면 초기반응을 억제할 뿐만 아니라 이미 형성된 시약을 파괴하기 때문에 전 과정을 통해서 완전히 건조한 상태를 유지하도록 하는 것은 매우 중요하다.Grignard 시약의 특징적인 화학적 성질은 carbon ion의 특성과 관련된다. 예로 phenyl magnesium 일반적으로 금속-탄소결합, 즉 금속원자와 탄소원자의 결합을 가지는 화합물을 말하나, 카르복시산염이나 알콕시드, 또 에틸렌디아민 등의 리간드를 가지는 금속착염은 포함시키지 않는다. 금속-탄소결합은 일반적으로 불안정하고 반응성이 풍부하므로 물 ?산에 의하여 분해하는 것이 많으며, 또한 유기합성의 중간물질이나 촉매로 잘 알려져 있다.[소화합물의 주요 합성법도 이 반응이다.6.2.1.2 간접법합성하기 쉬운 다른 방법으로 합성한 유기금속화합물과 금속 또는 금속할로겐화물과의 반응, 즉 MR＋M→ MR＋M (M=금속 또는 금속할로겐화물)이다. 예를 들면 알킬카드뮴화합물 등의 합성이 있다. 이 합성법은 유기전이금속착물 합성에도 종종 쓰인다.6.2.1.3 금속-수소 또는 금속-탄소결합과 불포화결합의 반응(첨가 반응)대표적인 예는 수소화붕소첨가반응이나 Ziegler-Natta method 중간물질 생성반응, butyllithium 과 ethylene 의 고압반응으로 polyethylene을 생성할 때의 중간물질 등이다. 또한 금속-탄소결합뿐만 아니라 금속-산소결합, 금속-질소결합, 금속-인 결합 등도 불포화결합에 첨가되어 유기금속화합물을 만든다.6.2.1.4 활성수소를 가진 유기화합물과 금속 또는 금속할로겐화물의 반응(치환반응)즉 M＋nRH→nMR(M=금속 또는 금속할로겐화물)이다. 알칼리금속의 반응과 ferrocene synthesis 등이 이것에 속한다. [3]6.3 Grignard 반응6.3.1 Grignard 시약으로부터 알콜의 제조Grignard 시약의 가장 중요한 용도는 알데히드나 케톤과 반응시켜 알콜을 만드는 것이다. Grignard 시약의 탄소-마그네슘 결합은 극성이 매우 큰 결합니다. 탄소는 전기 양성도가 큰 마그네슘에 비해서 음성이기 때문이다. 그러므로 카르보닐 화합물의 첨가에서 유기원 (기)는 탄소에, 마그네슘은 산소에 결합하게 된다는 것은 놀라운 일이 아니다.생성물은 약산성 알콜의 마그네슘염이며 보다 강산인 물의 첨가에 의해 알콜로 된다. 이렇게 해서 Mg(OH)X는 다루기 어려운 젤라틴물질이므로 물 대신에 묽은 무기산(HCl, H2SO4)을 써서 물-가용성 마그네슘염이 생기도록 하는 것이 좋다.6.3.2 Grignard 합성의 이유Grignard 시약은 두 개의 유기분자들을 한 개의 보다 큰 분자로 전환시킬 수 있게 해주기 때문이다. 이를 위해 하나의 탄소-탄소 결합을 형성시켜야반응이다. 카르보닐(C=O)에서 탄소-산소결합(σ와 π)전자는 전기음성인 산소 쪽으로 끌리게 된다. 카보닐기의 탄소는 부분양전하를 띠게 되고 Grignard 시약의 친핵성 탄소의 공격을 받게 된다. 케톤과 RMgX와의 반응생성물은 알코올의 마그네슘염이다. 물 또는 산성 수용액으로 처리하면 알코올과 무기마그네슘의 복염을 생성한다.Grignard 반응은 매우 복잡한 탄소결격을 갖는 알코올을 합성하는 방법을 제공한다. Grignard 시약은1. formaldehyde와 반응하면 1차 alcohol2. 다른 aldehyde와 반응하면 2차 alcohol3. ketone과 반응하면 3차 alcohol4. ester와 2몰 당량으로 반응하면 3차 alcohol을 형성한다.Grignard 시약이 에스테르의 카르보닐 그룹에 첨가되면 처음 생성물은 불안정하여 알콕시화 마그네슘을 잃고 케튬을 형성한다. 그러나 케톤은 에스테르보다 Grignard 시약에 대한 반응성이 더 크다. 그러므로 혼합물 속에서 케톤이 형성되자마자 제 2분자의 Grignard 시약과 반응한다. 가수분해하면 생성물은 두 개의 동일한 알킬그룹을 가진 3차 알코올이다. 이 때 알킬 그룹은 Grignard 시약의 알킬 부분에 해당한다.Grignard 시약(1차, 2차, 3차, 비닐 혹은 아릴)과 이산화탄소와의 Grignard 반응은 카복실산 제조에 자주 쓰이는 방법이다. 이 Grignard 반응은 케톤 또는 다른 카보닐 화합물의 Grignard 반응과 유사하지만 그러나 이산화탄소와의 Grignard 반응은 알코올을 생성하지 않고 카복실산 마그네슘염을 생성한다. 마그네슘염은 Grignard 반응에서 사용한 에테르 용매에 녹지 않는다. 그러므로 CO의 두 개 π결합 중 한 결합만이 반응하다. 불용성인 마그네슘염에 산 수용액을 처리하면 카복실산이 유리된다.1단계2단계다른 몇 가지 Grignard 반응에서도 알코올이 얻어질 수 있다. 