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KR102312076B1 - Manufacuring method of shape-controlled uniform block copolymer particle and shape-controlled uniform block copolymer particle thereby - Google Patents

Manufacuring method of shape-controlled uniform block copolymer particle and shape-controlled uniform block copolymer particle thereby Download PDF

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KR102312076B1
KR102312076B1 KR1020190163827A KR20190163827A KR102312076B1 KR 102312076 B1 KR102312076 B1 KR 102312076B1 KR 1020190163827 A KR1020190163827 A KR 1020190163827A KR 20190163827 A KR20190163827 A KR 20190163827A KR 102312076 B1 KR102312076 B1 KR 102312076B1
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은, 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법 및 그에 의해 제조된 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자에 관한 것으로 본 발명의 일 측면에 따른 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법은, 블록 공중합체 및 통계 공중합체(statistical copolymer)를 유기 용매에 용해시켜 분산상(disperse phase)을 준비하는 단계; 계면활성제 수용액을 이용하여 연속상(continuous phase)을 준비하는 단계; 상기 분산상 및 상기 연속상을 혼합하여 에멀젼 액적을 제조하는 단계; 및 상기 에멀젼 액적으로부터 상 거동(phase behavieor)을 제어하면서 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자를 형성하는 단계;를 포함한다.The present invention relates to a method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape and uniform block copolymer particles with controlled shape produced thereby. A method for preparing the coalesced particles includes dissolving a block copolymer and a statistical copolymer in an organic solvent to prepare a disperse phase; preparing a continuous phase using an aqueous surfactant solution; preparing emulsion droplets by mixing the dispersed phase and the continuous phase; and forming uniform block copolymer particles with a controlled shape while controlling a phase behavior from the emulsion droplets.

Description

형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법 및 그에 의해 제조된 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자{MANUFACURING METHOD OF SHAPE-CONTROLLED UNIFORM BLOCK COPOLYMER PARTICLE AND SHAPE-CONTROLLED UNIFORM BLOCK COPOLYMER PARTICLE THEREBY}Method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape and uniform block copolymer particles with controlled shape produced thereby

본 발명은, 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법 및 그에 의해 제조된 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape, and uniform block copolymer particles with controlled shape produced thereby.

자가-조립이 가능한 물질을(self-assembled materials)의 3 차원(3D) 제한공간(confinement)에서 자가조립 시키게 되면, 계면에너지 등 표면특성에 기인한(surface-induced ordering) 흥미로운 새로운 나노 구조를 생성할 수 있다. 콜로이드 액적은 다른 하드 템플릿과 달리 소프트 템플릿 및 모바일 3D 템플릿으로 작동하여 자기-조립된 구조물의 전체 모양을 변형시키고 내부 구조가 정의된 비구형 입자를 생성할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 블록 공중합체들(Block copolymers; BCPs) 입자들의 비-구형 형상은 편장형(prolate) 및 회전 타원면(oblate)과 같은 선대칭 회전타원체(axisymmetric spheroids)로 제한된다. 이 제한은 기능과 용도에 큰 영향을 줄 수 있는 입자 구조의 엄청난 잠재력을 탐색하는 데 방해가 된다. 따라서, 비-구형 형상을 갖는 폴리머 입자를 개발하는 것이 중요하며, 이는 입자 내의 폴리머 도메인의 구획화(compartmentalization)에 의한 대칭 제조(symmetry-making) 또는 대칭 파괴(symmetry-breaking)를 통해 달성될 수 있다.Self-assembly of self-assembled materials in a three-dimensional (3D) confinement creates interesting new nanostructures due to surface-induced ordering such as interfacial energy. can do. Unlike other hard templates, colloidal droplets can work as soft templates and mobile 3D templates to deform the overall shape of self-assembled structures and generate non-spherical particles with defined internal structures. Nevertheless, the non-spherical shape of the particles of Block copolymers (BCPs) is limited to axisymmetric spheroids such as prolate and oblate. This limitation hinders the exploration of the enormous potential of particle structures that can significantly influence their functions and applications. Therefore, it is important to develop polymer particles with a non-spherical shape, which can be achieved through symmetry-making or symmetry-breaking by compartmentalization of polymer domains within the particle. .

콜로이달 제한(colloidal confinement) 하에 있는 블록 공중합체들은 비구형 입자를 생성하기 위한 효과적인 경로를 제공할 수 있다. 그러나, 결과적으로 생성된 구조는 전형적으로 회전 타원체(spheroid)로 제한되며, 상이한 대칭을 가지는 입자 형상에서 더 높은 수준의 제어를 달성하는 것은 여전히 도전적이다.Block copolymers under colloidal confinement can provide an effective route to generate non-spherical particles. However, the resulting structures are typically limited to spheroids, and achieving a higher level of control over particle shapes with different symmetries remains challenging.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 나노 구조화된 블록 공중합체 입자의 형상, 내부 모폴로지, 입자의 종횡비 및 그 외 여러가지 물성을 제어할 수 있는 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법 및 그에 의해 제조된 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자를 제공하고자 하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to control the shape of the nano-structured block copolymer particles, the internal morphology, the aspect ratio of the particles and other various physical properties to be uniformly controlled. An object of the present invention is to provide a method for producing block copolymer particles and uniform block copolymer particles having a controlled shape produced thereby.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 측면에 따른 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법은, 블록 공중합체 및 통계 공중합체(statistical copolymer)를 유기 용매에 용해시켜 분산상(disperse phase)을 준비하는 단계; 계면활성제 수용액을 이용하여 연속상(continuous phase)을 준비하는 단계; 상기 분산상 및 상기 연속상을 혼합하여 에멀젼 액적을 제조하는 단계; 및 상기 에멀젼 액적으로부터 상 거동(phase behavior)을 제어하면서 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자를 형성하는 단계;를 포함한다.A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape according to an aspect of the present invention comprises the steps of dissolving a block copolymer and a statistical copolymer in an organic solvent to prepare a disperse phase; preparing a continuous phase using an aqueous surfactant solution; preparing emulsion droplets by mixing the dispersed phase and the continuous phase; and forming uniform block copolymer particles with a controlled shape while controlling phase behavior from the emulsion droplets.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 입자는, 타원체 입자(ellipsoidal particles), 야누스-구 입자(Janus-sphere particles) 및 원추형 입자(cone-shaped particle)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the block copolymer particles include at least one selected from the group consisting of ellipsoidal particles, Janus-sphere particles, and cone-shaped particles. may be doing

일 실시형태에 있어서, 상기 야누스-구 입자 및 상기 원추형 입자는, 블록 공중합체-풍부 구획(BCP-rich compartment) 및 통계 공중합체-풍부 구획(sCPs-rich compartment)을 포함하는 것일 수 있다.In an embodiment, the Janus-sphere particles and the conical particles may include a block copolymer-rich compartment (BCP-rich compartment) and a statistical copolymer-rich compartment (sCPs-rich compartment).

일 실시형태에 있어서, 상기 야누스-구 입자는, 일 반구(hemisphere)에는 회색 외층을 가진 블록 공중합체-풍부 반구(BCP-rich hemisphere) 상에 양파-유사 동심원 라멜라(onion-like concentric lamellae)를 포함하고, 타 반구에는 통계 공중합체-풍부 구획을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the Janus-sphere particles form onion-like concentric lamellae on a block copolymer-rich hemisphere with a gray outer layer in the hemisphere. and may contain a statistical copolymer-rich compartment in the other hemisphere.

일 실시형태에 있어서, 상기 원추형 입자는, 반사 비대칭(reflection asymmetry)을 가지는 것일 수 있다.In an embodiment, the conical particle may have a reflection asymmetry.

일 실시형태에 있어서, 상기 원추형 입자는, 각 중합체 성분에 대한 용해도(solubility) 파라미터(δ)에 의해, 일 반구에는 상기 블록 공중합체의 라멜라 층을 포함하고, 타 반구에는 상기 통계 공중합체를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the conical particle comprises a lamellar layer of the block copolymer in one hemisphere and the statistical copolymer in the other hemisphere, by solubility parameter (δ) for each polymer component. may be doing

일 실시형태에 있어서, 상기 원추형 입자의 종횡비(AR)는 하기 수학식 1에 의해 정의되는 것일 수 있다:In one embodiment, the aspect ratio (AR) of the conical particle may be defined by the following Equation 1:

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019127566113-pat00001
Figure 112019127566113-pat00001

(여기서, L은 블록 공중합체 원추의 높이, S는 블록 공중합체 단면적 직경, H는 통계 공중합체 구획의 높이임).(where L is the height of the block copolymer cone, S is the block copolymer cross-sectional diameter, and H is the height of the statistical copolymer compartment).

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 분리 강도(segregation strength, χBCP-sCPN) 및 상기 통계 공중합체 유닛의 조성(통계 공중합체의 몰 분율, φ)을 조절하여 상기 블록 공중합체 입자의 형상을 제어하는 것일 수 있다. In one embodiment, by adjusting the segregation strength (χBCP-sCP N) between the block copolymer and the statistical copolymer and the composition of the statistical copolymer unit (the mole fraction of the statistical copolymer, φ), the It may be to control the shape of the block copolymer particles.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 입자는, 상기 통계 공중합체 유닛의 조성(φ)이 증가할 때 입자 형태가 타원체에서 야누스-구 및 원추형 입자로 순차적으로 변형되는 것일 수 있다.In one embodiment, the block copolymer particles, when the composition (φ) of the statistical copolymer unit increases, the particle shape may be sequentially transformed from an ellipsoid to a Janus-sphere and a conical particle.

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(통계 공중합체의 부피 분율, fsCP)를 조절하여 상기 블록 공중합체 입자의 형상을 제어하는 것이고, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 증가할 때 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 야누스-구에서 원추형 입자로 변형되는 것일 수 있다.In one embodiment, the shape of the block copolymer particles is controlled by adjusting the degree of anisotropy of the statistical copolymer (volume fraction of the statistical copolymer, f sCP ), and the degree of anisotropy of the statistical copolymer (f sCP ) The shape of the block copolymer particles may be changed from a Janus-sphere to a conical particle when α is increased.

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 0.3 미만인 경우 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 라멜라(lamellae) 도메인을 가진 타원체인 것일 수 있다.In one embodiment, when the anisotropy (f sCP ) of the statistical copolymer is less than 0.3, the shape of the block copolymer particles may be an ellipsoid having a lamellae domain.

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 0.3 이상인 경우 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 타원체(ellipsoids)에서 야누스-구(janus-spheres)로 전이되는 것일 수 있다.In one embodiment, when the anisotropy (f sCP ) of the statistical copolymer is 0.3 or more, the shape of the block copolymer particles may be a transition from ellipsoids to Janus-spheres.

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 0.45 이상인 경우 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 야누스-구에서 원추형 입자(cone-shaped particles)로 전이되는 것일 수 있다.In one embodiment, when the anisotropy (f sCP ) of the statistical copolymer is 0.45 or more, the shape of the block copolymer particles may be a transition from Janus-sphere to cone-shaped particles.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 부피 분율(비등방성도(janusity), f)를 조절하여 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(aspect ratio; AR)를 제어하는 것이고, 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)는 1.0 내지 2.0인 것일 수 있다.In one embodiment, the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is controlled by controlling the volume fraction (janusity, f) between the block copolymer and the statistical copolymer, and the The block copolymer particles may have an aspect ratio (AR) of 1.0 to 2.0.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.00인 경우 야누스-구 형상, 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.41인 경우 원추형 형상, 및 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.73인 경우 원추형 형상을 가지고, 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 증가할수록 기판 상에 코팅하였을 때 균일하게 덮여진 필름이 생성되고, 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.00인 경우 기판 상에 코팅하였을 때 커피 링-유사 패턴(coffee ring-like pattern)이 형성되는 것일 수 있다.In one embodiment, the Janus-spherical shape when the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is 1.00, the conical shape when the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is 1.41, and the aspect ratio of the block copolymer particles When (AR) is 1.73, it has a conical shape, and as the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles increases, a uniformly covered film is produced when coated on a substrate, and the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles When is 1.00, a coffee ring-like pattern may be formed when coated on a substrate.

일 실시형태에 있어서, 상기 에멀젼 액적을 제조하는 단계는, 시라수 다공성 유리 멤브레인(Shirasu porous glass(SPG) membrane)의 기공을 통과시켜 균일한 크기의 에멀젼 액적을 제조하는 것이고, 상기 시라수 다공성 유리 멤브레인의 기공 크기(dpore)는 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛인 것일 수 있다.In one embodiment, the step of preparing the emulsion droplet is to pass the pores of a Shirasu porous glass (SPG) membrane to prepare an emulsion droplet of a uniform size, and the Shirasu porous glass (SPG) membrane The pore size (d pore ) of the membrane may be 0.1 μm to 3 μm.

일 실시형태에 있어서, 상기 시라수 다공성 유리 멤브레인의 기공 크기(dpore)가 증가함에 따라 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비가 증가하는 것일 수 있다.In one embodiment, as the pore size (d pore ) of the Shirasu porous glass membrane increases, the aspect ratio of the block copolymer particles may increase.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 입자의 형상 및 내부 구조는, 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 매크로상 분리(macrophase separation) 및 마이크로상 분리(microphase separation)에 의해 결정되는 것일 수 있다.In one embodiment, the shape and internal structure of the block copolymer particles may be determined by macrophase separation and microphase separation between the block copolymer and the statistical copolymer. have.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 매크로상 분리가 지배적인 경우에 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체-풍부 구획을 갖는 비등방성도(janusity)를 갖는 형상이 제어된 불록 공중합체 입자가 형성되는 것일 수 있다.In one embodiment, the shape with janusity with the block copolymer and the statistical copolymer-rich section is controlled when macrophase separation between the block copolymer and the statistical copolymer is dominant. Block copolymer particles may be formed.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체-풍부 구획을 갖는 비등방성도(janusity)를 갖는 블록 공중합체 입자는, 야누스 구, 원추형 입자 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the block copolymer particles having an anisotropy (janusity) having the block copolymer and the statistical copolymer-rich section may include Janus spheres, conical particles, or both.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 입자를 형성하는 단계는, 상기 에멀젼 액적으로부터 상기 유기 용매의 증발속도를 제어하면서 수중 입자를 형성하는 것이고, 상기 증발속도(액적 당 유기 용매 부피 손실율,

Figure 112019127566113-pat00002
)는 0.01 h-1 내지 2.50 h-1 인 것일 수 있다.In one embodiment, the step of forming the block copolymer particles is to form particles in water while controlling the evaporation rate of the organic solvent from the emulsion droplets, and the evaporation rate (volume loss rate of organic solvent per droplet,
Figure 112019127566113-pat00002
) may be 0.01 h -1 to 2.50 h -1 .

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체는, PS-b-PB(poly(styrene-block-1,4-butadiene)), PS-b-PMMA(poly(styrene-block-methylmetahcrylate)), PS-b-PI(poly(styrene-block-isoprene)), PS-b-PEP(poly(styrene-block-ethylene propylene)), PS-b-PDMS(poly(styrene-block-dimethylsiloxane)), PS-b-PE(poly(styrene-block-ethylene)) 및 PS-b-PFS(poly(styrene-block-polyferrocenyldimethylsilane))로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.In one embodiment, the block copolymer is PS-b-PB (poly(styrene-block-1,4-butadiene)), PS-b-PMMA (poly(styrene-block-methylmetahcrylate)), PS- b-PI(poly(styrene-block-isoprene)), PS-b-PEP(poly(styrene-block-ethylene propylene)), PS-b-PDMS(poly(styrene-block-dimethylsiloxane)), PS-b It may be at least one selected from the group consisting of -PE (poly(styrene-block-ethylene)) and PS-b-PFS (poly(styrene-block-polyferrocenyldimethylsilane)).

