KR101880441B1

KR101880441B1 - 균일한 크기의 실리카 나노입자 대량 제조 방법

Info

Publication number: KR101880441B1
Application number: KR1020110072691A
Authority: KR
Inventors: 현택환; 박원철; 권파
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2018-07-20
Also published as: US20140356272A1; EP2735543A4; EP2735543A2; WO2013012268A9; WO2013012268A3; CN103930368A; JP2014520755A; WO2013012268A2; KR20130011505A

Abstract

본 발명은 염기성 완충용액을 이용한 균일한 크기의 실리카 나노입자의 대량 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 (i) 유기 용매에 실리카 전구체를 녹인 용액을 염기성 완충용액에 첨가하여 가열하는 단계; 및 (ii) 상기 (i) 단계에서 생성된 실리카 나노입자를 분리하는 단계를 포함하는 균일한 크기의 실리카 나노입자 제조 방법에 대한 것이다.

Description

균일한 크기의 실리카 나노입자 대량 제조 방법{Method for Large-Scale Production of Uniform-Sized Silica Nanoparticles}

최근 몇 년간 실리카를 기반으로 하는 나노입자의 개발과 응용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 실리카는 미국 FDA(U.S. Food and Drug Administration)에 의해 "generally recognized as safe (GRAS)"라고 승인받은 물질이다. 실리카 나노입자는 생체적합성이 매우 뛰어나기 때문에, 생체연구에 다양하게 사용된다.

또한, 실리카 표면에 단백질, 효소, DNA 등과 같은 다양한 바이오분자를 표지하기 쉬울 뿐만 아니라, 아민기, 카르복실기 등과 같은 기능기를 표지하는 방법도 매우 다양하게 개발되었다(Yan, Jilin , et al., Nano Today, 2007, 2, 3).

따라서 이러한 실리카를 기반으로 하는 나노입자들에 형광 염료, 자성물질, 방사성 동위원소와 같은 표지물질을 도핑하여 바이오센서로서 생체내와 생체외 바이오실험에 널리 사용되고 있다(Piao, Y., et al., Advanced Functional Materials, 2008, 18, 3745-3758).

그리고 실리카 나노입자에 메조포어(mesopore)를 형성시킴으로써, 실리카 나노입자 내부 또는 상기 나노입자 표면에 DNA, 항암제 등을 담지하여 약물 전달체로서 사용되기도 한다(Slowing, Igor I., Trewyn, Brian G., Giri, Supratim, Lin, Victor S.-Y Advanced Functional Materials , 2007, 17, 1225-1236).

산업적으로도, 건조제, 촉매 지지체, 첨가제와 같은 재료로서 널리 사용되고 있다(Kim, J., et al. Angewandte Chemie International Edition , 2006, 45, 4789-4793).

또한, 수계에서 분산이 잘 되고, 수산화나트륨(NaOH) 용액에 의하여 쉽게 제거할 수 있기에 각종 나노재료 합성의 주형으로서 사용되고 있다. 즉, 실리카 나노입자를 조립한 후, 탄소 전구체를 표면에 삽입하고 탄화한 다음, 실리카를 제거하면 기공성 탄소구조, 즉 속이 빈 탄소 나노캡슐과 같은 나노 재료를 합성할 수 있다(Arnal, P. M., Schuth, F., Kleitz, F. Chem . Commun . 2006, 1203; Bon, S., Sohn, Y. K., Kim, J. Y., Shin, C.-H., Yu, J.-S., Hyeon, T., Advanced Material. 2002, 14, 19).

실리카 나노입자를 위와 같은 연구에 사용할 때, 실리카 나노입자의 크기가 매우 중요하다. 생체 실험에 사용되는 실리카 재료는 너무 크거나 너무 작아도 안된다.

실리카 나노입자가 너무 크면 생체에서 유동하지 못하고, 생체 면역시스템에 의하여 제거된다. 그러나 실리카 나노입자가 너무 작으면 체류 시간이 너무 짧아져서 이미지 분석이 어렵게 된다.