산화에틸렌과 Grignard 시약이 반응하면 1차 알코올이 생성된다.6.3.5 Grign약과 반응시켜 아세틸렌계의 Grignard 시약을 다른 합성에 쓸 수 있다.Grignard 합성을 설계할 때 Grignard 시약이 산성인 그룹을 포함하고 있는 알데히드, 케톤, 그리고 에스테르와 반응하지 않도록 조심해야 한다. 이렇게 하면 Grignard 시약은 간단히 염기로서 산성인 수소와 반응하고 친핵체로서 카르보닐이나 에폭시화물의 탄소와는 반응하지 않는다. [3]6.4 유기반응 3대 반응(부가, 제거, 치환반응)6.4.1 첨가반응(Addition reaction)첨가반응(Addition reaction)은 두 반응 물질들이 서로 첨가되어 떨어져 나오는 원자들이 없이 새로운 하나의 생성물만을 형성하는 반응이다. 이 반응과정을 일반적으로 나타내면 다음과 같다.두 반응물이 서로 첨가되어 하나의 생성물이 생긴다.예로 Ethylene과 같은 알켄이 HBr과 반응하여 브롬화 알킬을 생성하는 반응이다.알켄 할로겐화 알킬6.4.2 제거반응(Elimination reaction)제거반응(Elimination reaction)은 어떤 점에서는 첨가반응 역반응이다. 제거반응은 하나의 반응물질이 두 개의 생성물로 쪼개지는 반응이다.하나의 반응물이 쪼개져 두 가지 생성물이 된다.예로 할로겐화 알킬 화합물을 염기와 반응시켜 한 분자의 산과 한 분자인 알켄을 생성하는 반응이다.할로겐화 알킬 알켄6.4.3 치환반응(Substitution reaction)치환반응(Substitution reaction) 은 두 가지 반응물질의 어떤 부분들이 서로 교환되어 두 가지 새로운 생성물을 만드는 반응이다.반응물이 일부 가 교환되어 두 가지 새로운 생성물이 생성된다.예로 치환반응의 예는 알케인을 자외선 존재 하에서 Cl2기체와 반응 시키면 염화 알킬 화합물을 생성하는 반응이다. 이 반응에서는 Cl2에서 제공된 하나의 Cl원자가 알케인의 H원자와 치환되어 두 가지 새로운 생성물을 만드는 반응을 들 수 있다.[2]알케인 할로겐화 알킬6.5 크로마토그래피(chromatography)색층분석이라고도 류된다.

공학/기술| 2006.09.12| 14페이지| 1,000원| 조회(2,760)

금속, 시약, 마그네슘, Grignard, 할로겐

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연료전지

1. 실험 제목Fuel Cell (연료전지)2. 실험이론2.1 연료 전지란?2.1.1 연료전지의 개념전기화학반응에 의해 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전기화학 장치로 미래의 환경친화적 신에너지이다.연료전지는 그 이름에서 보듯이 전지와 엔진의 성격을 동시에 지니고 있다고 볼 수 있다. 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산한다는 점에서는 전지의 성격과 유사하나, 주입된 연료에 따라 작동한다는 점에서는 엔진과 유사한 점이 많다. 이 때문에 연료전지는 최근 각광을 받고 있는 2차 전지와는 다른 차별적인 개념으로 이해하는 것이 바람직하다.2.1.2 연료전지의 특징(1) 고효율 : Carnot Cycle의 제한을 받지 않음 (효율 > 40%).(2) 무공해 : NOx와 SOx를 배출하지 않음.(3) 무소음 : Moving Parts가 없음.(5) 다연료 : 수소, 석탄가스, 천연가스, 매립지가스, 메탄올, 휘발유의 사용(6) 열병합(고온연료전지의 경우) : 폐열 활용이 가능.2.1.3 연료전지의 기대효과(1) 고분자전해질 연료전지 및 이를 이용한 무공해 연료전지 자동차 개발을 통해 원천기술을 확보하고 관련기술을 산업체에 이전함으로서 산업경쟁력 강화에 기여.(2) 선진국에서 무공해 자동차의 사용이 곧 의무화될 것이 예상됨에 따라 기술자립을 통해 자동차 수출증대에 이바지.(3) 고효율, 무공해 연료전지 자동차의 개발로 환경오염 방지 및 수송용 에너지 절약에 기여.(4) 고분자전해질 연료전지는 자동차용 동력원외에 발전용 (분산용 발전, 가정용 전원) 이나 이동용 (정보통신 장비용), 군수용 (잠수함 동력원) 등으로 활용 가능2.2 연료 전지의 기본적인 원리수소와 산소가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기 에너지로 변환시키는 고효율의 무공해 발전장치로서 공기극(cathode)에는 산소가, 연료극(anode)에는 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 물이 발생overall reaction 에서 수소이온과 전자,그리고 산소가 결합하여 물이 된다.2.3 연료 전지의 종류 및 특성2.3.1 연료전지의 종류PAFCMCFCSOFCPEMFCDMFCAFC전해질인산탄산리튬/탄산칼륨지르코니아수소이온교환막수소이온교환막수산화칼륨이온전도체수소이온탄산이온산소이온수소이온수소이온수소이온작동온도 (℃)2006501000< 