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체는, 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-(4-아크릴로일벤조페논)(poly(methylmethacrylate-statistical-(4-acryloylbenzophenone)); (P(MMAstat-4ABP)), 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-히드록시에틸메타크릴레이트) (poly(methylmethacrylate-statistical-2-hydroxyethyl methacrylate); (P(MMA-stat-HEMA)), 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-부틸렌옥사이드)((poly(methylmethacrylate-stat-butyleneoxide); P(MMA-stat-BO)) 및 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-에틸렌옥사이드)((poly(methylmethacrylate-stat-ethyleneoxide); P(MMA-stat-EO))로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the statistical copolymer is poly(methylmethacrylate-statistical-(4-acryloylbenzophenone)); (P(MMAstat- 4ABP)), poly(methylmethacrylate-statistical-2-hydroxyethyl methacrylate); (P(MMA-stat-HEMA)), poly(methylmethacrylate) Rate-stat-butyleneoxide) ((poly(methylmethacrylate-stat-butyleneoxide); P(MMA-stat-BO)) and poly(methylmethacrylate-stat-ethyleneoxide)((poly(methylmethacrylate-stat -ethyleneoxide); P (MMA-stat-EO)) may be one comprising at least one selected from the group consisting of.

일 실시형태에 있어서, 상기 유기 용매는, 톨루엔(toluene), 클로로포름 (chloroform), 디클로로메테인(dichloromethane) 및 디클로로에테인(dichloroethane)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the organic solvent may include at least one selected from the group consisting of toluene, chloroform, dichloromethane and dichloroethane.

일 실시형태에 있어서, 상기 계면활성제는, 도데실설폰산나트륨(SDS), 도데실벤젠설폰산나트륨(SDBS), 리그노설폰산나트륨(SLS), 라우레스설폰산나트륨(SLES), 라우릴 에테르 설폰산나트륨(SLES), 미레스설폰산나트륨(Sodium myreth sulfate)의 친수성 설폰산기(SO3 -)를 가지는 음이온성 계면활성제; 및 Tween 20, 40, 60, 80, Triton X-100, 글리세롤알킬에스터(Glycerol alkyl esters), 글리세릴라우릴에스터(Glyceryl laurate esters), 폴리에틸렌글리콜소르비탄알킬에스터(Polyoxyethylene glycol sorbitan alkyl esters)의 비이온성 계면활성제;로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the surfactant is sodium dodecylsulfonate (SDS), sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS), sodium lignosulfonate (SLS), sodium laurethsulfonate (SLES), lauryl ether sulfonate Anionic surfactants having a hydrophilic sulfonic acid group (SO 3 ) of sodium ponate (SLES) and sodium myreth sulfate; and Tween 20, 40, 60, 80, Triton X-100, Glycerol alkyl esters, Glyceryl laurate esters, Nonionic Polyoxyethylene glycol sorbitan alkyl esters It may include at least one selected from the group consisting of surfactants.

본 발명의 다른 실시예에 따른 블록 공중합체는, 본 발명의 일 실시예에 따른 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법에 의해 제조된다.The block copolymer according to another embodiment of the present invention is manufactured by the method for producing uniform block copolymer particles having a controlled shape according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법에 의하여, 에멀젼 액적 내에서 A-b-B 디블록 공중합체 및 C-형 공중합체의 블렌드 모폴로지를 조정함으로써 나노 구조화된 블록 공중합체 입자의 형상, 내부 모폴로지, 입자의 종횡비 및 그 외 여러가지 물성 등을 제어할 수 있다. By adjusting the blend morphology of the A-b- B diblock copolymer and the C-type copolymer in the emulsion droplets by the method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape according to an embodiment of the present invention, the nano The shape of the structured block copolymer particles, internal morphology, aspect ratio of the particles, and various other physical properties can be controlled.

본 발명의 일 실시예에 따른 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자는, 다양한 산업계의 요구에 부합되는 형상, 구조 및 성질을 가질 수 있다.The uniform block copolymer particles with a controlled shape according to an embodiment of the present invention may have a shape, structure, and properties that meet the needs of various industries.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 P(MMA-stat-4ABP) sCPs를 혼합함으로써 PS112k-b-PB104k BCP 입자의 형상 제어 전략을 나타낸다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 (a, b) sCP가 없는 (fsCP = 0) PS112k-b-PB104k 타원 입자, (c, d) PS112k-b-PB104k/sCP-0 야누스 구 (fsCP = 0.45 , φ4ABP = 0) 및 (e, f) PS112k-b-PB104k/sCP-7 (fsCP = 0.45, φ4ABP = 0.07)의 대표적인 SEM 및 TEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 (a)는 PS112k-b-PB104k/sCP-7 블렌드 (fsCP = 0.45)로부터 원추형 입자의 TEM 이미지이고, (b)는 원추형 입자의 BCP-풍부 타원체의 콘 및 sCP-풍부 구형 캡의 각 길이 스케일 (L, S 및 H)의 기하학적 표현을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 (a) 입자 크기와 비등방성도(Janusity) (fsCP)를 조정하여 원추형 입자의 형상 제어를 개략적으로 나타내고, 도 4의 (b-d)는 입자 크기 및 (e-g) fsCP에 따른 PS112k-b-PB104k/sCP-7 원추형 입자의 SEM 및 TEM (삽입된) 이미지를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이론적 계산 (녹색)이 적용된 dpore = 0.5, 1.1 및 2.1 ㎛ (각각 빨간색, 파란색 및 분홍색)인 SPG 멤브레인에서 생성된 단분산 PS112k-b-PB104k/sCP-7 원추형 입자 (fsCP = 0.45, φ4ABP = 0.07)의 AR 대 (L + H) 플롯을 나타낸다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 모양이 상이한 세 가지 입자의 코팅 패턴에 대한 광학 현미경 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 4ABP의 상이한 몰 분율 (φ4ABP)을 갖는 3 개의 일련의 P(MMA-stat-4ABP) (표 1의 sCP-4, sCP-7 및 sCP-14)에 대한 1H NMR 스펙트럼이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 φ4ABP의 함수로서 각 입자 형상의 백분율을 나타내는 막대 그래프이다 (원뿔형 입자 (흑색) 및 야누스-구 (적색)).
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 fsCP의 함수로서 각 입자 형상의 백분율을 나타내는 막대 그래프이다 (원추형 입자 (흑색), 야누스-구 (적색) 및 타원체 (청색)).
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 야누스-구의 고배율 TEM 이미지 (PS112k-b-PB104k/sCP-0, fsCP = 0.45 및 φ4ABP = 0)이다.
1 shows a shape control strategy of PS 112k -b-PB 104k BCP particles by mixing P(MMA-stat-4ABP) sCPs according to an embodiment of the present invention.
2 shows (a, b) PS 112k -b-PB 104k elliptical particles without sCP (f sCP = 0), (c, d) PS 112k -b-PB 104k /sCP-0 according to an embodiment of the present invention Representative SEM and TEM images of Janus spheres (f sCP = 0.45, φ 4ABP = 0) and (e, f) PS 112k- b-PB 104k /sCP-7 (f sCP = 0.45, φ 4ABP = 0.07).
3 is a TEM image of conical particles from PS 112k -b-PB 104k /sCP-7 blend (f sCP = 0.45) in (a) according to an embodiment of the present invention, and (b) BCP-rich of conical particles. The geometric representations of the respective length scales (L, S and H) of the cone of the ellipsoid and the sCP-rich spherical cap are shown.
Figure 4 schematically shows the control of the shape of a conical particle by adjusting (a) particle size and anisotropy (Janusity) (f sCP ) according to an embodiment of the present invention, (bd) of Figure 4 is the particle size and (eg ) f SEM and TEM (inset) images of PS 112k -b-PB 104k /sCP-7 conical particles according to sCP are shown.
5 is a monodisperse PS 112k -b-PB 104k / generated from SPG membranes with d pore = 0.5, 1.1 and 2.1 μm (red, blue and pink, respectively) to which theoretical calculations (green) are applied according to an embodiment of the present invention. AR versus (L + H) plots of sCP-7 conical particles (f sCP = 0.45, ϕ 4ABP = 0.07) are shown.
6 is an optical microscope image of a coating pattern of three particles having different shapes according to an embodiment of the present invention.
7 shows three series of P(MMA-stat-4ABP) (sCP-4, sCP-7 and sCP-14 in Table 1) with different mole fractions (φ 4ABP ) of 4ABP according to an embodiment of the present invention. 1 H NMR spectrum for
8 is a bar graph showing the percentage of each particle shape as a function of φ 4ABP according to an embodiment of the present invention (conical particles (black) and Janus-sphere (red)).
9 is a bar graph showing the percentage of each particle shape as a function of f sCP according to an embodiment of the present invention (conical particles (black), Janus-spheres (red) and ellipsoids (blue)).
10 is a high-magnification TEM image (PS 112k -b-PB 104k /sCP-0, f sCP = 0.45 and φ 4ABP = 0) of a Janus-sphere according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the terms used in this specification are terms used to properly express the preferred embodiment of the present invention, which may vary according to the intention of the user or operator or customs in the field to which the present invention belongs. Accordingly, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification. Like reference numerals in each figure indicate like elements.

명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case in which a member is in contact with another member but also a case in which another member is present between the two members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components.

이하, 본 발명의 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법 및 그에 의해 제조된 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape of the present invention and uniform block copolymer particles with controlled shape produced thereby will be described in detail with reference to Examples and drawings. However, the present invention is not limited to these examples and drawings.

상이한 폴리머 성분을 자기-조립 BCP 입자에 혼합하는 것은 입자 대칭을 엔지니어(engineer)하고 그러한 입자의 구조 라이브러리를 확장하는 간단한 방법이다. A-b-B BCP 및 호환되지 않는 C-형 폴리머의 경우, A-b-B BCP 및 C-형 폴리머의 거대상 분리(macrophase separation)는 2 상(biphasic) 야누스 입자(Janus particles)의 예와 유사하게 축 회전 대칭(axial rotational symmetry)을 갖는 2 개의 별개의 매크로-구획(macro-compartments)을 갖는 야누스 입자를 생성할 수 있다.Mixing different polymer components into self-assembled BCP particles is a simple way to engineer particle symmetry and expand the structural library of such particles. For A- b- B BCP and incompatible C-type polymer, macrophase separation of A-b- B BCP and C-type polymer is an example of biphasic Janus particles Similarly, it is possible to create a Janus particle with two separate macro-compartments with axial rotational symmetry.

또한, A-b-B BCP 입자에서 C-형 폴리머 구획의 형성은 블록 공중합체 입자의 구상 형상의 반사 대칭을 파괴할 수 있다. 따라서, 원하는 방식으로 A-b-B/C 블렌드 입자의 형상을 맞추기 위해서는 콜로이달 제한 하에서 폴리머 블렌드 시스템의 복잡한 상 거동을 이해하는 것이 중요하다. 시뮬레이션은 구형 제한 하에서 A-b-B/C 블렌드로부터의 원추형(cone-shape), 반점(patchy) 및 야누스 입자와 같은 다양한 비대칭 입자 구조를 예측했으며, 이는 각 폴리머 성분들 사이에서 쌍으로 호환되지 않음에 의해 지시된다 (χAB, χAC 및 χBC, 여기서 χ는 플로리-허긴스 상호작용 파라미터(Flory-Huggins interaction parameter)임). 그러나, 단지 A-b-B/C 블렌드 입자에 대한 제한된 실험 작업이 보고되었다. 또한, 폴리머 블렌드의 상 거동 및 결과로 생성된 입자 구조 사이의 상관 관계를 설명하는 것이 바람직하다.In addition, the formation of C-type polymer compartments in the A-b- B BCP particles can disrupt the reflective symmetry of the spherical shape of the block copolymer particles. Therefore, it is important to understand the complex phase behavior of the polymer blend system under colloidal restriction in order to tailor the shape of the A- b-B/C blend particles in a desired manner. Simulations predicted various asymmetric particle structures such as cone-shape, patchy and Janus particles from A-b- B/C blends under spherical constraints, which are pairwise incompatible between each polymer component. (χ AB , χ AC and χ BC , where χ is the Flory-Huggins interaction parameter). However, limited experimental work on only A- b -B/C blend particles has been reported. It is also desirable to account for the correlation between the phase behavior of the polymer blend and the resulting particle structure.

본 발명은 에멀젼 액적 내에서 A-b-B 디블록 공중합체 및 C-형 공중합체의 블렌드 모폴로지를 조정함으로써 나노 구조화된 원추형 입자의 형상 제어에 관한 것으로서, 본 발명에 의해 나노 구조화된 블록 공중합체 입자의 형상, 내부 모폴로지, 입자의 종횡비 및 그 외 여러가지 물성 등을 제어할 수 있다.The present invention relates to the shape control of nanostructured conical particles by adjusting the blend morphology of A-b- B diblock copolymers and C-type copolymers in emulsion droplets, wherein the nanostructured block copolymers according to the present invention It is possible to control the shape of the particle, the internal morphology, the aspect ratio of the particle, and various other physical properties.

본 발명의 일 측면에 따른 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법은, 블록 공중합체 및 통계 공중합체(statistical copolymer)를 유기 용매에 용해시켜 분산상(disperse phase)을 준비하는 단계; 계면활성제 수용액을 이용하여 연속상(continuous phase)을 준비하는 단계; 상기 분산상 및 상기 연속상을 혼합하여 에멀젼 액적을 제조하는 단계; 및 상기 에멀젼 액적으로부터 상 거동(phase behavieor)을 제어하면서 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자를 형성하는 단계;를 포함한다.A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape according to an aspect of the present invention comprises the steps of dissolving a block copolymer and a statistical copolymer in an organic solvent to prepare a disperse phase; preparing a continuous phase using an aqueous surfactant solution; preparing emulsion droplets by mixing the dispersed phase and the continuous phase; and forming uniform block copolymer particles with a controlled shape while controlling a phase behavior from the emulsion droplets.

본 발명은 유화(emulsification) 공정에 의해 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자를 형성하는 것이다. 상기 "유화 공정"이란 두 개의 섞이지 않는 액체를 강하게 교반하여 한 개의 액체가 아주 작은 방울 상태로 안정하게 다른 액체에 분산되어 있는 에멀젼(emulsion)을 형성하는 조작을 의미하는 것으로, 이 때 미세한 구형의 입자로 분산되어 있는 액체를 "분산상(Disperse phase)"이라 하고 다른 액체를 "연속상(continuous phase)"이라 한다. 일반적으로 안정한 에멀젼에서 미립자의 지름은 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛인데 본 발명에서는 이 미립자가 SPG 멤브레인의 기공을 통과하여 형성됨으로써 일정한 크기를 형성할 수 있도록 하였다.The present invention is to form uniform block copolymer particles whose shape is controlled by an emulsification process. The "emulsification process" refers to an operation in which two immiscible liquids are strongly stirred to form an emulsion in which one liquid is stably dispersed in the other liquid in the form of very small droplets. The liquid dispersed as particles is called the "disperse phase" and the other liquid is called the "continuous phase". In general, the diameter of the particles in a stable emulsion is 0.1 μm to 10 μm, but in the present invention, the particles are formed through the pores of the SPG membrane to form a certain size.

먼저, 분산상(disperse phase)을 준비하는 단계는, 블록 공중합체 및 통계 공중합체(statistical copolymer)를 유기 용매에 용해시켜 준비하는 것일 수 있다.First, the step of preparing the disperse phase may be prepared by dissolving a block copolymer and a statistical copolymer in an organic solvent.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체는, PS-b-PB(poly(styrene-block-1,4-butadiene)), PS-b-PMMA(poly(styrene-block-methylmetahcrylate)), PS-b-PI(poly(styrene-block-isoprene)), PS-b-PEP(poly(styrene-block-ethylene propylene)), PS-b-PDMS(poly(styrene-block-dimethylsiloxane)), PS-b-PE(poly(styrene-block-ethylene)) 및 PS-b-PFS(poly(styrene-block-polyferrocenyldimethylsilane))로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 것일 수 있다.In one embodiment, the block copolymer is PS-b-PB (poly(styrene-block-1,4-butadiene)), PS-b-PMMA (poly(styrene-block-methylmetahcrylate)), PS- b-PI(poly(styrene-block-isoprene)), PS-b-PEP(poly(styrene-block-ethylene propylene)), PS-b-PDMS(poly(styrene-block-dimethylsiloxane)), PS-b -PE (poly(styrene-block-ethylene)) and PS-b-PFS (poly(styrene-block-polyferrocenyldimethylsilane)) may be at least one selected from the group consisting of.