기공성 나노재료로서 사용되는 경우에도, 실리카 나노입자의 크기에 따라 기공의 크기가 결정되고, 이러한 성질을 조절함으로써 비표면적과 같은 성질도 결정 된다.

그리고 실리카 나노입자를 산업적으로 응용하기 위해서는, 대량 생산이 가능하여야 한다. 따라서 크기가 균일한 실리카 나노입자를 여러 가지 크기로 대량으로 제조하는 것이 매우 중요하다.

현재 널리 사용되는 실리카 나노입자의 합성은 스퇴버법 (Stober, W. and A. Fink, Bohn, Journal of Colloid and Interface Science , 1986, 26, 62)이다. 이 방법에 따르면, 실리카 전구체인 테트라에틸 오르쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS)가 알카리성 촉매를 첨가한 수성-알카리성 용매에서 가수분해되면서 실리카 나노입자가 형성된다. 여기에서 촉매로서 암모니아수(NH₃), 수산화나트륨(NaOH) 등을 사용한다.

상기 스퇴버 방법으로는 50 nm ~ 2 ㎛의 크기로 실리카 입자를 합성할 수 있다. 그러나 100 nm 이하로는, 실리카 입자의 크기가 균일하지 못하고, 모양 또한 구형으로 합성하기가 쉽지 않다.

다른 한 가지 방법으로는, 역상 마이크로에멀젼 방법(F. J. Arriagada and K. Osseo-Asare, Journal of Colloid and Interface Science 1999, 211, 210)이 있다. 상기 역상 마이크로에멀젼 방법에 따르면, 물이 유상에서 계면활성제에 의하여 작은 마이크로에멀젼을 형성하는데, 상기 마이크로에멀젼을 주형으로 사용하고 TEOS를 전구체로서 사용하며 알카리성 촉매를 사용함으로써 실리카 나노입자가 생성된다. 상기 방법을 사용하면, 30~70 nm 크기의 실리카 나노입자가 형성되며, 입자의 크기가 균일하고 원형의 구에 가깝다.

그러나 역상 마이크로에멀젼 방법에서는 대량의 계면활성제가 사용되고, 실제 응용에서는 대부분 이 계면활성제를 제거하여야 하는 문제점이 있다. 또한, 역상 마이크로에멀젼 방법의 특성상 실리카 나노입자를 대량으로 합성하기 어렵다. 따라서 종래의 방법으로는 크기가 작고 균일도가 좋은 실리카 나노입자를 대량으로 합성하는 것이 매우 힘들다.

본 발명의 목적은 (i) 유기 용매에 실리카 전구체를 녹인 용액을 염기성 완충용액에 첨가하여 가열하는 단계; 및 (ii) 상기 (i) 단계에서 생성된 실리카 나노입자를 분리하는 단계를 포함하는 균일한 크기의 실리카 나노입자 제조 방법을 제공하는 것이다.

전술한 본 발명의 목적은 (i) 유기 용매에 실리카 전구체를 녹인 용액을 염기성 완충용액에 첨가하여 가열하는 단계; 및 (ii) 상기 (i) 단계에서 생성된 실리카 나노입자를 분리하는 단계를 포함하는 균일한 크기의 실리카 나노입자 제조 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 균일한 크기의 실리카 나노입자 제조 방법에 사용되는 상기 실리카 전구체는 테트라에틸 오르쏘실리케이트(tetraethylorthosilicate(TEOS)), 테트라메톡시실란(tetramethoxysilane(TMOS)) 또는 실리콘 테트라클로라이드(sililcon tetrachloride)일 수 있으나, 이에 제한되지 아니한다. 또한, 상기 유기 용매는 사이클로헥산, 헥산, 헵탄 또는 옥탄일 수 있으나, 이에 제한되지 아니한다.