100< 100< 100연료수소수소일산화탄소수소일산화탄소수소메탄올수소연료원료도시가스 LPG도시가스 LPG석탄도시가스 LPG메탄올, 메탄휘발유, 수소메탄올수소효율 (%)404545453040출력범위 (kW)100 - 5,0001,000 - 10,0001,000 - 10,0001 - 1,0001 - 1001 - 100주요용도분산발전형대규모발전대규모발전수송용동력원휴대용전원우주성용전원개발단계실증-실용화시험-실증시험-실증시험-실증시험-실증우주선적용2.3.2 인산형 연료전지 (PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell)인산형 연료전지는 상용화된 연료전지 중 가장 발전된 시스템으로 현재 미국 ONSI사에 의해 200kW급 시스템이 상용화된 연료전지이다.95%이상의 진한 인산을 탄화규소(SiC) 매트릭스에 함침시킨 것을 전해질로 사용하며 운전 온도는 170～220℃이다.인산형 연료전지는 천연가스, 나프타, 액화석탄가스와 같은 화석 연료나 메탄올 등의 연료를 개질기를 통하여 수소를 발생시켜 사용할 수 있으며 이에 함유되어 있는 이산화탄소나 미반응 탄화수소도 연료전지 반응에는 영향을 미치지 않는 장점이 있다.2.3.3 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)통상 제 2 세대 연료전지로 불리는 용융탄산염 연료전지는 다른 형태의 연료전지와 함께 높은 열효율, 높은 환경친화성, 모듈화 특성 및 작은 설치공간으로 대표되는 장점을 공유하는 동시에, 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 또는 고분자 연료전지와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 다음과 같은 추가 장점들을 갖고 있다. 즉, 고온에서의 빠른 전기화학반응은 매스 등 다양한 연료 선택성을 제공한다. 그리고 HRSG (Heat Recovery Steam Generator) 등을 이용한 bottoming cycle로 양질의 고온 폐열을 회수 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 약 60% 이상으로 제고시킬 수 있다. 또한, 용융탄산염 연료전지의 고온운전 특성은 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응과 연료개질반응을 동시에 진행시키는 즉, 내부개질 형태의 채용이 가능하도록 하는 또 다른 장점을 제공한다. 이러한 내부개질형 용융탄산염 연료전지는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 용융탄산염 연료전지보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하는 동시에 시스템 구성이 간단해지는 특성을 갖는다.그러나 용융탄산염 연료전지는 고온에서 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 위한 내식성 재료의 개발에 따르는 경제성 문제 및 수명, 신뢰성 확보 등 기술적 검증이 아직 끝나지 않아 본격적인 상업화는 2005년 이후에나 가능하리라고 생각된다. 미국, 일본 등을 비롯한 선진외국에서는 기초연구는 물론 시스템 데모에 이르는 개발연구에까지 적극적으로 투자하여 최근 급속도로 많은 발전이 이루어지고 있다. 국내에서도 한전 전력연구원을 중심으로 KIST, 한국중공업 및 여러 대학이 참여하여 용융탄산염 연료전지의 자체 기술을 확보하기 위한 개발 연구를 대체에너지 및 선도기술(G7) 사업의 하나로 진행하고 있다.2.3.4 고분자 전해질 연료전지(PEMFC; Polymmer Electrolyte Fuel Cell)수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지는 메탄올이나 수소 등의 화학연료를 전기에너지로 직접 바꾸는 고효율, 무공해, 무소음의 미래형 발전기술의 일종으로서, 기존의 내연기관에 비해 1.5배 이상의 에너지변환 효율을 갖고 있을 뿐만 아니라 유독한 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않는 장점을 갖고 있다. 특히 고분자전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전스템이다. 이와같은 고분자전해질 연료전지는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양하다. 고분자전해질 연료전지에 대한 연구는 1955년 미국의 GE에서 처음으로 시작되어 1962년에 이미 1 kW급 고분자전해질 연료전지 스택 2개로 이루어진 모듈을 Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용하였다. 