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체는, 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-(4-아크릴로일벤조페논)(poly(methylmethacrylate-statistical-(4-acryloylbenzophenone)); (P(MMAstat-4ABP)), 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-히드록시에틸메타크릴레이트) (poly(methylmethacrylate-statistical-2-hydroxyethyl methacrylate); (P(MMA-stat-HEMA)), 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-부틸렌옥사이드)((poly(methylmethacrylate-stat-butyleneoxide); P(MMA-stat-BO)) 및 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-에틸렌옥사이드)((poly(methylmethacrylate-stat-ethyleneoxide); P(MMA-stat-EO))로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the statistical copolymer is poly(methylmethacrylate-statistical-(4-acryloylbenzophenone)); (P(MMAstat- 4ABP)), poly(methylmethacrylate-statistical-2-hydroxyethyl methacrylate); (P(MMA-stat-HEMA)), poly(methylmethacrylate) Rate-stat-butyleneoxide) ((poly(methylmethacrylate-stat-butyleneoxide); P(MMA-stat-BO)) and poly(methylmethacrylate-stat-ethyleneoxide)((poly(methylmethacrylate-stat -ethyleneoxide); P (MMA-stat-EO)) may be one comprising at least one selected from the group consisting of.

일 실시형태에 있어서, 상기 유기 용매는, 톨루엔(toluene), 클로로포름 (chloroform), 디클로로메테인(dichloromethane) 및 디클로로에테인(dichloroethane)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the organic solvent may include at least one selected from the group consisting of toluene, chloroform, dichloromethane and dichloroethane.

이어서, 상기 연속상(continuous phase)을 준비하는 단계는 계면활성제 수용액을 이용하는 것일 수 있다.Subsequently, the step of preparing the continuous phase may be using an aqueous surfactant solution.

일 실시형태에 있어서, 상기 계면활성제는, 도데실설폰산나트륨(SDS), 도데실벤젠설폰산나트륨(SDBS), 리그노설폰산나트륨(SLS), 라우레스설폰산나트륨(SLES), 라우릴 에테르 설폰산나트륨(SLES), 미레스설폰산나트륨(Sodium myreth sulfate)의 친수성 설폰산기(SO3 -)를 가지는 음이온성 계면활성제; 및 Tween 20, 40, 60, 80, Triton X-100, 글리세롤알킬에스터(Glycerol alkyl esters), 글리세릴라우릴에스터(Glyceryl laurate esters), 폴리에틸렌글리콜소르비탄알킬에스터(Polyoxyethylene glycol sorbitan alkyl esters)의 비이온성 계면활성제;로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the surfactant is sodium dodecylsulfonate (SDS), sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS), sodium lignosulfonate (SLS), sodium laurethsulfonate (SLES), lauryl ether sulfonate Anionic surfactants having a hydrophilic sulfonic acid group (SO 3 ) of sodium ponate (SLES) and sodium myreth sulfate; and Tween 20, 40, 60, 80, Triton X-100, Glycerol alkyl esters, Glyceryl laurate esters, Nonionic Polyoxyethylene glycol sorbitan alkyl esters It may include at least one selected from the group consisting of surfactants.

일 실시형태에 있어서, 상기 계면활성제가 양이온계 물질일 경우, 멤브레인 유화를 진행하는 과정 중 음이온성을 띄는 멤브레인 표면에 흡착되어 표면 특성이 변경되어 균일한 크기의 에멀젼을 형성하지 못하는 문제가 생길 수 있다.In one embodiment, when the surfactant is a cationic material, it is adsorbed to the anionic membrane surface during the membrane emulsification process, and the surface properties are changed, so that there may be a problem that an emulsion of a uniform size cannot be formed. have.

이어서, 상기 에멀젼 액적을 제조하는 단계는 상기 분산상 및 상기 연속상을 혼합하는 것일 수 있다.Then, the step of preparing the emulsion droplets may be mixing the dispersed phase and the continuous phase.

일 실시형태에 있어서, 상기 에멀젼 액적을 제조하는 단계는, 시라수 다공성 유리 멤브레인(Shirasu porous glass(SPG) membrane)의 기공을 통과시켜 균일한 크기의 에멀젼 액적을 제조하는 것일 수 있다.In one embodiment, the step of preparing the emulsion droplets may be to prepare the emulsion droplets of a uniform size by passing the pores of a Shirasu porous glass (SPG) membrane.

일 실시형태에 있어서, 시라수 다공성 유리 멤브레인(Shirasu porous glass(SPG) membrane)을 이용한 유화(emulsification) 공정을 포함하는 것으로서, SPG 멤브레인을 이용한 유화 공정은, 수백 나노미터에서 수 마이크로미터 범위의 균일한 크기를 갖는 입자의 대량 생산을 위한 기술이다. 멤브레인의 단위 횡단면적당 멤브레인 표면 상의 기공의 개수는 109 m-2 내지 1013 m-2의 범위이고, 이는 액적이 다른 기술에 비해 훨씬 높은 처리량으로 생산될 수 있으며, 중합체 입자의 연속 생산을 위한 공정은 SPG 멤브레인의 기하학적인 설계에 따라 달성될 수 있다. 따라서, 잘 조절된 크기 및 형태를 갖는 균일한 크기의 블록 공중합체 입자의 대량 생산을 위해 SPG 멤브레인 유화를 이용하는 것이 매우 효과적이다.In one embodiment, comprising an emulsification process using a Shirasu porous glass (SPG) membrane, the emulsification process using the SPG membrane is uniform in the range of hundreds of nanometers to several micrometers. It is a technique for mass production of particles having one size. The number of pores on the membrane surface per unit cross-sectional area of the membrane is in the range of 10 9 m -2 to 10 13 m -2 , which allows the droplets to be produced at a much higher throughput compared to other technologies, and for the continuous production of polymer particles. The process can be achieved according to the geometric design of the SPG membrane. Therefore, it is very effective to use SPG membrane emulsification for mass production of uniformly sized block copolymer particles with well-controlled size and shape.

일 실시형태에 있어서, 상기 시라수 다공성 유리 멤브레인의 기공 크기(dpore)는 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛인 것일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 상기 시라수 다공성 유리 멤브레인의 기공 크기(dpore)가 증가함에 따라 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비가 증가하는 것일 수 있다. 이러한 종횡비는 증식하는 블록 공중합체 입자의 추이와 일치한다.In an embodiment, the pore size (d pore ) of the Shirasu porous glass membrane may be 0.1 μm to 3 μm. In one embodiment, as the pore size (d pore ) of the Shirasu porous glass membrane increases, the aspect ratio of the block copolymer particles may increase. This aspect ratio is consistent with the trend of the proliferating block copolymer particles.

이어서, 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자를 형성하는 단계는, 상기 에멀젼 액적으로부터 상 거동(phase behavieor)을 제어하면서 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자를 형성하는 것일 수 있다.Subsequently, the forming of uniform block copolymer particles with controlled shape may include forming uniform block copolymer particles with controlled shape while controlling phase behavior from the emulsion droplets.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 입자를 형성하는 단계는, 상기 에멀젼 액적으로부터 상기 유기 용매의 증발속도를 제어하면서 수중 입자를 형성하는 것이고, 상기 증발속도(액적 당 유기 용매 부피 손실율,

Figure 112019127566113-pat00003
)는 0.01 h-1 내지 2.50 h-1 인 것일 수 있다.In one embodiment, the step of forming the block copolymer particles is to form particles in water while controlling the evaporation rate of the organic solvent from the emulsion droplets, and the evaporation rate (volume loss rate of organic solvent per droplet,
Figure 112019127566113-pat00003
) may be 0.01 h -1 to 2.50 h -1 .

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 입자는, 타원체 입자(ellipsoidal particles), 야누스-구 입자(Janus-sphere particles) 및 원추형 입자(cone-shaped particle)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the block copolymer particles include at least one selected from the group consisting of ellipsoidal particles, Janus-sphere particles, and cone-shaped particles. may be doing

일 실시형태에 있어서, 상기 야누스-구 입자 및 상기 원추형 입자는, 블록 공중합체-풍부 구획(BCP-rich compartment) 및 통계 공중합체-풍부 구획(sCPs-rich compartment)을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 블록 공중합체-풍부 구획은 블록 공중합체 입자의 상부의 반구(hemisphere)에 형성되고, 상기 통계 공중합체-풍부 구획은 입자의 블록 공중합체 하부의 반구에 형성되는 것일 수 있다.In an embodiment, the Janus-sphere particles and the conical particles may include a block copolymer-rich compartment (BCP-rich compartment) and a statistical copolymer-rich compartment (sCPs-rich compartment). For example, the block copolymer-rich section may be formed in the upper hemisphere of the block copolymer particle, and the statistical copolymer-rich section may be formed in the lower hemisphere of the block copolymer particle.

일 실시형태에 있어서, 상기 야누스-구 입자는, 일 반구(hemisphere)에는 회색 외층을 가진 블록 공중합체-풍부 반구(BCP-rich hemisphere) 상에 양파-유사 동심원 라멜라(onion-like concentric lamellae)를 포함하고, 타 반구에는 통계 공중합체-풍부 구획을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the Janus-sphere particles form onion-like concentric lamellae on a block copolymer-rich hemisphere with a gray outer layer in the hemisphere. and may contain a statistical copolymer-rich compartment in the other hemisphere.

일 실시형태에 있어서, 상기 원추형 입자는, 반사 비대칭(reflection asymmetry)을 가지는 것일 수 있다. 상기 원추형 입자는, 편장형 타원체(prolate ellipsoids) 또는 야누스-구와 달리, 통계 공중합체 구획을 가진 원추형 입자들은 반사 비대칭을 가지는 것일 수 있다.In an embodiment, the conical particle may have a reflection asymmetry. The conical particles, unlike prolate ellipsoids or Janus-spheres, conical particles with statistical copolymer compartments may have reflection asymmetry.

일 실시형태에 있어서, 상기 원추형 입자는, 각 중합체 성분에 대한 용해도(solubility) 파라미터(δ)에 의해, 일 반구에는 상기 블록 공중합체의 라멜라 층을 포함하고, 타 반구에는 상기 통계 공중합체를 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, PB, PS 및 PMMA의 용해도 파라미터는, 각각, δPB = 17.3, δPS = 18.6 및 δPMMA = 19.4 MPa0.5인 것일 수 있다.In one embodiment, the conical particle comprises a lamellar layer of the block copolymer in one hemisphere and the statistical copolymer in the other hemisphere, by solubility parameter (δ) for each polymer component. may be doing For example, the solubility parameters of PB, PS and PMMA may be δ PB = 17.3, δ PS = 18.6 and δ PMMA = 19.4 MPa 0.5 , respectively.

일 실시형태에 있어서, 상기 원추형 입자의 종횡비(AR)는 하기 수학식 1에 의해 정의되는 것일 수 있다:In one embodiment, the aspect ratio (AR) of the conical particle may be defined by the following Equation 1:

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019127566113-pat00004
Figure 112019127566113-pat00004

(여기서, L은 블록 공중합체 원추의 높이, S는 블록 공중합체 단면적 직경, H는 통계 공중합체 구획의 높이임).(where L is the height of the block copolymer cone, S is the block copolymer cross-sectional diameter, and H is the height of the statistical copolymer compartment).

일 실시형태에 있어서, AR = 1.00 인 구형 입자의 경우, 상기 블록 공중합체 입자를 필름의 가장자리에서 농축시켜 커피 링 패턴(coffee ring-like pattern)을 형성할 수 있다. 입자 현탁액을 함유한 물방울을 건조시키면 중심으로부터 가장자리로의 모세관 유동으로 인해 커피 링 패턴이 형성될 수 있다.In one embodiment, in the case of spherical particles having AR = 1.00, the block copolymer particles may be concentrated at the edge of the film to form a coffee ring-like pattern. Drying the droplet containing the particle suspension can form a coffee ring pattern due to capillary flow from center to edge.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 분리 강도(segregation strength, χBCP-sCPN) 및 상기 통계 공중합체 유닛의 조성(통계 공중합체를 구성하는 4ABP 유닛의 몰 분율, φ)을 조절하여 상기 블록 공중합체 입자의 형상을 제어하는 것일 수 있다. In one embodiment, the segregation strength (χBCP-sCP N) between the block copolymer and the statistical copolymer and the composition of the statistical copolymer units (mol fraction of 4ABP units constituting the statistical copolymer, φ ) to control the shape of the block copolymer particles.

예를 들어, 블록 공중합체가 PS-b-PB이고, 통계 공중합체가 P(MMA-stat-4ABP)인 경우, PMMA (sCP-0) 자체는 PS 및 PB 블록들 모두와 호환되지 않지만, 4ABP 유닛을 통계 공중합체에 도입하면 PS-b-PB 및 통계 공중합체 사이의 분리 강도 (즉, χBCP-sCPN)가 φ4ABP보다 커질 수 있다.For example, if the block copolymer is PS- b- PB and the stat copolymer is P(MMA- stat- 4ABP), then PMMA (sCP-0) itself is not compatible with both PS and PB blocks, but 4ABP When the unit is introduced into the statistical copolymer, PS- b- PB and the separation strength (ie, χ BCP-sCP N) between the statistical copolymers can be greater than ϕ 4ABP.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 입자는, 상기 통계 공중합체 유닛의 조성(φ)이 증가할 때 입자 형태가 타원체에서 야누스-구 및 원추형 입자로 순차적으로 변형되는 것일 수 있다.In one embodiment, the block copolymer particles, when the composition (φ) of the statistical copolymer unit increases, the particle shape may be sequentially transformed from an ellipsoid to a Janus-sphere and a conical particle.

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(통계 공중합체의 부피 분율, fsCP)를 조절하여 상기 블록 공중합체 입자의 형상을 제어하는 것이고, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 증가할 때 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 야누스-구에서 원추형 입자로 변형되는 것일 수 있다.In one embodiment, the shape of the block copolymer particles is controlled by adjusting the degree of anisotropy of the statistical copolymer (volume fraction of the statistical copolymer, f sCP ), and the degree of anisotropy of the statistical copolymer (f sCP ) The shape of the block copolymer particles may be changed from a Janus-sphere to a conical particle when α is increased.

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 0.3 미만인 경우 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 라멜라(lamellae) 도메인을 가진 타원체인 것일 수 있다. 상기 라멜라는 층상의 줄무늬 형태인 것일 수 있다. 소량의 통계 공중합체를 블록 공중합체와 블렌딩한 경우, 입자들은 잘-정렬된 스트라이프 라멜라를 가진 타원체 형상을 가질 수 있는데, 이는 순수한 블록 공중합체 입자들에서 얻은 것과 동일하다.In one embodiment, when the anisotropy (f sCP ) of the statistical copolymer is less than 0.3, the shape of the block copolymer particles may be an ellipsoid having a lamellae domain. The lamella may be in the form of layered stripes. When a small amount of the statistical copolymer is blended with the block copolymer, the particles can have an ellipsoidal shape with well-ordered striped lamellae, the same as that obtained with pure block copolymer particles.