상기 염기성 완충용액의 pH는 9-14인 것이 바람직하며, 예를 들면 NH₄Cl·NH₃ 완충용액, KCl·NaOH 완충용액, 라이신(lysin) 수용액 또는 아르기닌(arginine) 수용액일 수 있으나, 이에 제한되지 아니한다.

상기 (i) 단계의 가열 온도는 25℃ 내지 80℃인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 50℃ 내지 70℃이다. 상기 (i) 단계의 가열 온도를 달리함으로써, 상기 실리카 나노입자의 크기를 조절할 수 있다. 즉, 상기 (i) 단계의 반응 온도를 높이면, 생성되는 실리카 나노입자의 크기가 커지고, 반응 온도를 낮추면, 생성되는 실리카 나노입자의 크기가 작아진다.

상기 (i) 단계에서 합성되는 상기 실리카 나노입자의 크기는 5 nm 내지 50 nm이다.

본 발명의 균일한 크기의 실리카 나노입자 제조 방법은, 추가로 (iii) 상기 (ii) 단계에서 얻은 실리카 나노입자를 물과 에탄올의 혼합물에 분산시키는 단계; 및 (iv) 상기 (iii) 단계의 분산액에 염기성 촉매를 첨가하여 상기 실리카 나노입자를 재성장시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (iii) 단계의 염기성 촉매는 암모니아수, NaOH 수용액 또는 KOH 수용액인 것이 바람직하다. 상기 (iii) 단계의 반응은 실온에서 진행되는 것이 바람직하다.

상기 (iv) 단계에서 재성장된 실리카 나노입자의 크기는 60 nm 내지 2,000 nm이다.

본 발명의 방법에 따르면, 5 nm 내지 50 nm 크기의 균일한 실리카 나노입자를 대량으로 제조할 수 있다. 또한, 상기 실리카 나노입자의 재성장 과정을 통하여, 실리카 입자의 크기를 2 μm까지 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 실리카 나노입자는 구형이고, 입자끼리의 응집현상이 없으며, 수계에 잘 분산된다.

도 1은, 본 발명의 방법에 따라, 알카리성 완충용액을 사용하여 합성한 지름 5 nm ~ 35 nm의 실리카 나노입자의 TEM 사진이다.
도 2는 도 1의 나노입자를 핵으로 사용하여 재성장(regrowth)시킴으로써 크기를 100 nm, 250 nm로 조절한 실리카 나노입자의 TEM 사진이다.
도 3은 알카리성 완충용액을 사용하여 합성한 지름 20 nm의 실리카 나노입자의 SEM 사진이다.
도 4는 도 3의 나노입자를 핵으로 사용하여 재성장(regrowth)시킴으로써 크기를 100 nm로 조절한 실리카 나노입자의 SEM 사진이다.
도 5는 스퇴버 법으로 합성한 약 40 nm 크기의 실리카 나노입자의 TEM 사진이다.
도 6은 500 mL 용기에서 1회에 합성한 실리카 나노입자의 무게(약 12.73 g)를 측정하는 사진이다.

이하, 다음의 실시예 또는 도면을 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 다음의 실시예 또는 도면에 대한 설명은 본 발명의 구체적인 실시 태양을 특정하여 설명하고자 하는 것일 뿐이며, 본 발명의 권리 범위를 이들에 기재된 내용으로 한정하거나 제한해석하고자 의도하는 것은 아니다.