이후로 고분자전해질 연료전지를 연료전지자동차 등 민수용으로 응용하기 위한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 대기 오염의 주원인인 내연기관 차량을 대체할 수 있는 무공해 자동차로는 원래 배터리를 동력원으로 하는 전기자동차가 각광을 받고 있는데 배터리를 전기자동차 동력원으로 사용할 경우 충전시 많은 시간을 요구하고, 에너지 밀도가 낮아 주행가능 거리가 짧으며 배터리의 수명이 짧은 문제점이 있다. 또한 전기자동차가 상용화된다면 많은 전기 충전소의 설치가 필요하며 여기서 사용되는 전기는 대규모 발전소에서 공급되므로 결국 오염원의 이동에 불과하다고 볼 수 있다. 따라서 전기자동차 동력원으로서의 배터리에 대한 단점을 보완하기 위하여 연료전지 구동방식이나 또는 배터리와 연료전지를 동시에 사용하는 혼합형 (hybrid)를 구성하는 방법이 최근에 각광을 받고 있다. 우리나라에서는 1990년대부터 대학을 중심으로 단위전지에 대한 기초연구를 시작하였으며 본 KIST 연료전지연구센타에서도 1996년부터 고분자전해질 연료전지 원천기술 개발을 시작한 후 2000년 5kW 급 스택을 제작하여 연료전지/배터리 하이브리드 골프카트에 적용한 바 있다.2.3.5 고체산화물 연료전지 (SOFC; Solid Oxide Fuel cell)3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지는 산소 또는 수소 이온전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었다. 고체산화물 연료전지는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 - 1000 ℃) 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점 때문에 고체산화물 연료전지에 관한 연구는 21세기초 상업화를 목표로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.일반적인 고체산화물 연료전지는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 (cathode) 및 연료극 (anode)으로 이루어져있다. 작동원리는 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다.2.3.6 직접 메탄올 연료전지(DMFC; Direct Methanol Fuel Cell)직접메탄올 연료전지(DMFC)는 연료전지는 그림에 도시된 바와 같이, 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에 각각 애노드와 캐소드가 위치한다. 애노드에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소이온과 전자를 생성한다. 생성된 수소이온은 전해질 막을 통해 캐소드 쪽으로 이동하고, 캐소드에서는 수소이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성시킨다. 이때, 전자는 외부회로를 통과하게 된다.실제 사용시에는 출력을 높이기 위해 이러한 단위전지를 여러 개 묶어서 스택을 만들어 사용하는데, 일반적인 연료전지의 스택에서는 bipolar plate를 사용하지만, 마이크로 연료전지에서는 monopolar plate를 사용하게 된다 (그림2 참조).전극 반응Anode : CH3OH + H2O = CO2 + 6H+ + 6e-Cathode : 1.5O2 + 6H+ + 6e- = 3H2OOverall : CH3OH + 1.5 O2 = CO2 + 2H2O,Eo = 1.18 V직접메탄올 연료전지(DMFC)는 고분자 전해질 연료전지 (polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)와 똑같은 구성요소를 사용하지만 메탄올을 연료로 직접 사용할 수 있.

공학/기술| 2006.09.12| 9페이지| 1,000원| 조회(437)

연료전지, DMFC, PEMFC

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[공학]박막재료의 표면 처리 및 PR제거