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 0.3 이상인 경우 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 타원체(ellipsoids)에서 야누스-구(janus-spheres)로 전이되는 것일 수 있다. 야누스-구는 블록 공중합체-풍부 상 및 통계 공중합체-풍부 상의 두 개의 상이한 구획을 가지고 있다. 이는 통계 공중합체 및 블록 공중합체의 매크로상 분리에서 비롯되는 것일 수 있다.In one embodiment, when the anisotropy (f sCP ) of the statistical copolymer is 0.3 or more, the shape of the block copolymer particles may be a transition from ellipsoids to Janus-spheres. Janus-sphere has two different compartments: a block copolymer-rich phase and a statistical copolymer-rich phase. This may result from macrophase separation of statistical copolymers and block copolymers.

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 0.45 이상인 경우 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 야누스-구에서 원추형 입자(cone-shaped particles)로 전이되는 것일 수 있다.In one embodiment, when the anisotropy (f sCP ) of the statistical copolymer is 0.45 or more, the shape of the block copolymer particles may be a transition from Janus-sphere to cone-shaped particles.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 부피 분율(비등방성도(janusity), f)를 조절하여 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(aspect ratio; AR)를 제어하는 것이고, 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)는 1.0 내지 2.0인 것일 수 있다.In one embodiment, the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is controlled by controlling the volume fraction (janusity, f) between the block copolymer and the statistical copolymer, and the The block copolymer particles may have an aspect ratio (AR) of 1.0 to 2.0.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.00인 경우 야누스-구 형상, 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.41인 경우 원추형 형상, 및 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.73인 경우 원추형 형상을 가지고, 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 증가할수록 기판 상에 코팅하였을 때 균일하게 덮여진 필름이 생성되고, 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.00인 경우 기판 상에 코팅하였을 때 커피 링-유사 패턴(coffee ring-like pattern)이 형성되는 것일 수 있다.In one embodiment, the Janus-spherical shape when the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is 1.00, the conical shape when the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is 1.41, and the aspect ratio of the block copolymer particles When (AR) is 1.73, it has a conical shape, and as the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles increases, a uniformly covered film is produced when coated on a substrate, and the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles When is 1.00, a coffee ring-like pattern may be formed when coated on a substrate.

일 실시형태에 있어서, 상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 증가함에 따라 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비가 감소하는 것일 수 있다.In one embodiment, as the degree of anisotropy (f sCP ) of the statistical copolymer increases, the aspect ratio of the block copolymer particles may decrease.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 입자의 형상 및 내부 구조는, 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 매크로상 분리(macrophase separation) 및 마이크로상 분리(microphase separation)에 의해 결정되는 것일 수 있다. 상이한 비등방성도(φ4ABP) 값을 사용하여 BCP 및 sCP(χBCP-sCPN) 사이의 분리 강도를 조정함으로써 폴리머 블렌드에서 매크로- 및 마이크로 상 분리의 상호 작용을 체계적으로 제어하는 것일 수 있다.In one embodiment, the shape and internal structure of the block copolymer particles may be determined by macrophase separation and microphase separation between the block copolymer and the statistical copolymer. have. It may be to systematically control the interaction of macro- and micro-phase separations in polymer blends by adjusting the separation strength between BCP and sCP ( χBCP-sCP N) using different anisotropy ( χ 4ABP ) values.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 매크로상 분리가 지배적인 경우에 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체-풍부 구획을 갖는 비등방성도(janusity)를 갖는 형상이 제어된 불록 공중합체 입자가 형성되는 것일 수 있다.In one embodiment, the shape with janusity with the block copolymer and the statistical copolymer-rich section is controlled when macrophase separation between the block copolymer and the statistical copolymer is dominant. Block copolymer particles may be formed.

일 실시형태에 있어서, 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체-풍부 구획을 갖는 비등방성도(janusity)를 갖는 블록 공중합체 입자는, 야누스 구, 원추형 입자 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the block copolymer particles having an anisotropy (janusity) having the block copolymer and the statistical copolymer-rich section may include Janus spheres, conical particles, or both.

본 발명의 일 실시예에 따른 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법에 의하여, 에멀젼 액적 내에서 A-b-B 디블록 공중합체 및 C-형 공중합체의 블렌드 모폴로지를 조정함으로써 나노 구조화된 블록 공중합체 입자의 형상, 내부 모폴로지, 입자의 종횡비 및 그 외 여러가지 물성 등을 제어할 수 있다. By adjusting the blend morphology of the A-b- B diblock copolymer and the C-type copolymer in the emulsion droplets by the method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape according to an embodiment of the present invention, the nano The shape of the structured block copolymer particles, internal morphology, aspect ratio of the particles, and various other physical properties can be controlled.

본 발명의 다른 실시예에 따른 블록 공중합체는, 본 발명의 일 실시예에 따른 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법에 의해 제조된다.The block copolymer according to another embodiment of the present invention is manufactured by the method for producing uniform block copolymer particles having a controlled shape according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 블록 공중합체 입자는, 타원체 입자(ellipsoidal particles), 야누스-구 입자(Janus-sphere particles) 및 원추형 입자(cone-shaped particle)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the block copolymer particles are at least one selected from the group consisting of ellipsoidal particles, Janus-sphere particles, and cone-shaped particles. It may include one.

본 발명의 일 실시예에 따른 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자는, 다양한 산업계의 요구에 부합되는 형상, 구조 및 성질을 가질 수 있다.The uniform block copolymer particles with a controlled shape according to an embodiment of the present invention may have a shape, structure, and properties that meet the needs of various industries.

이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 그에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following Examples and Comparative Examples. However, the technical spirit of the present invention is not limited or limited thereto.

[실시예][Example]

콜로이달 제한(colloidal confinement) 하에 있는 블록 공중합체들(Block copolymers; BCPs)은 비구형 입자를 생성하기 위한 효과적인 경로를 제공할 수 있다. 그러나, 결과적으로 생성된 구조는 전형적으로 회전 타원체(spheroid)로 제한되며, 상이한 대칭을 가지는 입자 형상에서 더 높은 수준의 제어를 달성하는 것은 여전히 도전적이다. 본 발명은 에멀젼 액적 내의 블록 공중합체들 및 통계 공중합체들(statistical copolymers; sCPs)의 블렌드를 이용하여 상이한 대칭을 갖는 일련의 입자 (즉, 야누스-구(Janus-sphere) 및 원추형 입자(cone-shaped particles))를 개발한다. 폴리(스티렌-블록-1,4-부타디엔)(poly(styrene-block-1,4-butadiene); PS-b-PB) 블록 공중합체 및 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-(4-아크릴로일벤조페논)(poly(methylmethacrylate-statistical-(4-acryloylbenzophenone)); (P(MMAstat-4ABP)) 통계 공중합체로 구성된 폴리머 블렌드의 상 거동(phase behavior)을 제어하여 입자 모양을 조정할 수 있다. 폴리머 블렌드의 상 분리를 제어하기 위한 주요 전략은 통계 공중합체의 조성 (φ4ABP, 4ABP의 몰 분율)을 변화시켜 블록 공중합체 및 통계 공중합체들 간의 비호환성을 체계적으로 조정하는 것이다.Block copolymers (BCPs) under colloidal confinement can provide an effective route to generate non-spherical particles. However, the resulting structures are typically limited to spheroids, and achieving a higher level of control over particle shapes with different symmetries remains challenging. The present invention uses a blend of block copolymers and statistical copolymers (sCPs) in an emulsion droplet to provide a series of particles with different symmetries (i.e., Janus-spheres and cone- shaped particles)). Poly(styrene-block-1,4-butadiene) (poly(styrene-block-1,4-butadiene); PS-b-PB) block copolymer and poly(methylmethacrylate-stat-(4-acryl) Particle shape can be tuned by controlling the phase behavior of polymer blends composed of loylbenzophenone)(poly(methylmethacrylate-statistical-(4-acryloylbenzophenone)); (P(MMAstat-4ABP)) statistical copolymer. The main strategy for controlling the phase separation of polymer blends is to systematically adjust the incompatibilities between block copolymers and statistical copolymers by varying the composition of the statistical copolymer (ϕ 4ABP, mole fraction of 4ABP).

결과적으로, φ4ABP의 증가에 따라 편장형 타원체(prolate ellipsoid)에서 야누스-구체로, 원추형 입자로의 순차적인 형태학적 전이가 관찰된다. 또한, 원추형 입자의 형상-이방성을 이론 크기에서 입자-형상 이방성의 정량적 계산에 의해 지지되는 입자 크기 및 비등방성도(Janusity)을 제어함으로써 조정될 수 있음을 입증한다. 또한, 한 배치(batch)에서 높은 균일성을 가지는 원추형-입자들의 형상 제어의 중요성은 코팅 특성을 조사함으로써 입증되는데, 여기서 나타나는 코팅 패턴은 입자의 형상-이방성의 강력한 기능이다.As a result, sequential morphological transitions from prolate ellipsoids to Janus-spheres to conical particles are observed with the increase of φ 4ABP. We also demonstrate that the shape-anisotropy of conical particles can be tuned by controlling the particle size and Janusity supported by the quantitative calculation of particle-shape anisotropy at the theoretical size. In addition, the importance of controlling the shape of conical-particles with high uniformity in one batch is demonstrated by examining the coating properties, where the coating pattern shown is a powerful function of the shape-anisotropy of the particles.

본 발명의 실시예에서, 폴리머 블렌드의 상-분리된 구조를 조정하여 제어가능한 방식으로 상이한 비대칭을 가지는 비-구형 입자들의 형상-조정(shape-tuning)을 보여준다. 폴리머 블렌드에서 상-분리 정도를 제어하기 위해 폴리머 블렌드 시스템으로서 폴리(스티렌-블록-1,4-부타디엔)(poly(styrene-block-1,4-butadiene); PS-b-PB) BCP 및 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-(4-아크릴로일 벤조페논)(poly(methylmethacrylate-statistical-(4-acryloyl benzophenone)); (P(MMA-stat-4ABP)) 통계 공중합체를 선택했다. 4ABP 유닛을 도입하여 4ABP 유닛(φ 4ABP )의 조성을 변경하여 PS-b-PB BCP와 sCP 간의 분리 강도 (즉, χBCP-sCPN)를 높였다.In an embodiment of the present invention, the shape-tuning of non-spherical particles with different asymmetries is shown in a controllable manner by tuning the phase-separated structure of the polymer blend. Poly(styrene-block-1,4-butadiene) (poly(styrene-block-1,4-butadiene); PS-b-PB) BCP and poly as polymer blend systems to control the degree of phase-separation in polymer blends (methylmethacrylate-statistical-(4-acryloyl benzophenone)); (P(MMA-stat-4ABP)) statistical copolymers were selected. The composition of 4ABP units (ϕ 4ABP ) was changed by introducing 4ABP units to increase the separation strength (ie, χ BCP-sCP N) between PS-b-PB BCPs and sCPs.

그 결과, φ 4ABP 가 증가할 때, 입자 형상이 편장형 타원체(prolate ellipsoid)에서 야누스 구체로, 그리고 원추형 입자로 순차적으로 변형되는 것이 관찰되었다. 상이한 형상 비대칭을 갖는 원추형 입자에 특히 포커스를 두고, 본 발명자들은 원추 형상의 입자 크기 및 비등방성도(Janusity) (즉, BCP와 sCP 중합체 사이의 부피 분율)을 변화시킴으로써 종횡비(aspect ratio; AR)로 입자 형상의 정확한 튜닝을 증명한다. 또한, 원추형 입자의 결과적인 형상을 정량적으로 설명하기 위해 수정된 이론적 모델(modified theoretical model)을 기초로 계산을 수행했다.As a result, it was observed that when φ 4ABP was increased, the particle shape was sequentially transformed from a prolate ellipsoid to a Janus sphere and then to a conical particle. With particular focus on conical particles with different shape asymmetries, we present the aspect ratio (AR) by varying the particle size and anisotropy (i.e., volume fraction between BCP and sCP polymer) of the cone shape. Prove the precise tuning of the particle shape. In addition, calculations were performed based on a modified theoretical model to quantitatively describe the resulting shape of the conical particles.

물질matter

PS112k-b-PB104k (분산도 (Ð) = 1.06)는 Polymer Source Inc.에서 구입했으며, 2,2'-아조비스(이소부티로니트릴)(2,2'-azobis(isobutyronitrile)) (AIBN, 98 %)은 Junsei Chemical에서 구입했다. 소듐도데실설페이트(Sodium dodecyl sulfate; SDS), 4-히드록시벤조페논(4-hydroxybenzophenone), 4-시아노-4 (페닐카르보노티오일티오)펜탄산(4-cyano-4-(phenylcarbonothioylthio) pentanoic acid; CTA), N,N-디이소프로필에틸아민(N,N-diisopropylethylamine), 아크릴로일 클로라이드(acryloyl chloride) 및 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate; MMA)는 Sigma Aldrich로부터 구입하였다.PS 112k - b -PB 104k (dispersity (Ð) = 1.06) was purchased from Polymer Source Inc., 2,2'-azobis(isobutyronitrile) (2,2'-azobis(isobutyronitrile)) ( AIBN, 98%) was purchased from Junsei Chemical. Sodium dodecyl sulfate (SDS), 4-hydroxybenzophenone, 4-cyano-4 (phenylcarbonothioylthio)pentanoic acid (4-cyano-4-(phenylcarbonothioylthio) pentanoic acid; CTA), N,N-diisopropylethylamine, acryloyl chloride and methyl methacrylate (MMA) were purchased from Sigma Aldrich.

P(MMA-stat-4ABP)의 합성Synthesis of P(MMA-stat-4ABP)

4-아크릴로일벤조페논(4-Acryloylbenzophenone; 4ABP) 모노머는 문헌(G. Stoychev, S. Zakharchenko, S. Turcaud, J. W. C. Dunlop and L. Ionov, ACS Nano, 2012, 6, 3925-3934.)에 기술된 방법에 따라 합성되었다. 4ABP 및 MMA (4ABP의 몰 분율, φ4ABP)의 다양한 조성을 갖는 통계 공중합체를 2 개의 모노머의 가역적 첨가-분절 연쇄이동(reversible addition-fragmentation chain-transfer; RAFT) 중합화에 의해 합성하였다. 원하는 양의 4ABP, MMA, AIBN 및 CTA를 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran)에 용해시키고, 3 회의 동결-펌프-해동 사이클(freeze-pump-thaw cycles)에 의해 탈기시켰다. 이어서, 교반하면서 70 ℃에서 5 시간 동안 반응을 진행시켰다. 생성물을 차가운 메탄올로 반복 침전시켜 정제하고, 40 ℃에서 24 시간 동안 진공 하에서 건조한 후 P(MMA-stat-4ABP)를 수득 하였다. 1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ = 3.64 (s, MMA로부터의 알콕시 카르보닐기(alkoxycarbonyl group)의 CH3, 3H), δ = 1.81-1.98 (m, 4ABP로부터 메틸렌 기, 2H). 4ABP 및 MMA 유닛 사이의 비율은 4ABP (1.81-1.98 ppm에서 2H) 및 MMA (3.64 ppm에서 3H) 사이의 NMR 피크 면적을 비교하여 추정되었다.4-Acryloylbenzophenone (4ABP) monomer is described in G. Stoychev, S. Zakharchenko, S. Turcaud, JWC Dunlop and L. Ionov, ACS Nano, 2012, 6, 3925-3934. It was synthesized according to the described method. Statistical copolymers with various compositions of 4ABP and MMA (mol fraction of 4ABP , φ 4ABP ) were synthesized by reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization of two monomers. Desired amounts of 4ABP, MMA, AIBN and CTA were dissolved in tetrahydrofuran and degassed by three freeze-pump-thaw cycles. Then, the reaction was allowed to proceed at 70 °C for 5 hours while stirring. The product was purified by repeated precipitation with cold methanol, and after drying under vacuum at 40 °C for 24 hours, P(MMA-stat-4ABP) was obtained. 1 H NMR (400 MHz, CDCl 3 ): δ = 3.64 (s, CH 3 , 3H of an alkoxycarbonyl group from MMA), δ = 1.81-1.98 (m, methylene group from 4ABP, 2H). The ratio between 4ABP and MMA units was estimated by comparing the NMR peak areas between 4ABP (2H at 1.81-1.98 ppm) and MMA (3H at 3.64 ppm).