실시예

먼저 NH₄Cl·NH₃ 완충용액을 제조하였다. 0.24 g의 염화암모늄(NH₄Cl)을 물 330 mL에 충분히 용해시킨 다음, pH 미터기를 사용하여 pH를 측정하였다. pH가 9.0이 되도록 30% 암모니아수 또는 염산으로 조절하였다. 이어서, 물을 추가하여 전체 부피가 350 mL가 되게 하였다. 이렇게 제조된 완충용액 350 mL를 반응 용매로 사용하였다. 상기 반응 용매를 60℃까지 가열한 후 온도가 일정하게 유지되게 하였다. 여기에 실리카 전구체로서 100 mL의 테트라에틸 오르쏘실리케이트(tetraethyl orthosilicate(TEOS))와 50 mL의 사이클로헥산의 혼합용액을 투입한 후, 균일하게 교반하면서 60℃에서 24 h 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 상층의 유기 용매 층을 제거하였다. 반응 결과, 12.73 g 정도의 크기가 25 nm인 실리카 나노입자가 형성되는 것을 TEM, SEM으로 확인하였다. 상기 용액을 25~80℃ 범위에서 온도를 조절하면서 24시간 동안 교반하면 크기를 균일하게 조절할 수 있었다.

이렇게 얻은 나노입자 1 mL를 핵으로 사용하여 물 9 mL와 에탄올 90 mL의 혼합용액에 충분히 분산시켰다. 다음, TEOS 0.5 mL와 암모니아수 2.5 mL를 추가하여 상온에서 24 h 동안 반응시켜 100 nm 크기의 실리카 입자가 형성되었다. 암모니아수의 양을 조절함으로써 나노입자의 크기를 조절할 수 있었다.

비교예

스퇴버법으로 실리카 나노입자를 합성하였다. 물 10 mL와 에탄올 50 mL의 혼합용액에 TEOS를 1 mL 추가하고, 암모니아수 3 mL를 천천히 주입하였다. 상온에서 24 h 동안 교반하면서 반응시켰다. 반응결과 40 nm ~ 70 nm의 크기가 균일하지 못하고 모양이 구형이 아닌 실리카 나노입자가 다량으로 형성되었다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 실리카 나노입자는 생체내, 생체외 실험과 같은 생명, 의학 분야 등에 다양한 용도로 널리 응용될 수 있고, 대량 합성이 가능하기 때문에 각종 기공성 나노재료의 탬플렛 뿐만 아니라 촉매 지지체 등의 분야에도 활용이 가능하다.

Claims

(i) 유기 용매에 실리카 전구체를 녹인 용액을 염기성 완충용액에 첨가하여 가열하는 단계; 및
(ii) 상기 (i) 단계에서 생성된 실리카 나노입자를 분리하는 단계를 포함하고,
상기 염기성 완충용액의 pH는 9-14인 것임을 특징으로 하고,
상기 (i) 단계의 가열 온도를 변화시켜 생성되는 실리카 나노입자의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 균일한 크기의 실리카 나노입자 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 실리카 전구체는 테트라에틸 오르쏘실리케이트, 테트라메톡시실란 및 실리콘 테트라클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 균일한 실리카 나노입자 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 유기 용매는 사이클로헥산, 헥산, 헵탄 및 옥탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 균일한 실리카 나노입자 제조 방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 염기성 완충용액은 NH₄Cl·NH₃ 완충용액, KCl·NaOH 완충용액, 라이신 수용액 및 아르기닌 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 균일한 실리카 나노입자 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 (i) 단계의 가열 온도는 25℃ 내지 80℃인 것임을 특징으로 하는 균일한 실리카 나노입자 제조 방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 실리카 나노입자의 크기는 5 nm 내지 50 nm인 것임을 특징으로 하는 균일한 실리카 나노입자 제조 방법.
제1항에 있어서, 추가로 (iii) 상기 (ii) 단계에서 얻은 실리카 나노입자를 물과 에탄올의 혼합물에 분산시키는 단계; 및
(iv) 상기 (iii) 단계의 분산액에 염기성 촉매를 첨가하여 상기 실리카 나노입자를 재성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 균일한 실리카 나노입자 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 염기성 촉매는 암모니아수인 것임을 특징으로 하는 균일한 실리카 나노입자 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 재성장된 실리카 나노입자의 크기는 60 nm 내지 2,000 nm인 것임을 특징으로 하는 균일한 실리카 나노입자 제조 방법.