1. 실험제목박막재료의 표면 처리 및 PR제거2. 실험목적여러 가지 전기 및 전자기기에 사용되는 반도체 소자의 제조공정은 박막재료의 (1) 증착공정, (2) 마스크의 패턴형성 그리고 (3) 식각 공정으로 구분된다.이러한 공정들 가운데서 중요한 공정은 박막의 식각공정으로서 마스크 패턴을 가지고 증착된 박막을 식각하는 것이다. 본 실험에서는 마스크에 의하여 형성된 패턴을 증착된 박막위로 전달하는 식각공정에 대하여 이해하고 그에 따른 박막의 표면과 두께의 변화등에 대하여 고찰하고자 한다.3. 실험내용가장 널리 사용되는 실리콘 산화막 (silicon oxide; SiO2) 박막을 적절한 식각가스를 선택하여 반응성 이온 식각장치 (reactive ion etcher; RIE)를 이용하여 식각한다. 식각 전후의 산화막의 색깔 변화를 관찰하여 식각된 두께를 측정하고 식각에 의하여 형성된 패턴의 모양을 관찰한다.4. 실험절차(1) 산화막(SiO2)의 패터닝(patterning) - Lithography공정 (조교가 수행)(2) 패턴된 산화막의 표면, 표면 색깔과 패턴 관찰 - 광학현미경 관찰(3) 산화막의 식각 - 반응성 이온 식각장치 사용하여 적절한 식각가스와 식각가스를 선택하여 식각 실험을 진행한다.(4) 식각된 산화막의 표면, 표면 색깔과 패턴 관찰 - 광학현미경 관찰(5) 마스크 패턴의 제거(O2 plasma aching) - 플라즈마 애슁장치를 이용하여 산소 플라즈마를 발생시켜서 적절한 조건에서 마스크 패턴을 제거한다.(6) 산화막의 표면, 표면 색깔과 패턴 관찰 - 광학현미경 관찰5. 실험이론5.1 플라즈마 (Plasma)5.1.1 플라즈마의 정의플라즈마라는 말을 물리학 용어로 처음 사용한 사람은 미국의 물리학자 'Langmuir'(랭뮈어)로서, 전기적인 방전으로 인해 생기는 전하를 띤 양이온과 전자들의 집단을 플라즈마라고 하고 그 물리적인 성질을 연구하는 것이 플라즈마 물리학이다.플라즈마란 소위 '제 4의 물질상태'라고 알려져 있으며 '우주의 99%가 플라즈마 정성에 대한 요소들이 고려되어져야 하며, 이러한 여러 가지 요소들이 포함된 지배방정식으로부터 역시 많은 형태의 플라즈마 분산관계식이 유도되어진다. 모든 실세계가 그렇듯 이러한 물리적인 안정된 선형성만이 플라즈마에 존재하는 것은 아니다.예를 들면, 지배방정식의 대전제는 플라즈마 입자들이 그 에너지관계에 있어 맥스웰 분포를 따른다는 가정이 포함되어 있으며, 이는 100% 정확한 것이 아니다. 또한 플라즈마는 무한대의 공간에서 존재하는 것이 아니라 그것을 가두는 일종의 '용기'가 항상 필요하므로, 그 용기 벽과 플라즈마 입자들 간에는 그 플라즈마의 중심부와는 밀도측면에서 다른 양상을 보이기도 한다.(플라즈마 sheath의 존재) 이러한 플라즈마의 다양하고도 이해하기 어려운 특성들은 지극히 많은 분야에서 그 응용성 및 연구적 가치를 부여한다. 최근에는 컴퓨터의 급속한 처리속도와 용량 면에서의 발전으로 인해 플라즈마의 특성을 해석하는데 있어 여러 시뮬레이션 프로그램에 의해 좀 더 실제적인 플라즈마 현상들을 관찰하고 연구하고 있다.5.1.2 플라즈마의 생성과 구조플라즈마가 형성되고 있는 상태는 다음과 같은 3가지 상태가 복합적으로 일어나고 있다.반발 이온화여기와 반발가장 위쪽의 그림에서 전자는 약한 운동에너지를 갖고 있으며 이 에너지로는 원자 혹은 분자에 충돌해도 아무런 변화가 없게 된다.(반발) 하지만 두 번째 그림과 같이 가속된 자유전자는 원자와 충돌하여 최외각 전자를 튕겨 보냄으로써 이온을 만들고 또 하나의 자유전자를 만들게 된다.(이온화) 한편 세 번째 그림과 같이 자유전자나 또는 이온이 다른 원자의 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원자에 에너지를 공급하여 최외각 전자를 여기 시키게 된다. 이 여기된 전자는 다시 안정한 궤도로 돌아오면서 고유의 에너지 간격에 해당하는 빛에너지를 발산하게 된다. 또 대표적인 플라즈마 발생기구로는 Penning ionization과 Penning exicitation이 있는데 이것은 불활성 기체가 포함된 경우 안정 상태의 원자나 준명 텔레비젼에서 요구되는 대화면(50인치) 평판 표시장치의 하나인 플라즈마 표시장치(Plasma Display Panel)에 대한 연구가 수행되고 있고, 장기적으로는 21세기에 들어 요구되는 에너지, 신재료, 반도체 소자 제조, 환경 분야 등에서 플라즈마의 이용이 점점 더 늘어날 전망으로 있으며, 이에 따라 다양한 플라즈마의 생성 및 제어, 측정 기술, 플라즈마의 물성을 측정하는 플라즈마 진단법이 개발이 이루어 질 것으로 전망된다.5.2 Lithography 란?Lithography라는 말은 원래 석판인쇄라는 용어에서 시작 되었으며 오늘날의 오프셋인쇄의 근본이 된 기술로서, 1798년 독일의 A.제네펠더가 발명하였다. 