직교류 멤브레인 유화(cross-flow membrane emulsification)를 이용한 BCP/sCP 블렌드 입자의 제조Preparation of BCP/sCP Blend Particles Using Cross-flow Membrane Emulsification

PS112k-b-PB104k BCP 및 sCP를 원하는 부피 분율(fsCP)로 톨루엔 (3.0 mL, 1.5 mgmL-1)에 용해시켜 분산상(disperse phase)을 제조하였다. SDS의 수용액 (60 mL, 5 mgmL-1)을 연속상(continuous phase)으로 제조하였다. 질소 압력 하에서, 폴리머 용액을 가압하여 관형 시라수 다공성 유리(Shirasu porous glass; SPG) 멤브레인을 통과시키고 액적은 멤브레인 기공 표면에 형성되었다. A disperse phase was prepared by dissolving PS 112k - b- PB 104k BCP and sCP in toluene (3.0 mL, 1.5 mgmL -1 ) at the desired volume fraction (f sCP ). An aqueous solution of SDS (60 mL, 5 mgmL -1 ) was prepared as a continuous phase. Under nitrogen pressure, the polymer solution was pressurized to pass through a tubular Shirasu porous glass (SPG) membrane and droplets were formed on the membrane pore surface.

연속상에서 교반 셀 (280 rpm)에 의해 가해지는 전단력으로 인해, 액적을 멤브레인으로부터 분리하고, 단일분산 톨루엔-수중 에멀젼 액적을 생성하도록 수성 상으로 분산시켰다. 이어서, 톨루엔을 250 rpm에서 교반하면서 30 ℃에서 천천히 증발시켰다. 톨루엔의 증발 속도는 에멀젼과 공기 사이의 표면적을 변화시킴으로써 제어되었다. 액적 부피 당 용매 손실의 부피 비율 (h-1 단위에서

Figure 112019127566113-pat00005
로 정의됨)은 고정됨)은 0.26 h-1에서 고정되었고, 이는 에멀젼 액적에서 순수 PS112k-b-PB104k BCP로부터 타원체 입자들(ellipsoidal particles)이 형성되는 결과로 이어졌다.Due to the shear force exerted by the stirring cell (280 rpm) in the continuous phase, the droplets were separated from the membrane and dispersed into the aqueous phase to create monodisperse toluene-in-water emulsion droplets. Then, toluene was slowly evaporated at 30 °C with stirring at 250 rpm. The evaporation rate of toluene was controlled by varying the surface area between the emulsion and air. Volume ratio of solvent loss per droplet volume (in h −1 units)
Figure 112019127566113-pat00005
) was fixed at 0.26 h −1 , which resulted in the formation of ellipsoidal particles from pure PS 112k - b- PB 104k BCP in the emulsion droplets.

특성 측정Characteristic measurement

입자의 전체적인 형상 및 내부 구조는 주사전자현미경(scanning electron microscopy; SEM, Nova230) 및 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy; TEM, JEOL 2000 FX)에 의해 측정되었다. PB 도메인을 염색하기 위해, 0.2 중량 % 오스뮴 테트라옥사이드(osmium tetroxide, OsO4) 수용액을 입자 분산액에 첨가하고 혼합 하였다. 특성 측정 동안 PMMA 상의 임의의 분해를 방지하기 위해, 4ABP 그룹의 UV-유도된 가교를 254 nm UV 광 하에서 sCP에서 3 시간 동안 수행하였다. 이어서, 입자 현탁액을 8000 rpm에서 반복 원심 분리에 의해 탈이온수로 세척하여 남아있는 과량의 SDS를 제거하였다. BCP 입자 현탁액을 그리드 위에 드롭-캐스팅하여 샘플을 제조한 다음 공기 중에서 건조시켰다.The overall shape and internal structure of the particles were measured by scanning electron microscopy (SEM, Nova230) and transmission electron microscopy (TEM, JEOL 2000 FX). To stain the PB domain, 0.2 wt % osmium tetraoxide (OsO 4 ) aqueous solution was added to the particle dispersion and mixed. To prevent any degradation of the PMMA phase during characterization, UV-induced crosslinking of 4ABP groups was performed in sCP under 254 nm UV light for 3 hours. The particle suspension was then washed with deionized water by repeated centrifugation at 8000 rpm to remove any excess SDS remaining. Samples were prepared by drop-casting the BCP particle suspension onto a grid and then air dried.

결과 및 토의Results and discussion

도 1은 제어된 분리 강도를 갖는 BCP 및 sCP 블렌드를 활용함으로써 폴리머 입자의 형상-엔지니어링(shape-engineering) 전략을 보여준다. 도 1은 P(MMA-stat-4ABP) sCPs를 통합함으로써 PS112k-b-PB104k BCP 입자의 형상 제어 전략을 나타낸다. 모양과 대칭이 상이한 입자 (예를 들어: 편장형 타원체, 야누스-구 및 원추형 입자)는 BCP 및 sCP 사이의 분리 강도(segregation strength) (χBCP-sCPN) 및 (2) sCP의 부피 분율을 조정하여 생성된다 (fscp).1 shows a shape-engineering strategy of polymer particles by utilizing a BCP and sCP blend with controlled separation strength. Figure 1 shows the shape control strategy of PS 112k -b-PB 104k BCP particles by incorporating P(MMA-stat-4ABP) sCPs. Particles with different shapes and symmetries (e.g., oblong ellipsoids, Janus-spheres and conical particles) adjust the segregation strength between BCP and sCP ( χBCP-sCP N) and (2) the volume fraction of sCP. is created by (f scp ).

일반적으로, 입자는 폴리머를 함유하는 단분산 톨루엔-수중 에멀젼 액적로부터 톨루엔의 증발을 제어함으로써 생성되었다. 신속한 용매 증발 조건 (즉,

Figure 112019127566113-pat00006
= 0.26 h-1)에 대해 PS112k-b-PB104k BCPs는 축(axial) 및 반사 대칭(reflection symmetries)을 갖는 편장형 타원체(prolate ellipsoids)를 형성한다.In general, the particles were produced by controlling the evaporation of toluene from droplets of a monodisperse toluene-in-water emulsion containing polymer. conditions for rapid solvent evaporation (i.e.,
Figure 112019127566113-pat00006
= 0.26 h -1 ), PS 112k - b -PB 104k BCPs form prolate ellipsoids with axial and reflection symmetries.

대조적으로, 유화를 위한 PS112k-b-PB104k BCPs 및 P(MMA-stat-4ABP) sCP 블렌드를 사용하면 sCP 구획을 형성하여 대칭-변화를 일으키며 야누스-구 또는 원추형 입자를 생성한다. BCPs 및 sCP를 포함하는 입자의 형상 및 내부 구조는 두 가지 상이한 상 분리 공정, 즉, BCP와 sCP 사이의 매크로상 분리(macrophase separation)와 BCP의 두 가지 상이한 블록 (PS 및 PB)의 마이크로상 분리(microphase separation)에 의해 결정된다. 그리고 BCP 및 sCP 사이의 매크로상 분리가 지배적인 경우에, 입자는 2 개의 상이한 BCP- 및 sCP-풍부 구획을 갖는 비등방성도(Janusity) (즉, 야누스 구 및 원추형 입자)을 가질 것으로 예상된다.In contrast, the use of PS 112k - b- PB 104k BCPs and P(MMA- stat- 4ABP) sCP blends for emulsification forms sCP compartments, resulting in symmetry-changing and Janus-sphere or conical particles. The shape and internal structure of the particles containing BCPs and sCPs depend on two different phase separation processes: macrophase separation between BCP and sCP and microphase separation of two different blocks of BCP (PS and PB). (microphase separation). And where macrophase separation between BCP and sCP dominates, the particle is expected to have a Janusity with two different BCP- and sCP-rich compartments (i.e., Janus spheres and conical particles).

BCP 및 sCP 사이의 상 분리를 체계적으로 제어하기 위해, 제어가능한 BCP와 호환되지 않는 sCPs를 설계했다. 이와 관련하여, 비교가능한 M n 을 유지하면서, P(MMA-stat-4ABP) sCPs는 4ABP 유닛 (φ4ABP)의 다양한 몰 분율로 합성되었다 (표 1 및 도 7).To systematically control the phase separation between BCP and sCP, we designed sCPs that were not compatible with controllable BCP. In this regard, while maintaining comparable M n , P(MMA- stat -4ABP) sCPs were synthesized with various molar fractions of 4ABP units (φ 4ABP ) (Table 1 and Figure 7).

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 4ABP의 상이한 몰 분율 (φ4ABP)을 갖는 3 개의 일련의 P(MMA-stat-4ABP) (표 1의 sCP-4, sCP-7 및 sCP-14)에 대한 1H NMR 스펙트럼이다. NMR 용매로서 CDCl3을 사용하였다.7 shows three series of P(MMA-stat-4ABP) (sCP-4, sCP-7 and sCP-14 in Table 1) with different mole fractions (φ 4ABP ) of 4ABP according to an embodiment of the present invention. 1 H NMR spectrum for CDCl 3 was used as the NMR solvent.

하기 표 1은 통계 공중합체의 기본 정보이다.Table 1 below is basic information of statistical copolymers.

φ4ABP
[mole fraction]
φ 4ABP
[mole fraction]
M n
[Kg mol -1]
M n
[Kg mol -1]
ÐÐ
sCP-0sCP-0 00 5.85.8 1.141.14 sCP-4sCP-4 0.040.04 4.24.2 1.241.24 sCP-7sCP-7 0.070.07 7.57.5 1.231.23 sCP-14sCP-14 0.140.14 7.57.5 1.321.32

따라서 φ4ABP는 상 분리 및 결과 입자 형상을 결정하는 주요 파라미터이다. PMMA (sCP-0) 자체는 PS 및 PB 블록들 모두와 호환되지 않지만, 4ABP 유닛을 sCP에 도입하면 PS112k-b-PB104k 및 sCP 사이의 분리 강도 (즉, χBCP-sCPN)가 φ4ABP보다 커질 수 있다. 또한, BCP 및 sCP (fsCP) 사이의 부피 비율을 변경했는데, 이는 BCP/sCP 블렌드의 상 거동뿐만 아니라 입자들 중에서 BCP-풍부 구획 및 sCP-풍부 구획의 상대적인 크기를 결정하는 또 다른 중요한 파라미터이다.Therefore, φ 4ABP is the main parameter that determines the phase separation and the resulting particle shape. Although PMMA (sCP-0) itself is not compatible with both PS and PB blocks, the introduction of 4ABP units into sCP results in a reduction in the separation strength (i.e., χ BCP-sCP N) between PS 112k - b -PB 104k and sCP by φ It can be greater than 4ABP. In addition, we changed the volume ratio between BCP and sCP (f sCP ), which is another important parameter that determines the phase behavior of the BCP/sCP blend as well as the relative sizes of the BCP-rich and sCP-rich compartments among the particles. .

도 2의 (a, b)는 sCP가 없는 (fsCP = 0) PS112k-b-PB104k 타원 입자, (c, d) PS112k-b-PB104k/sCP-0 야누스 구 (fsCP = 0.45 , φ4ABP = 0) 및 (e, f) PS112k-b-PB104k/sCP-7 (fsCP = 0.45, φ4ABP = 0.07)의 대표적인 SEM 및 TEM 이미지이다. 동일한 dpore = 2.1 ㎛를 갖는 SPG 멤브레인을 사용하여 모든 입자를 제조하였다. PB 층은 OsO4 염색으로 인해 어둡게 나타났다. (g) 개략적인 상 다이어그램은 φ4ABP 및 fsCP의 함수로서 BCP/sCP 입자의 형상 전이를 보여준다: 타원체 입자 (빨간 사각형); 야누스-구 입자 (녹색 원); 원추형 입자 (파란색 삼각형).(a, b) of Fig. 2 (f sCP = 0) PS 112k -b-PB 104k ellipsoidal particle, (c, d) PS 112k -b-PB 104k /sCP-0 Janus sphere (f sCP = 0) Representative SEM and TEM images of 0.45, ϕ 4ABP = 0) and (e, f) PS 112k -b-PB 104k /sCP-7 (f sCP = 0.45, ϕ 4ABP = 0.07). All particles were prepared using an SPG membrane with the same d pore = 2.1 μm. The PB layer appeared dark due to OsO 4 staining. (g) Schematic phase diagram shows the shape transition of BCP/sCP particles as a function of ϕ 4ABP and f sCP: ellipsoidal particles (red squares); Janus-sphere particles (green circles); Conical particles (blue triangles).

도 2의 (a) 내지 (f)는 φ4ABP 및 fsCP에 따른 BCP/sCP 혼합 입자들의 형상 및 모폴로지를 나타내며, 이는 도 2의 (g)의 상 다이어그램으로 요약된다. 소량의 sCP (fsCP ≤ 0.3)를 PS112k-b-PB104k BCP로 블렌딩한 경우, 입자들은 잘-정렬된 스트라이프 라멜라(lamellae) 도메인 (도 2의 (a) 및 (b))을 가진 타원체 형상(ellipsoidal shape)을 가졌고, 이는 순수한 PS112k-b-PB104k BCP 입자들 (fsCP = 0)에서 얻은 것과 동일하다. fsCP가 0.3 (fsCP ≥ 0.3) 이상 증가하면서 타원체에서 야누스-구로의 전이가 관찰되었다. 야누스-구는 BCP-풍부 상 및 sCP-풍부 상의 두 개의 상이한 구획을 가지고 있으며, 이는 sCP 및 BCP의 매크로상 분리에서 비롯되었다. 야누스-구는 회색 외층을 가진 BCP-풍부 반구(hemisphere) 상에 양파-유사 동심원 라멜라(onion-like concentric lamellae)를 가지고 있으며, sCP-풍부 구획은 다른 반구 상에 있다 (도 2의 (c) 및 (d)).2(a) to 2(f) show the shapes and morphologies of BCP/sCP mixed particles according to φ 4ABP and f sCP , which are summarized in the phase diagram of FIG. 2(g). When a small amount of sCP (f sCP ≤ 0.3) was blended with PS 112k - b -PB 104k BCP, the particles were ellipsoids with well-ordered striped lamellae domains (Fig. 2(a) and (b)). It had an ellipsoidal shape, which is identical to that obtained for pure PS 112k - b -PB 104k BCP particles (f sCP = 0). f sCP in the Janus while more than 0.3 (f sCP ≥ 0.3) ellipsoid - a transition port was observed. Janus-spheres have two different compartments, the BCP-rich phase and the sCP-rich phase, resulting from the macrophase separation of sCP and BCP. Janus-spheres have onion-like concentric lamellae on the BCP-rich hemisphere with a gray outer layer, and the sCP-rich compartment is on the other hemisphere (Fig. 2(c) and (d)).

흥미롭게도, fsCP 값이 0.45 이상으로 추가로 증가함에 따라, 야누스-구에서 원추형 입자로의 현저한 전이가 관찰되었다. 이 전이는 0.07보다 큰 φ4ABP를 가진 sCPs의 추가에 대해서만 발생했다. 입자들의 BCP-풍부 구획은 입자 표면에 수직으로 배향된 잘-정렬된 스트라이프 라멜라를 가졌으며, 이는 전체 원추-유사 형상을 형성하도록 연장되었다 (도 2의 (e) 및 (f)). φ4ABP 및 fsCP의 함수로서 타원체에서 야누스-구로, 원추형 입자로의 전이 거동은 도 2의 (g)와 같이 상 다이어그램에 요약되어 있다.Interestingly, as the f sCP value further increased above 0.45, a marked transition from Janus-spheres to conical particles was observed. This transition occurred only for the addition of sCPs with φ 4ABP greater than 0.07. The BCP-rich section of particles had well-ordered striped lamellae oriented perpendicular to the particle surface, which extended to form an overall cone-like shape (Fig. 2(e) and (f)). The transition behavior from ellipsoids to Janus-spheres to conical particles as a function of φ 4ABP and f sCP is summarized in the phase diagram as in Fig. 2(g).

이 형상 전이(shape transition)는 100 개 이상의 입자를 계수하여 얻은 각 입자 모양 (타원체, 야누스 구, 원추형)의 백분율 주파수(percent frequency)를 보여주는 막대 그래프에 의해 추가로 뒷받침된다 (도 8 및 도 4). This shape transition is further supported by a histogram showing the percentage frequency of each particle shape (ellipsoid, Janus sphere, cone) obtained by counting more than 100 particles ( FIGS. 8 and 4 ). ).

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 φ4ABP의 함수로서 각 입자 형상의 백분율을 나타내는 막대 그래프이다 (원뿔형 입자 (흑색) 및 야누스-구 (적색)). 도 8을 참조하면, sCP (fsCP)의 부피 분율은 0.45로 고정되었고, 입자는 dpore = 2.1 ㎛ 인 SPG 막으로부터 제조되었다. 8 is a bar graph showing the percentage of each particle shape as a function of φ 4ABP according to an embodiment of the present invention (conical particles (black) and Janus-sphere (red)). Referring to FIG. 8 , the volume fraction of sCP (f sCP ) was fixed at 0.45, and particles were prepared from SPG membranes with d pore = 2.1 μm.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 fsCP의 함수로서 각 입자 형상의 백분율을 나타내는 막대 그래프이다 (원추형 입자 (흑색), 야누스-구 (적색) 및 타원체 (청색)). 도 9를 참조하면, sCP (φ4ABP)에서 4ABP의 몰 분율은 fsCP> 0에 대해 0.07로 고정되었고, 입자는 dpore = 2.1 ㎛ 인 SPG 멤브레인으로부터 제조되었다. 9 is a bar graph showing the percentage of each particle shape as a function of f sCP according to an embodiment of the present invention (conical particles (black), Janus-spheres (red) and ellipsoids (blue)). Referring to FIG. 9 , the molar fraction of 4ABP in sCP (φ 4ABP ) was fixed at 0.07 for f sCP > 0, and particles were prepared from SPG membranes with d pore = 2.1 μm.

야누스-구 (Janus-sphere) 입자 및 원추형 입자 사이의 입자 모폴로지 중에서 주목할 만한 차이는 주로 φ4ABP에 따른 PS112k-b-PB104k BCPs 및 sCPs 사이의 상이한 분리 강도 (χBCP-sCPN)에 기인하며, 그 결과로 입자 표면에 대한 BCP 도메인 배향이 시프트(shift)하게 되었다.Notable differences among the particle morphologies between Janus-sphere particles and conical particles are mainly due to the different separation intensities (χ BCP-sCP N) between PS 112k - b -PB 104k BCPs and sCPs according to χ 4ABP As a result, the BCP domain orientation with respect to the particle surface was shifted.

더 낮은 φ4ABP (즉, 더 약한 χBCP-sCP)에서, sCPs의 일부가 BCP-풍부 구획(BCP-rich compartment)에 위치하였고, 이들 중 일부는 BCP 도메인들 중 하나와 우선적으로 상호 작용하도록 BCP 구획의 최외곽 층을 형성하였다. At the lower χ 4ABP (i.e., weaker χ BCP-sCP ), some of the sCPs were located in the BCP-rich compartment, and some of these BCPs preferentially interact with one of the BCP domains. The outermost layer of the compartment was formed.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 야누스-구의 고배율 TEM 이미지 (PS112k-b-PB104k/sCP-0, fsCP = 0.45 및 φ4ABP = 0)이다. 입자는 dpore = 2.1 ㎛ 인 SPG 멤브레인으로부터 제조되었다. TEM 이미지 (도 10)에서 야누스-구의 BCP-풍부 영역의 가장 최외곽 층은 최외곽 회색 층의 도메인 두께 (Douter, gray = 22 nm)가 내부 PS 단층의 도메인 두께 (DPS/2 = 16 nm) 보다 컸음을 보여주고, 최외곽 층에 sCPs가 있음을 나타낸다. 이는 sCPs가 최외곽 층일 때 입자 및 주변 사이의 계면장력(interfacial tension)이 최소화될 수 있기 때문에 합리적이다 (γsCP/surrPB/surrPS/surr). 따라서, BCP-풍부 반구에서는, BCP 도메인이 최외곽 층으로 sCP + PS를 가지는 입자 표면에 평행하게 정렬하여 반-양파 유사 구조를 형성한다. 10 is a high-magnification TEM image (PS 112k -b-PB 104k /sCP-0, f sCP = 0.45 and φ 4ABP = 0) of a Janus-sphere according to an embodiment of the present invention. Particles were prepared from SPG membranes with d pore = 2.1 μm. In the TEM image (Fig. 10), the outermost layer of the BCP-rich region of the Janus-sphere showed that the domain thickness of the outermost gray layer (D outer, gray = 22 nm) was the domain thickness of the inner PS monolayer (D PS /2 = 16). nm), indicating the presence of sCPs in the outermost layer. This is reasonable because the interfacial tension between the particle and the periphery can be minimized when sCPs are the outermost layer (γ sCP/surrPB/surrPS/surr ). Thus, in the BCP-rich hemisphere, the BCP domains align parallel to the particle surface with sCP + PS as the outermost layer, forming hemi-onion-like structures.

반면, 더 높은 φ4ABP (≥0.07)를 가지는 sCP를 추가한 경우, BCP 및 sCP 사이의 χBCP-sCP가 높기 때문에 PS112k-b-PB104k BCP와 sCP의 매크로상 분리의 정도가 강해졌다. 따라서, BCP-풍부 구획에서 최외곽 sCP 층이 없으면, BCPs는 거의 중성 주변 조건 하에서 주변 수성 상과 직접 상호작용하여 BCP 도메인이 입자 표면에 수직으로 배향된 원추형 입자를 형성할 수 있다.On the other hand, when sCPs with higher φ 4ABP (≥0.07) were added, the degree of macrophase separation of PS 112k - b- PB 104k BCPs and sCPs was strengthened because χ BCP-sCP between BCPs and sCPs was high. Therefore, in the absence of the outermost sCP layer in the BCP-rich compartment, BCPs can directly interact with the surrounding aqueous phase under near-neutral ambient conditions to form conical particles with the BCP domains oriented perpendicular to the particle surface.

원추형 입자는 특히 흥미로운 구조 구조를 나타낸다. 편장형 타원체(prolate ellipsoids) 또는 야누스-구와 달리, sCP 구획을 가진 원추형 입자들은 반사 비대칭을 가진다. 대칭 파괴가 원추형 입자들의 구조가 어떻게 결정되는지에 대한 더 깊은 통찰력을 얻기 위해, 두 가지 측면에서 원추형 입자의 구조 분석을 수행했다: (i) 나노 스케일 도메인 구조 및 (ii) 입자들의 전반적인 형상.Conical particles exhibit particularly interesting structural structures. Unlike prolate ellipsoids or Janus-spheres, conical particles with sCP compartments have reflection asymmetry. To gain a deeper insight into how symmetry breaking determines the structure of conical particles, we performed structural analysis of conical particles from two aspects: (i) the nanoscale domain structure and (ii) the overall shape of the particles.

도 3의 (a)는 PS112k-b-PB104k/sCP-7 블렌드 (fsCP = 0.45)로부터 원추형 입자의 TEM 이미지이다. PB 층은 OsO4 염색으로 인해 어둡게 나타난다. PS 하프-층 및 sCP는 BCP/sCP 계면에서 만난다. 도 3의 (b)는 원추형 입자의 BCP-풍부 타원체 원추 및 sCP-풍부 구형 캡의 각 길이 스케일 (L, S 및 H)의 기하학적 표현을 나타낸다. 도 3의 (b)는 길쭉한 BCP 구획이 PS112k-b-PB104k BCP의 스트라이프 라멜라 층으로 구성되고 구형 구획의 나머지는 sCP-7 중합체로 구성된 원추형 입자 (PS112k-b-PB104k/sCP-7, fsCP = 0.45)의 대표적인 TEM 이미지를 나타낸다.Fig. 3(a) is a TEM image of conical particles from PS 112k -b-PB 104k /sCP-7 blend (f sCP = 0.45). The PB layer appears dark due to OsO 4 staining. PS half-layer and sCP meet at the BCP/sCP interface. Fig. 3(b) shows the geometric representations of the respective length scales (L, S and H) of the BCP-rich ellipsoid cone and the sCP-rich spherical cap of the conical particle. Fig. 3(b) shows that the elongated BCP compartment is composed of a striped lamellar layer of PS 112k - b -PB 104k BCP and the remainder of the spherical compartment is composed of sCP-7 polymer (PS 112k - b -PB 104k /sCP- 7, a representative TEM image of f sCP = 0.45) is shown.

BCP와 sCP 구획 사이의 계면에서 PS 도메인은 sCP 상과 접촉한다. 또한, sCP 구획에 가장 가까운 PB 층 (어두운 층)의 두께는 BCP 상의 중간에 있는 다른 PB 이중층 (~ 35 nm)의 두께와 동일하다는 것이 관찰되었다. PB 도메인이 sCP 측과 접촉한 경우, 이 계면에서의 어두운 PB 층의 두께는 중간 PB 층에서의 두께의 절반 (단일 층)이어야 한다. 따라서, 이 결과는 PS 단일 층이 PB 이중층과 sCP 구획 사이에 존재해야 하고, 두께는 중간 PS 이중층의 절반이다 (도 3의 (a)의 흰색 점선).At the interface between the BCP and sCP compartments, the PS domain contacts the sCP phase. It was also observed that the thickness of the PB layer (dark layer) closest to the sCP compartment was the same as that of the other PB bilayer (~35 nm) in the middle of the BCP phase. When the PB domain is in contact with the sCP side, the thickness of the dark PB layer at this interface should be half (single layer) of the thickness in the middle PB layer. Therefore, this result indicates that a PS monolayer should exist between the PB bilayer and the sCP compartment, and the thickness is half that of the intermediate PS bilayer (white dashed line in Fig. 3(a)).

이 특징은 각 중합체 성분에 대한 용해도(solubility) 파라미터 (δPB = 17.3, δPS = 18.6 및 δPMMA = 19.4 MPa0.5)에 의해 추가로 지지될 수 있으며, 이는 sCP 상과 PS 도메인의 접촉이 BCP와 sCP 부분들 사이의 계면에너지를 최소화할 수 있음을 나타낸다. 도 3의 (b)는 원추형 야누스 입자의 전체 형상 및 종횡비(AR)로 형상 이방성을 설명하기 위한 세 가지 중요한 길이 스케일을 도시한다. L은 BCP 콘의 높이, S는 BCP 콘의 단면적 직경, H는 sCP 구획의 높이이다. 원추형 입자의 AR은 BCP와 sCP 구획 (S) 사이의 경계면에서 교차 직경에 대한 입자의 총 높이 (L + H)의 비율로 정의할 수 있으며, 이는 다음 수학식 1로 표시된다.This feature can be further supported by the solubility parameters (δ PB = 17.3, δ PS = 18.6 and δ PMMA = 19.4 MPa 0.5 ) for each polymer component, which indicates that the contact of the PS domain with the sCP phase is BCP This indicates that the interfacial energy between the and sCP moieties can be minimized. Fig. 3(b) shows three important length scales for explaining shape anisotropy in terms of overall shape and aspect ratio (AR) of a conical Janus particle. L is the height of the BCP cone, S is the diameter of the cross-sectional area of the BCP cone, and H is the height of the sCP compartment. AR of a conical particle can be defined as the ratio of the total height (L + H) of the particle to the intersection diameter at the interface between the BCP and the sCP compartment (S), which is expressed by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019127566113-pat00007
Figure 112019127566113-pat00007

대칭 엔지니어링 전략은 3D 제한에서 비롯되었기 때문에, 제한의 정도 (즉, 입자 크기)는 입자의 결과적인 형상과 강한 상관 관계를 가져야 한다. 또한, sCP의 구획화에 의해 반사 대칭이 파괴되었으므로, 구획의 상대 크기 (또는 비등방성도(Janusity))는 또 다른 중요한 구조적 파라미터가 된다. Since the symmetric engineering strategy is derived from 3D constraints, the degree of constraint (i.e., particle size) should have a strong correlation with the resulting shape of the particle. In addition, since the reflection symmetry was disrupted by compartmentalization of sCPs, the relative size (or Janusity) of compartments becomes another important structural parameter.

도 4의 (a)는 입자 크기와 비등방성도(Janusity) (fsCP)를 조정하여 원추형 입자의 형상 제어를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 (b-d)는 입자 크기 및 (e-g) fsCP에 따른 PS112k-b-PB104k/sCP-7 원추형 입자의 SEM 및 TEM (삽입된) 이미지를 나타낸다. 각 입자는 고정된 fsCP = 0.45에서 (b) 0.5 ㎛, (c) 1.1 ㎛ 및 (d) 2.1 ㎛의 dpore를 갖는 멤브레인으로부터 제조하였다. 입자의 AR 값은 (b) 1.16, (c) 1.48 및 (d) 1.73 인 것으로 측정되었다. 고정된 dpore = 2.1 ㎛의 멤브레인을 사용하여 (e) fsCP = 0.29, (f) fsCP = 0.45 및 (g) fsCP = 0.55로 또 다른 일련의 입자를 제조하였다. 입자의 AR 값은 (e) 1.81, (f) 1.73 및 (g) 1.69였다. 삽입된 TEM 이미지에서 스케일 바는 200 nm이다.Figure 4 (a) schematically shows the control of the shape of the conical particle by adjusting the particle size and the anisotropy (Janusity) (f sCP ). 4 (bd) shows SEM and TEM (inset) images of PS 112k -b-PB 104k /sCP-7 conical particles according to particle size and (eg) f sCP. Each particle was prepared from a membrane with d pores of (b) 0.5 μm, (c) 1.1 μm, and (d) 2.1 μm at immobilized f sCP = 0.45. The AR values of the particles were determined to be (b) 1.16, (c) 1.48 and (d) 1.73. Another series of particles was prepared with (e) f sCP = 0.29, (f) f sCP = 0.45 and (g) f sCP = 0.55 using a membrane with immobilized d pore = 2.1 μm. The AR values of the particles were (e) 1.81, (f) 1.73 and (g) 1.69. The scale bar in the inset TEM image is 200 nm.

원추형 입자의 구조에 대한 이 두 가지 파라피터들의 영향을 조사하기 위해 fsCP 뿐만 아니라 입자 크기를 변화시켜 일련의 PS112k-b-PB104k/sCP-7 원추형 입자를 생성했다 (도 4 (a)).To investigate the effect of these two parameters on the structure of conical particles, a series of PS 112k -b-PB 104k /sCP-7 conical particles were generated by varying the particle size as well as fsCP (Fig. 4(a)). .