그러나 지금 우리가 사용하는 용어로써의 lihtography란 집속회로소자 패턴을 프로세서를 사용하여 제작하는 기술을 말한다. nanolithography는 nano scale의 폭을 가지는 pattern을 제작하는 필수적 기술이다. top-down방식에는 photography, EBL, ion beam lithography가 있고, bottom-up방식에는 nano lithography, DPN, micro contact printing등이 있다.5.2.1 Photo LithographyPhoto lithography는 광을 사용하여 기판표면에 photo resist를 코팅시키고, etching을 하여 표면을 산화시켜서 pattern을 제작하는 기술을 말하는 데, 반도체소자나, 대부분의 Micro electronics pattern은 photolithography기술로 제작된다.5.2.2 NIL (Nano Imprint Lithography)금속 nano분말 nano imprint lithography는 1994년 프린스턴 대학의 Chou group이 개발한 것으로, nano scale의 초미세 pattern의 전자회로배선을 형성시킨 기술이다. 기술적으로 매우 단순한데, 요철을 만드는 방법과 유사한 방법으로, 기판위에 nano scale의 구조에서 방사된 전자선을 수십 kV로 가속시켜 전자렌즈로 수속, 편광계로 주사하여 미세패턴을 resist에 노광한다. 패턴을 그리는 방식을 대별하면, 텔레비전처럼 전시야를 아주 작은 스포트라이트로 주사하여 패턴에 맞게 전자선을 점멸하는 래스터 주사방식과, 원형 ·직사각형의 스포트라이트로 패턴의 노광부분을 빈틈없이 덮어버리는 벡터 주사방식으로 나눈다.패턴의 해상한계는 빛의 경우, 빛의 파장(약 0.5 μm)에 의해 주어지며, 전자빔의 경우는 문제도 되지 않을 만큼 파장이 작기 때문에(약 1/105 μm) 렌즈와 편향계의 수차로 결정된다. 생산성과의 균형 때문에 보통 0.1 μm 정도의 해상도를 가진다.5.3 반도체 제조 공정과 정의5.3.1 반도체의 정의전기전도가 전자와 정공에 의해 이루어지는 물질로서 그의 전기저항률 즉 비저항이 도체와 절연체 비저항값의 중간값을 취하는 것.일반적으로 실온에서 10-3-1010[Ω·cm] 정도의 비저항을 가지나 반도체의 비저항 범위가 엄격하게 정해져 있는 것은 아니며, 본질적으로는 전기전도현상의 물리적 기구에 그 특색이 있다.대부분은 결정체를 이루고 있으나 비결정질의 것도 주목을 받고 있다. 일반적으로 절연체로 알려져 있는 것의 대다수가 약간씩이나마 전기전도성을 가지고 있기 때문에 반도체는 절연체의 범주에 속한다고 할 수 있다. 비저항의 크기는 물질의 종류가 같더라도 외부 조건에 따라서 여러 가지로 변한다. 또한 그 물질의 결정격자의 결함, 순도, 제조 및 가공방법이 다르면 반도체나 절연체에서는 비저항이 심하게 변하지만 도체에서는 그 변화가 별로 크지 않다.도체의 경우는 온도가 증가함에 따라 비저항이 크게 되지만 반도체나 절연체의 경우는 도리어 감소되며, 그 변화율도 도체의 경우보다는 훨씬 크다. 반도체나 절연체의 경우는 외부로부터의 빛이나 열 등의 자극이 가해질 경우 비저항이 크게 변하는 특징이 있다. 이와 같은 비저항의 변화율이 반도체의 경우는 특히 커서 이 특성이 여러 분야에서 이용된다.물질 속을 전류가 흐르게 되는 것은 전기턴층에 대해 계속적으로 반복된다.11단계 이온주입 (Ion Implantation)회로패턴과 연결된 부분에 불순물을 미세한 gas입자 형태로 가속하여 웨이퍼의 내부에 침투시킴으로써 전자소자의 특성을 만들어 준다. 이러한 불순물주입은 고온의 전기로 속에서 불순물입자를 웨이퍼 내부로 확산시켜 주입하는 diffusion(확산)공정에 의해서도 이루어진다.12단계 화학기상증착 (CVD : Chemical Vapor Deposition)공정gas간의 화학반응으로 형성된 입자들을 웨이퍼표면에 증착하여 절연막이나 전도성막을 형성시키는 공정이다.13단계 금속배선 (Metallization)웨이퍼 표면에 형성된 각 회로를 알루미늄선으로 연결시키는 공정이다.14단계 웨이퍼 자동선별 (EDS TEST)웨이퍼에 형성된 IC칩들의 전기적 동작여부를 컴퓨터로 검사하여 불량품을 자동 선별하는 공정이다.15단계 웨이퍼 절단 (Sawing)웨이퍼상의 수 많은 칩들을 분리하기 위해 다이아몬드 톱을 사용하여 웨이퍼를 전달하는 공정이다.16단계 칩 집착 (Die Attach)낱개로 분리되어 있는 칩 중 EDS test에서 실품으로 판정된 칩을 리드프레임(Read Frame)위에 올려놓은 공정이다.17단계 금속연결 (Wire Bonding)칩 내부의 외부연결단자와 리드프레임을 가는 금선으로 연결하여 주는 공정이다.18단계 성형 (Molding)연결 금선 부분을 보호하기 위해 화학수지로 밀봉해 주는 공정이다.19단계 최종검사 (Final Test)성형된 칩의 전기적 특성 및 기능을 컴퓨터로 최종 검사하는 공정으로 최종 합격된 제품들은 제품명과 회사명을 marking한 후 입고 검사를 거쳐 최종소비자에게 판매된다.5.4 식각 (Etching)5.4.1 식각의 정의식각(Etching)이란 원하는 형태로 패턴이 형성된 표면에서 원하는 부분을 화학반응 혹은 물리적 과정을 통하여 제거하는 공정을 말한다. 즉, 실리콘 웨이퍼 표면에 선택 확산으로 불순물 원자가 실리콘 결정 안으로 주입될 수 있도록 산화막을 부분다.