하기 표 2는 BCP 콘의 높이 (L), BCP 콘의 단면적 직경 (S), 높이 또는 sCP 구획 (H) 및 다른 입자 크기 및 비등방성도(Janusity) (fsCP)를 가지는 BCPs 및 sCP-7 블렌드로부터 생성된 AR ((L+H)/S)을 나타낸 것이다.Table 2 below shows the height of the BCP cone (L), the diameter of the cross-sectional area of the BCP cone (S), the height or sCP compartment (H), and the BCPs and sCP-7 blends with different particle sizes and anisotropy (Janusity) (f sCP ). AR generated from ((L+H)/S) is shown.

fsCP f sCP dpore
(㎛)
d pore
(μm)
L
(nm)
L
(nm)
S
(nm)
S
(nm)
H
(nm)
H
(nm)
AR ((L+H)/S)AR ((L+H)/S)
0.290.29 2.12.1 816 ± 51816 ± 51 703 ± 33703 ± 33 381 ± 25381 ± 25 1.811.81 0.450.45 2.12.1 800 ± 53800 ± 53 764 ± 47764 ± 47 521 ± 34521 ± 34 1.731.73 0.550.55 2.12.1 618 ± 58618 ± 58 730 ± 67730 ± 67 615 ± 47615 ± 47 1.691.69 0.450.45 0.50.5 216 ± 19216 ± 19 264 ± 17264 ± 17 91 ± 1191 ± 11 1.161.16 0.450.45 1.11.1 453 ± 25453 ± 25 471 ± 31471 ± 31 244 ± 22244 ± 22 1.481.48 0.450.45 2.12.1 800 ± 53800 ± 53 764 ± 47764 ± 47 521 ± 34521 ± 34 1.731.73

모든 입자는 멤브레인 에멀젼을 사용하여 생성되었기 때문에, 배치의 입자는 비교적 균일한 크기 및 형상을 갖는다 (표 2, 입자 크기의 변동 계수(coefficient of variation, CV)의 관점에서 10 %에 가깝다). 도 4의 (b) 내지 (d)는 fsCP = 0.45 고정된 상태로 유지하면서 0.5 ㎛, 1.1 ㎛ 및 2.1 ㎛의 상이한 멤브레인 기공 크기(dpore)에서 생성된 단분산, 원추형 입자의 SEM 및 TEM 이미지를 보여준다. dpore가 각각 0.5 ㎛에서 1.1 ㎛ 및 2.1 ㎛로 증가함에 따라 입자의 AR은 1.16에서 1.48로, 1.73으로 증가했다. AR의 이러한 증가 추세는 증식하는 BCP 입자의 추이와 잘 일치한다. 다음으로, AR에 대한 비등방성도(Janusity)의 효과는 0.29에서 0.45까지의 고정된 dpore = 2.1 ㎛에서 fsCP를 변화시킴으로써 조사되었다 (도 4의 (e) 내지 (g)).Because all particles were generated using a membrane emulsion, the particles in the batch had a relatively uniform size and shape (Table 2, close to 10% in terms of coefficient of variation (CV) of particle size). 4 (b) to (d) are SEM and TEM of monodisperse, conical particles generated at different membrane pore sizes (d pore ) of 0.5 μm, 1.1 μm and 2.1 μm while maintaining f sCP = 0.45 fixed. show the image. As d pore increased from 0.5 μm to 1.1 μm and 2.1 μm, respectively, the AR of the particles increased from 1.16 to 1.48 and 1.73. This increasing trend of AR is in good agreement with the trend of proliferating BCP particles. Next, the effect of the anisotropy (Janusity) on AR was investigated by changing f sCP at a fixed d pore = 2.1 μm from 0.29 to 0.45 (FIG. 4(e) to (g)).

fsCP가 0.29에서 0.45 및 0.55로 증가함에 따라 입자들의 AR 값은 1.81에서 1.73 및 1.69로 감소했다. 이러한 결과는 타원체 BCP 구획이 입자를 연장시키는 반면, sCP 구획이 입자를 구형으로 만들기 때문에, 원추형 입자의 AR이 반구형 sCP 구획보다 타원체-유사 BCP 구획과 더 밀접하게 관련되어 있음을 나타낸다. 따라서, 더 큰 BCP 구획 (더 작은 fsCP)을 갖는 원추형 입자는 AR을 증가시켰다. 전체적으로, 원추형 입자의 AR은 입자 크기 및 fsCP를 조정함으로써 1.0 내지 2.0으로 제어되었다.As f sCP increased from 0.29 to 0.45 and 0.55, the AR values of the particles decreased from 1.81 to 1.73 and 1.69. These results indicate that AR of conical particles is more closely associated with ellipsoid-like BCP compartments than with hemispherical sCP compartments, as spheroidal BCP compartments elongate particles, whereas sCP compartments make particles spherical. Thus, conical particles with larger BCP compartments (smaller f sCP ) increased AR. Overall, the AR of the conical particles was controlled from 1.0 to 2.0 by adjusting the particle size and f sCP .

입자 크기에 따라 원추형 입자의 AR 변화에 대한 정량적 이해를 개발하기 위해, 하기 수학식 2와 같이 n 층의 BCP 하프-타원체(half-ellipsoids) (높이는 L, 지름은 S) 및 sCP 캡 (높이는 H)을 가진 원추형 입자의 총 자유 에너지를 표현함으로써 이전에 보고된 이론적 모델을 수정하였다:In order to develop a quantitative understanding of the AR change of conical particles according to particle size, n-layers of BCP half-ellipsoids (height L, diameter S) and sCP caps (height H) as shown in Equation 2 below ), we modified the previously reported theoretical model by expressing the total free energy of a conical particle with:

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019127566113-pat00008
Figure 112019127566113-pat00008

(여기서, kB는 볼츠만 상수, T는 온도, χ는 BCP (PS 및 PB)의 두 블록 사이의 상호 작용 파라미터이고, χPS/sCP는 PS 블록 및 sCP의 상호 작용 파라미터이고, b는 BCP의 모노머 길이, N은 BCP의 중합화 정도, γPS, γPB 및 γsCP는 각 중합체와 그 주변 (수성 매질) 사이의 계면장력이며, Σ 및 ΣsCP는 BCP 타원체 콘 및 sCP 구형 캡의 표면적에 대한 부피의 비이고, α 및 β는 원추형 입자와 주변 사이의 표면 에너지 항(term)에 대한 적합 파라미터임).(where k B is the Boltzmann constant, T is the temperature, χ is the interaction parameter between the two blocks of BCP (PS and PB), χ PS/sCP is the interaction parameter of the PS block and sCP, and b is the interaction parameter of the BCP. The monomer length, N is the degree of polymerization of the BCP, γ PS , γ PB and γ sCP are the interfacial tensions between each polymer and its surroundings (aqueous medium), and Σ and Σ sCP are the surface areas of the BCP ellipsoid cone and sCP spherical cap. , where α and β are the fitted parameters for the term of surface energy between the conical particle and its surroundings).

수학식 2의 오른쪽에 있는 처음 4 개의 항은 이전 이론 모델과 동일한 BCP 콘 (하프-타원체) 구획의 자유 에너지를 설명한다. 처음 두 항은 각각 BCP의 계면 에너지 및 체인 스트레칭 에너지를 설명한다. 세 번째 항은 BCP와 주변 수성 매질 사이의 표면 에너지에 대한 것이고, 네 번째 항은 BCP 콘의 가장자리에 있는 곡면 라멜라의 굽힘 에너지를 나타낸다. 여기서 L0은 벌크 주기성, C는 구부러진 층의 곡률이고, Vc는 곡선 층의 부피이다. 이 작업에서 추가로 고려해야 할 사항은 마지막 두 항들이다.The first four terms on the right side of Equation 2 describe the free energy of the BCP cone (half-ellipsoid) compartment identical to the previous theoretical model. The first two terms describe the interfacial energy and chain stretching energy of the BCP, respectively. The third term relates to the surface energy between the BCP and the surrounding aqueous medium, and the fourth term describes the bending energy of the curved lamellae at the edge of the BCP cone. where L 0 is the bulk periodicity, C is the curvature of the curved layer, and V c is the volume of the curved layer. Additional considerations in this work are the last two terms.

다섯 번째 항은 강한 선호도 때문에 sCP가 항상 PS 도메인과 접촉한다는 가정에 기초하여 sCP와 BCP 구획 사이의 계면 에너지에 대한 것이다. sCP와 PS 블록 사이의 계면 에너지는 χPS/sCP PS/sCP의 제곱근에 비례하지 않음)에 비례하며, 이는 단일 중합체 접촉의 계면 에너지에 해당한다. 마지막 항은 sCP 캡 부분과 주변 수성 상 사이의 표면 에너지를 설명한다. 이 자유 에너지 모델에서 식 (2)로 표현된 총 자유 에너지를 최소화하는 AR 값 (L, S 및 H 값)을 계산할 수 있다.The fifth term relates to the interfacial energy between the sCP and BCP compartments based on the assumption that sCP is always in contact with the PS domain because of its strong affinity. The interfacial energy between sCP and PS block is proportional to χ PS/sCP ( not proportional to the square root of χ PS/sCP ), which corresponds to the interfacial energy of a homopolymer contact. The last term describes the surface energy between the sCP cap moiety and the surrounding aqueous phase. From this free energy model, it is possible to calculate the AR values (L, S and H values) that minimize the total free energy expressed by equation (2).

도 5는 이론적 계산 (녹색)이 적용된 dpore = 0.5, 1.1 및 2.1 ㎛ (각각 빨간색, 파란색 및 분홍색)인 SPG 멤브레인에서 생성된 단분산 PS112k-b-PB104k/sCP-7 원추형 입자 (fsCP = 0.45, φ4ABP = 0.07)의 AR 대 (L + H) 플롯을 나타낸다.Figure 5 is a theoretical calculation (green) has been applied pore d = 0.5, 1.1 and 2.1 ㎛ (respectively red, blue and pink), the mono-dispersed PS 112k -b-PB 104k / sCP -7 conical particle generation in a SPG membrane (f AR vs. (L + H) plots of sCP = 0.45, ϕ 4ABP = 0.07) are shown.

도 5는 이론적으로 계산된 AR (녹색)과 함께 원추형 입자의 장축 (L + H)의 함수로서 실험적으로 측정된 AR의 산점도를 보여준다. 원추형 입자의 AR은 입자 크기가 클수록 증가하는데, 이는 PS/PB 계면의 수가 더 큰 입자에 대해 증가하기 때문에 시스템에 대한 계면에너지의 기여도가 증가했기 때문이다.Figure 5 shows a scatter plot of the experimentally measured AR as a function of the long axis (L + H) of a conical particle along with the theoretically calculated AR (green). The AR of conical particles increases with larger particle size, because the contribution of interfacial energy to the system increases as the number of PS/PB interfaces increases for larger particles.

또한, 표면/부피 비율의 감소로 인해 입자와 그 주변 사이의 표면 에너지의 기여가 감소하였고, 이는 입자 크기가 증가함에 따라 AR의 전반적인 증가로 이어졌다. 그러나, 원추형 입자의 sCP의 반구형 부분이 입자의 연장에 기여하지 않기 때문에, 원추형 입자의 AR은 유사한 입자 부피를 갖는 BCP 타원체의 AR보다 작았다.In addition, the contribution of the surface energy between the particle and its surroundings decreased due to the decrease in the surface/volume ratio, which led to an overall increase in AR as the particle size increased. However, since the hemispherical portion of the sCP of the conical particle does not contribute to the elongation of the particle, the AR of the conical particle was smaller than that of the BCP ellipsoid with a similar particle volume.

원추형 입자의 형상-제어성의 중요성을 입증하기 위해, 유사한 부피 (dpore = 2.1 ㎛)를 가지지만 다양한 형상-이방성을 갖는 세 가지 상이한 입자의 콜로이드 코팅 특성을 비교하였다: AR = 1.00 (야누스-구(Janus-sphere), PS112k-b-PB104k/sCP-0, fsCP = 0.45), AR = 1.41 (원추형, PS112k-b-PB104k/sCP-7, fsCP = 0.70) 및 AR = 1.73 (원추형, PS112k-b-PB104k/sCP-7, fsCP = 0.45). 입자 현탁액 (1 μL, 입자의 부피 분율 (Φ = 0.1))을 유리 슬라이드 상에 드롭-캐스팅한 다음, 상온에서 건조시켰다. To demonstrate the importance of shape-controllability of conical particles, the colloidal coating properties of three different particles with similar volume (d pore = 2.1 μm) but with varying shape-anisotropy were compared: AR = 1.00 (Janus-Gu (Janus-sphere), PS 112k -b-PB 104k /sCP-0, f sCP = 0.45), AR = 1.41 (conical, PS 112k -b-PB 104k /sCP-7, f sCP = 0.70) and AR = 1.73 (conical, PS 112k -b-PB 104k /sCP-7, f sCP = 0.45). A particle suspension (1 μL, volume fraction of particles (Φ = 0.1)) was drop-cast onto a glass slide and then dried at room temperature.

도 6는 모양이 상이한 세 가지 입자의 코팅 패턴에 대한 광학 현미경 이미지이다. 도 6의 (a)는 PS112k-b-PB104k/sCP-0 야누스-구 입자 (fsCP = 0.45, AR = 1.00) 및 상이한 비등방성도(Janusity)를 가진 PS112k-b-PB104k/sCP-7 원추형 입자 : (b) fsCP = 0.70 (AR = 1.41) 및 (c) fsCP = 0.45 (AR = 1.73). 입자는 dpore = 2.1 ㎛을 가진 멤브레인으로부터 생성되었고, 현탁액 (Φ) 중 입자의 부피 분율은 0.1로 고정되었다.6 is an optical microscope image of a coating pattern of three particles having different shapes. Figure 6 (a) shows PS 112k -b-PB 104k /sCP-0 Janus-sphere particles (f sCP = 0.45, AR = 1.00) and PS 112k -b-PB 104k /sCP with different anisotropy (Janusity). −7 conical particles: (b) f sCP = 0.70 (AR = 1.41) and (c) f sCP = 0.45 (AR = 1.73). Particles were generated from a membrane with d pore = 2.1 μm, and the volume fraction of particles in suspension (Φ) was fixed at 0.1.

도 6의 (a) 내지 (c)는 서로 다른 AR 값을 갖는 세 가지 상이한 입자 현탁액의 코팅 패턴을 보여준다. AR = 1.00 인 구형 입자의 경우, 입자를 필름의 가장자리에서 농축시켜 커피 링-유사 패턴(coffee ring-like pattern)을 형성하였다 (도 6의 (a)).6 (a) to (c) show the coating patterns of three different particle suspensions with different AR values. For spherical particles with AR = 1.00, the particles were concentrated at the edge of the film to form a coffee ring-like pattern (Fig. 6(a)).

대조적으로, 원추형 입자의 AR을 1.41 및 1.73으로 증가시키면서 균일하게-덮여진 필름이 생성되었다 (도 6의 (b) 및 (c)). 이러한 결과는 입자 형태가 콜로이드 입자의 코팅 패턴에 상당한 영향을 미친다는 이전 문헌과 일치한다. 입자 현탁액을 함유한 물방울을 건조시키자, 중심으로부터 가장자리로의 모세관 유동으로 인해 커피 링-유사 코팅 패턴이 나타났다. 구형 입자를 가장자리로 밀어 링 패턴을 형성하는 동안, 연장된 타원 입자는 공기-물 계면에서 클러스터를 형성하여 균일한 코팅을 생성함으로써 방사상의 외부 흐름에 저항하는 것으로 나타났다.In contrast, uniformly-covered films were produced with increasing AR of the conical particles to 1.41 and 1.73 (Fig. 6(b) and (c)). These results are consistent with the previous literature that particle morphology significantly affects the coating pattern of colloidal particles. Upon drying of the droplets containing the particle suspension, a coffee ring-like coating pattern appeared due to capillary flow from center to edge. While pushing the spherical particles to the edges to form a ring pattern, the elongated elliptical particles have been shown to resist radial outward flow by forming clusters at the air-water interface, creating a uniform coating.

이러한 저항은 구형 입자들보다 연장된 입자들 사이의 더 강한 입자 간 상호 작용에 의해 발생하는데, 그 강도는 입자 AR의 함수이다. 마찬가지로, 원추형 입자는 AR이 증가함에 따라 강한 입자 간 인력(interparticle attraction)을 경험했고, 이는 도 6에 잘 나타나 있다. 전체적으로, 비-구형 입자를 사용하여 커피-링 형성을 억제하는 효과를 조사하였고, 이는 원추형 입자의 형상 제어성의 중요성을 추가로 입증하였다.This resistance is caused by stronger interparticle interactions between elongated particles than spherical ones, the strength of which is a function of particle AR. Likewise, the conical particles experienced strong interparticle attraction with increasing AR, which is well illustrated in FIG. 6 . Overall, the effect of using non-spherical particles to inhibit coffee-ring formation was investigated, further demonstrating the importance of shape controllability of conical particles.

결론conclusion

요약하면, 본 발명의 실시예는 PS-b-PB BCP와 P(MMA-stat-4ABP) sCP의 블렌드 구조를 조정하여 비대칭적으로 나노 구조화된 원추형 입자의 형상-이방성(shape-anisotropy)의 체계적인 변조를 증명했다. 본 발명의 핵심은 상이한 φ4ABP 값을 사용하여 BCP 및 sCP(χBCP-sCPN) 사이의 분리 강도를 조정함으로써 폴리머 블렌드에서 매크로- 및 마이크로 상 분리의 상호 작용을 체계적으로 제어하는 것이었다. 따라서, φ4ABP 및 fsCP를 증가시킴으로써 장축(prolate) 타원체에서, 야누스-구 및 원추형 입자로의 순차적 형상 변형이 관찰되었다.In summary, an embodiment of the present invention adjusts the blend structure of PS-b-PB BCP and P(MMA-stat-4ABP) sCP to systematically analyze the shape-anisotropy of asymmetrically nanostructured conical particles. tampering was proved. The key of the present invention was to systematically control the interaction of macro- and micro-phase separations in polymer blends by tuning the separation strength between BCP and sCP ( χBCP-sCP N) using different χ 4ABP values. Therefore, sequential shape transformations from prolate ellipsoids to Janus-spheres and conical particles were observed by increasing ϕ 4ABP and f sCP .

형상 이방성을 가진 원추형의 입자들에 특히 초점을 두고, 입자 크기와 fsCP를 변화시켜 단분산 원추형의 입자의 AR에 대해 정확한 제어를 보여준다. 이 현상은 이론적 모델을 기초로 하는 원추형 입자의 자유 에너지 계산에 의해 잘 이해되었다. 결과적으로, 제어된 AR을 갖는 단분산 원추형 입자가 성공적으로 생성되었고, 비-구형 입자의 형상 및 구조를 프로그래밍하는 본 발명의 전략의 중요성을 강조하기 위해 AR-의존성 콜로이드 코팅 특성이 입증되었다.With particular focus on conical particles with shape anisotropy, we show precise control over the AR of monodisperse conical particles by varying the particle size and f sCP . This phenomenon was well understood by free energy calculations of conical particles based on theoretical models. Consequently, monodisperse conical particles with controlled AR were successfully generated, and AR-dependent colloidal coating properties were demonstrated to highlight the importance of our strategy to program the shape and structure of non-spherical particles.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible for those skilled in the art from the above description. For example, even if the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components are combined or combined in a different form from the described method, or replaced or substituted by other components or equivalents Appropriate results can be achieved. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (24)

블록 공중합체 및 통계 공중합체(statistical copolymer)를 유기 용매에 용해시켜 분산상(disperse phase)을 준비하는 단계;
계면활성제 수용액을 이용하여 연속상(continuous phase)을 준비하는 단계;
상기 분산상 및 상기 연속상을 혼합하여 에멀젼 액적을 제조하는 단계; 및
상기 에멀젼 액적으로부터 상 거동(phase behavior)을 제어하면서 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자를 형성하는 단계;
를 포함하는,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
preparing a disperse phase by dissolving the block copolymer and the statistical copolymer in an organic solvent;
preparing a continuous phase using an aqueous surfactant solution;
preparing emulsion droplets by mixing the dispersed phase and the continuous phase; and
forming uniform block copolymer particles with a controlled shape while controlling phase behavior from the emulsion droplets;
containing,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제1항에 있어서,
상기 블록 공중합체 입자는, 타원체 입자(ellipsoidal particles), 야누스-구 입자(Janus-sphere particles) 및 원추형 입자(cone-shaped particle)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
According to claim 1,
The block copolymer particles include at least one selected from the group consisting of ellipsoidal particles, Janus-sphere particles, and cone-shaped particles,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제2항에 있어서,
상기 야누스-구 입자 및 상기 원추형 입자는,
블록 공중합체-풍부 구획(BCP-rich compartment) 및 통계 공중합체-풍부 구획(sCPs-rich compartment)을 포함하는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The Janus-sphere particles and the conical particles are
comprising a block copolymer-rich compartment (BCP-rich compartment) and a statistical copolymer-rich compartment (sCPs-rich compartment).
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제2항에 있어서,
상기 야누스-구 입자는,
일 반구(hemisphere)에는 회색 외층을 가진 블록 공중합체-풍부 반구(BCP-rich hemisphere) 상에 양파-유사 동심원 라멜라(onion-like concentric lamellae)를 포함하고,
타 반구에는 통계 공중합체-풍부 구획을 포함하는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The Janus-sphere particles are
the hemisphere contains onion-like concentric lamellae on a block copolymer-rich hemisphere with a gray outer layer,
the other hemisphere comprising a statistical copolymer-rich compartment,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제2항에 있어서,
상기 원추형 입자는, 반사 비대칭(reflection asymmetry)을 가지는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The conical particle, which has a reflection asymmetry (reflection asymmetry),
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제2항에 있어서,
상기 원추형 입자는, 각 중합체 성분에 대한 용해도(solubility) 파라미터(δ)에 의해,
일 반구에는 상기 블록 공중합체의 라멜라 층을 포함하고,
타 반구에는 상기 통계 공중합체를 포함하는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The conical particles, by solubility parameter (δ) for each polymer component,
In one hemisphere, it contains a lamellar layer of the block copolymer,
The other hemisphere comprising the statistical copolymer,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제2항에 있어서,
상기 원추형 입자의 종횡비(AR)는 하기 수학식 1에 의해 정의되는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법:
[수학식 1]
Figure 112019127566113-pat00009

(여기서, L은 블록 공중합체 원추의 높이, S는 블록 공중합체 단면적 직경, H는 통계 공중합체 구획의 높이임).
3. The method of claim 2,
The aspect ratio (AR) of the conical particles will be defined by the following Equation 1,
Method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape:
[Equation 1]
Figure 112019127566113-pat00009

(where L is the height of the block copolymer cone, S is the block copolymer cross-sectional diameter, and H is the height of the statistical copolymer compartment).
제1항에 있어서,
상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 분리 강도(segregation strength, χBCP-sCPN) 및 상기 통계 공중합체 유닛의 조성(통계 공중합체를 구성하는 4ABP 유닛의 몰 분율, φ)을 조절하여 상기 블록 공중합체 입자의 형상을 제어하는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
According to claim 1,
The block copolymer by controlling the segregation strength (χBCP-sCP N) between the block copolymer and the statistical copolymer and the composition of the statistical copolymer unit (the mole fraction of 4ABP units constituting the statistical copolymer, φ). to control the shape of the copolymer particles,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제8항에 있어서,
상기 블록 공중합체 입자는,
상기 통계 공중합체 유닛의 조성(φ)이 증가할 때 입자 형태가 타원체에서 야누스-구 및 원추형 입자로 순차적으로 변형되는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The block copolymer particles,
The particle shape is sequentially transformed from ellipsoids to Janus-spheres and conical particles when the composition (φ) of the statistical copolymer unit is increased,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제1항에 있어서,
상기 통계 공중합체의 비등방성도(통계 공중합체의 부피 분율, fsCP)를 조절하여 상기 블록 공중합체 입자의 형상을 제어하는 것이고,
상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 증가할 때 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 야누스-구에서 원추형 입자로 변형되는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
According to claim 1,
Controlling the shape of the block copolymer particles by controlling the anisotropy of the statistical copolymer (volume fraction of the statistical copolymer, f sCP ),
When the degree of anisotropy (f sCP ) of the statistical copolymer increases, the shape of the block copolymer particles is transformed from a Janus-sphere to a conical particle,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제10항에 있어서,
상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 0.3 미만인 경우 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 라멜라(lamellae) 도메인을 가진 타원체인 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
11. The method of claim 10,
When the anisotropy degree (f sCP ) of the statistical copolymer is less than 0.3, the shape of the block copolymer particles is an ellipsoid having a lamellae domain,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제10항에 있어서,
상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 0.3 이상인 경우 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 타원체(ellipsoids)에서 야누스-구(janus-spheres)로 전이되는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
11. The method of claim 10,
When the anisotropy degree (f sCP ) of the statistical copolymer is 0.3 or more, the shape of the block copolymer particles is transferred from ellipsoids to Janus-spheres,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제10항에 있어서,
상기 통계 공중합체의 비등방성도(fsCP)가 0.45 이상인 경우 상기 블록 공중합체 입자의 형상은 야누스-구에서 원추형 입자(cone-shaped particles)로 전이되는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
11. The method of claim 10,
When the anisotropy degree (f sCP ) of the statistical copolymer is 0.45 or more, the shape of the block copolymer particles is a Janus-sphere that transitions from a sphere to cone-shaped particles,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제1항에 있어서,
상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 부피 분율(비등방성도(janusity), f)를 조절하여 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(aspect ratio; AR)를 제어하는 것이고,
상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)는 1.0 내지 2.0인 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
According to claim 1,
Controlling the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles by controlling the volume fraction (janusity, f) between the block copolymer and the statistical copolymer,
The aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is 1.0 to 2.0,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제14항에 있어서,
상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.00인 경우 야누스-구 형상,
상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.41인 경우 원추형 형상, 및
상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.73인 경우 원추형 형상을 가지고,
상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 증가할수록 기판 상에 코팅하였을 때 균일하게 덮여진 필름이 생성되고,
상기 블록 공중합체 입자의 종횡비(AR)가 1.00인 경우 기판 상에 코팅하였을 때 커피 링-유사 패턴(coffee ring-like pattern)이 형성되는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
15. The method of claim 14,
When the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is 1.00, Janus-spherical shape,
conical shape when the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is 1.41, and
When the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is 1.73, it has a conical shape,
As the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles increases, a uniformly covered film is produced when coated on a substrate,
When the aspect ratio (AR) of the block copolymer particles is 1.00 when coated on a substrate, a coffee ring-like pattern is formed,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제1항에 있어서,
상기 에멀젼 액적을 제조하는 단계는, 시라수 다공성 유리 멤브레인(Shirasu porous glass(SPG) membrane)의 기공을 통과시켜 균일한 크기의 에멀젼 액적을 제조하는 것이고,
상기 시라수 다공성 유리 멤브레인의 기공 크기(dpore)는 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛인 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
According to claim 1,
The step of preparing the emulsion droplets is to pass the pores of the Shirasu porous glass (SPG) membrane to prepare the emulsion droplets of a uniform size,
The pore size (d pore ) of the Shirasu porous glass membrane is 0.1 μm to 3 μm,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제16항에 있어서,
상기 시라수 다공성 유리 멤브레인의 기공 크기(dpore)가 증가함에 따라 상기 블록 공중합체 입자의 종횡비가 증가하는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
17. The method of claim 16,
As the pore size (d pore ) of the Shirasu porous glass membrane increases, the aspect ratio of the block copolymer particles increases,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제1항에 있어서,
상기 블록 공중합체 입자의 형상 및 내부 구조는,
상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 매크로상 분리(macrophase separation) 및 마이크로상 분리(microphase separation)에 의해 결정되는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
According to claim 1,
The shape and internal structure of the block copolymer particles are,
as determined by macrophase separation and microphase separation between the block copolymer and the statistical copolymer.
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제18항에 있어서,
상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체 사이의 매크로상 분리가 지배적인 경우에 상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체-풍부 구획을 갖는 비등방성도(janusity)를 갖는 형상이 제어된 불록 공중합체 입자가 형성되는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
19. The method of claim 18,
When macrophase separation between the block copolymer and the statistical copolymer dominates, shape-controlled block copolymer particles with janusity with the block copolymer and the statistical copolymer-rich section are formed. which is to be,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제18항에 있어서,
상기 블록 공중합체 및 상기 통계 공중합체-풍부 구획을 갖는 비등방성도(janusity)를 갖는 블록 공중합체 입자는,
야누스 구, 원추형 입자 또는 이 둘을 포함하는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
19. The method of claim 18,
The block copolymer particles having a janusity having the block copolymer and the statistical copolymer-rich section,
which contains Janus spheres, conical particles, or both,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제1항에 있어서,
상기 블록 공중합체 입자를 형성하는 단계는,
상기 에멀젼 액적으로부터 상기 유기 용매의 증발속도를 제어하면서 수중 입자를 형성하는 것이고,
상기 증발속도(액적 당 유기 용매 부피 손실율,
Figure 112019127566113-pat00010
)는 0.01 h-1 내지 2.50 h-1 인 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
According to claim 1,
The step of forming the block copolymer particles,
Forming particles in water while controlling the evaporation rate of the organic solvent from the emulsion droplets,
The evaporation rate (volume loss of organic solvent per droplet,
Figure 112019127566113-pat00010
) is 0.01 h -1 to 2.50 h -1 ,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제1항에 있어서,
상기 블록 공중합체는, PS-b-PB(poly(styrene-block-1,4-butadiene)), PS-b-PMMA(poly(styrene-block-methylmetahcrylate)), PS-b-PI(poly(styrene-block-isoprene)), PS-b-PEP(poly(styrene-block-ethylene propylene)), PS-b-PDMS(poly(styrene-block-dimethylsiloxane)), PS-b-PE(poly(styrene-block-ethylene)) 및 PS-b-PFS(poly(styrene-block-polyferrocenyldimethylsilane))로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
According to claim 1,
The block copolymer is PS-b-PB (poly (styrene-block-1,4-butadiene)), PS-b-PMMA (poly (styrene-block-methylmetahcrylate)), PS-b-PI (poly ( styrene-block-isoprene)), PS-b-PEP(poly(styrene-block-ethylene propylene)), PS-b-PDMS(poly(styrene-block-dimethylsiloxane)), PS-b-PE(poly(styrene) -block-ethylene)) and PS-b-PFS (poly(styrene-block-polyferrocenyldimethylsilane)) comprising at least one selected from the group consisting of,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제1항에 있어서,
상기 통계 공중합체는, 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-(4-아크릴로일벤조페논)(poly(methylmethacrylate-statistical-(4-acryloylbenzophenone)); (P(MMAstat-4ABP)), 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-히드록시에틸메타크릴레이트) (poly(methylmethacrylate-statistical-2-hydroxyethyl methacrylate); (P(MMA-stat-HEMA)), 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-부틸렌옥사이드)((poly(methylmethacrylate-stat-butyleneoxide); P(MMA-stat-BO)) 및 폴리(메틸메타크릴레이트-스태트-에틸렌옥사이드)((poly(methylmethacrylate-stat-ethyleneoxide); P(MMA-stat-EO))로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법.
According to claim 1,
The statistical copolymer is, poly(methylmethacrylate-statistical-(4-acryloylbenzophenone)); (P(MMAstat-4ABP))), poly( Methyl methacrylate-stat-hydroxyethyl methacrylate) (poly(methylmethacrylate-statistical-2-hydroxyethyl methacrylate); (P(MMA-stat-HEMA))), poly(methylmethacrylate-statistical-2-hydroxyethyl methacrylate) Renoxide) ((poly(methylmethacrylate-stat-butyleneoxide); P(MMA-stat-BO)) and poly(methylmethacrylate-stat-ethyleneoxide)((poly(methylmethacrylate-stat-ethyleneoxide); P( MMA-stat-EO)) comprising at least any one selected from the group consisting of,
A method for producing uniform block copolymer particles with controlled shape.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항의 형상이 제어된 균일한 블록 공중합체 입자의 제조방법에 의해 제조된 블록 공중합체.A block copolymer prepared by the method for producing uniform block copolymer particles having a controlled shape according to any one of claims 1 to 23.
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