공학/기술| 2006.09.06| 12페이지| 1,000원| 조회(390)

식각, 박막 증착, 에칭

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[공학]MMA 무유화중합

1. 실 험 제 목 : MMA 무유화중합2. 실 험 목 적1) 우리생활에 널리 쓰이는 고분자 물질의 제조 과정 중 무유화중합에 대하여 알아본다.2) 무유화중합을 이용하여 미세한 고분자 입자를 제조할 수 있다.3) 무유화중합과 다른 중합방법(현탁, 벌크, 분산, 유화 등)을 비교 분석하여 장?단점을 알아본다.4) 중합에서 반응에 영향을 미칠 수 있는 요인은 어떻한 것이 있는지 각 실험을 통해 알아본다.5) 직접 제조한 고분자 물질의 특성을 육안 및 분석 기기(SEM, GPC, DSC)를 통하여 관찰해 본다.3. 실 험 준 비MMA(methyl methacrylate)monomer시 약KPS(potassium peroxodisulfate)initiator증 류 수medium실 험 도 구three-necked flask, mechamical stirrer, teflon tape, condenser, hot flate반응장치반 응 조 건70℃, 250rpm4. 실 험 방 법1) 물을 정량 측정하여 반응기에 넣는다(증류수 100g)2) 적정온도까지 가열한다. (70℃, 250rpm)3) monomer를 투입한다. (MMA 10g)4) 20~30분간 (질소퍼지 상태) 교반한다.5) initiator를 넣는다. (1% : initiator/monomer, 0.1g)6) 3시간 정도 중합반응을 한다.7) 반응물을 건조시켜 PMMA 분말을 채취한다.5. 실 험 이 론5.1 고분자(polymer)의 정의고분자(polymer)는 분자량이 적어도 1,000이상이 되는 화합물을 말하는데 화합물을 구성하는 원자들은 공유결합으로 연결되어 있다. 그러나 일반적으로 특성이 크게 다르게 나타나는 분자량 10,000이상의 것을 고분자라 하고 분자량 1,000이하의 것을 저분자라 한다. 그리고 분자량이 고분자와 저분자의 중간에 있는 것을 올리고머(oligomer)라 한다.올리고머란 소중합체라고도 한다. 중합 정도가 높은 고분자 화합물같은 수지상 물질이 아니며, 보통의 유기물과 마찬가지로 증류 ·하게 되어 있지 않고, 원자배열이 동일한 구조단위를 형성한 후에는 그 구조단위가 규칙적으로 반복되어 있다. 한 부자내의 구조단위의 반복수를 중합도라 하는데 중합도가 큰 분자일수록 분자량이 큰 고분자가 된다. 사실 고분자는 고분자의 반복단위가 되는 저분자인 단량체(monomer)를 출발물질로 하고 중합반응을 통해 생성되므로 고분자를 일명 중합체(polymer)라고 한다.5.2 고분자의 구조분자량이 크기 위해서는 분자가 커야 한다. 고분자는 물리적으로 여러 분자들이 엉켜있는 것이 아니라, 화학 결합, 구체적으로 말해서 공유결합 (covalent bond) 을 통해서 원자들이 연결되어있다. 아래 그림과 같이 단위 구조들이 공유결합을 통해서 반복적이고 또한 연속적으로 나타나는 구조를 가진다.-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-.............(폴리에틸렌의 구조)고분자의 구성에 따른 분류 고분자는 한 종류의 단량체로 합성할 수도 있고, 한 종류로만 된 고분자를 단일 고분자 (homopolymer)라고 한다. 한편 두 종류, 예를 들면 A와 B두 종류의 고분자로부터 합성된 고분자를 공중합체 (copolymer)라고 한다. 공중합체는 A와 B의 배열 순서와 규칙에 따라서 교대공중합체 (alternating copolymer), 불규칙 고분자 (random copolymer), 블록 공중합체 (block copolymer), 그라프트 공중합체 (graft copolymer)로 분류할 수 있다.고분자 형태에 따른 분류 고분자는 사슬의 연결 형태에 따라서, 선형 고분자 (linear polymer), 가지 고분자 (branched polymer), 가교 고분자 (crosslinked polymer)로 나눌 수 있다.5.3 고분자 중합반응저분자화합물로부터 고분자를 만드는 중합에는 여러가지 종류가 있을 수 있지만 대표적으로 두 가지 중합방법, 부가중합과 축합중합이 있다. H2O, CO2, 또는 HCl 과 같이 작은 분자가 빠져 나오면서 고분자가 합성되는 반응성될 수 있다. 이때는 물과 같은 작은 분자가 빠져나오지 않고 그냥 부가하여 반응이 일어나므로 부가중합 (addition polymerization)이라고 한다.5.4 자유라디칼 반응자유라디칼 반응에서는 성장사슬의 말단부위에 있는 짝이 없는 라디칼이 사슬의 끝으로 옮겨 가며 반응이 진행된다. 그 반응을 알아보면 1) 불포화된(이중결합이 있는) 단량체의 끝 부분에 다른 단량체(또는 올리고머 또는 폴리머)의 말단에 있는 자유 라디칼이 공격을 하여 단량체가 첨가되는 결과를 가져온다. 2) 짝이 없는 라디칼이 매 첨가단계마다 새로 생겨진 사슬의 끝 부분으로 옮겨 가게 된다.이런 자유 라디칼 반응은 매우 흔하게 일어나는 중합법으로 많은 olefin (C=C 결합을 가진 물질)이 저장기간 동안 자발적으로 반응을 하게 된다. 이런 문제를 없애기 위해서 inhibitor (이하 억제제)를 사용하게 되며 억제제의 사용으로 인해 우리는 저장동안 시료가 중합되는 문제점을 막을 수 있다.※ 자유라디칼 반응의 mechanism자유라디칼 반응은 chain transfer를 termination 단계에 포함 유무에 따라 3~4단계로 나누어진다. 여기서는 4단계의 mechanism을 알아본다.1) initiation (개시반응)매우 반응성이 크고 일시적인 분자가 생성 되거나 활성 중심이 형성되는 단계이다.(R'?:initiating free radical from initiator, M : monomer, Ri'?:initiating free radical with monomer)2) propagation (성장반응)사슬의 끝 활성부위에 단량체가 첨가되는 단계이다. 말단 활성부위 재생성을 수반한다.(Rn?:propagating free radical with a degree of polymerization)3) transfer (이전반응)활성부위가 다른 곳으로 옮겨가는 반응이다. 성장반응의 관점에서 볼 때 활성부위를 잃은 분자는 ‘죽은’ 분자가 된다. 활성부위를 얻은 분자는 새로이 사슬생 be solvent, monomer, initiator, or polymer molecules)4) termination (종결반응)사슬의 활성 중심부위가 파괴되는 반응이다.(Pn : final inactive polymer)5.5 미세한 고분자 입자 제조단량체로부터 고분자를 만드는 중합공정은 반응공정과 연계되어 있고, 만들어진 고분자의 물성에 영향을 줄 뿐 아니라 제조된 고분자의 형태에도 큰 영향을 주어, 결과적으로 사용할 수 있는 용도를 결정하는 큰 요소가 된다. 고분자중합에 있어서는 중합반응열이 보통 10～20㎉/㏖ 정도로 크기 때문에 반응열의 제거가 매우 중요하며 원료투입방법 조절이나 반응물을 희석시키는 방법 등에 의하여 중합반응열을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 단량체가 중합되어 전환율이 커짐에 따라 점도가 급격히 증가하므로 교반이 어려워지고, 따라서 반응열이 잘 제거되지 않으므로 반응온도가 급격히 상승하고 반응속도도 가속화(autoacceleration)되는 문제점도 해결되어야 한다.구형고분자 입자를 제조하는 방법에는 여러 가지가 있는데 대표적으로 현탁(suspension polymerization), 벌크(bulk polymerization), 분산(dispersion polymerization), 유화(emulsion polymerization) 중합이 있다.5.5.1 현탁중합(suspension polymerization)현탁중합은 물과 단량체, 계면활성제, 그리고 benzoyl peroxide 나 AIBN (2,2-azobisisobutryronitrile)과 같은 유용성 개시제가 사용된다.모든 조성물은 유화중합과 비슷하나 유용성 개시제로 인해 중합의 장소는 큰 단량체 방울 내이다. 이렇게 형성된 고분자는 단량체에 불용성이므로 결과적으로 가루와 같은 형태로 얻어진다. 아세트산 비닐, 스티렌 및 메타 크릴산메틸의 현탁중합에서는, 진주상태의 입자가 얻어지기 때문에, 이와 같은 경우에는 진주 중합(Pearl polymerization) 이라 고분자를 합성하기 어렵다.5.5.2 분산중합(Dispersion polymerization)분산중합은 높은 전환율을 갖는 빠른 공정으로 1-15um 의 입자 크기를 갖는 고분자 제조 기술이다. 분산중합은 단량체와 유용성 개시제, 그리고 메탄올, 에탄올, 헵탄 등과 같은 유기용매가 연속상으로 사용되며 생성되는 입자의 안정성을 부여하기 위하여 고분자량의 입체안정제가 사용된다. 반응초기에는 모든 조성물이 유기용매에 녹아 투명한 단일상으로 존재하나 일단 생성된 고분자는 연속상에 불용성으로 침전되어 새로운 입자내로 확산되어 들어간다. 이렇게 성장하는 입자는 응집에 의하여 불안정한 표면적을 줄임으로서 안정화된다. 이 방법에 의하여 생성되는 고분자로는 PMMA, polystyrene, poly(styrene-co-divinylbenzene) 등이 있다.5.5.3 유화중합(Emulsion polymerization)Ⅰ: nucleation stage : 입자수 증가 : 중합속도 상승Ⅱ: particle growth: 입자수 일정 : 중합속도 거의 일정 : monomer diffusionⅢ: termination : 입자수 일정: 중합속도 감소 : no monomer droplets※ Hydrophilic(친수성) : 그림의 머리부분에 해당하는물에 대한 친화력이 있는 성질 로 carboxyl, sulfonate, sulfate, sulfobetaines등이 있다.Hydrophobic(소수성) : 그림의 꼬리부분에 해당하는 물에 친화력을 가지지 않는 화학적 성질. 곧, 물을 흡수하지도 않고, 물에 잘 녹지도 않으며, 침전하는 성질 로 chain alkyl groups, alkylbenzene, fluoroalkyl groups 등이 있다.유화중합은 물, 단량체, 수용성 개시제와 선택적으로 계면활성제가 사용된다. 반응초기에 단량체는 상대적으로 큰 방울(droplet)과 미셀(micelle)내에 존재한다. 중합이 시작되면 새로운 고분자 입자를 생성하게 되어 계면활성제로 안정화된 다.

공학/기술| 2006.09.06| 8페이지| 1,000원| 조회(678)

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