유기용매상에서 WCA (Weakly Coordinating Anion) 도입이 양이온성 염료의 내광성 향상에 미치는 영향에 대한 연구

Abstract

양이온성 염료는 일반적으로 우수한 색 특성을 가짐에도 불구하고, 낮은 내광성 때문에 그 응용에 한계가 있다. 특히 색재로 이용하기 위해서는 염료의 광분해로 인한 흡광도 저하와 변질은 치명적인 약점이 된다. 따라서 양이온성 염료의 사용의 확대를 위해서는 낮은 내광성을 보완할 수 있는 보편적인 방법이 필요하다. 이를 위하여 염료 양이온과 약하게 상호작용하는 음이온인 Weakly Coordina-ting Anion (WCA)를 도입하여 염료의 내광성을 향상시키고 그 메커니즘에 대하여 연구하였다. 염료의 상대 음이온으로 WCA 를 도입했을 때 기대할 수 있는 이점은 다음 두 가지가 있다. 첫째로, 양이온성 염료와 상대 음이온 사이의 강한 정전기적 인력을 비교적 세기가 약한 정전기적 인력으로 대체하면 양이온성 염료의 전하 분포가 비편재화되기 때문에 charge site 에 기인하는 불안정성을 감소시킬 수 있다. 둘째로 WCA 의 steric hindrance 로 인하여 양이온성 염료의 불안정한 charge site 와 외부의 분해요소 사이에 공간적인 방해물을 형성한다. 이 때, 상대 음이온인 WCA 의 크기가 크고 charge site 에 대한 가리움 효과를 최대화할 수 있는 구조를 가질수록 내광성 향상에 크게 기여한다. 모든 염료의 거동은 유기용매상에서 진행하였는데, 이는 유기용매의 극성에 따라 염료의 용매화 메커니즘이 달라지기 때문에, 상대 음이온이 염료 모체와 상호작용을 할 수 있는 환경과 그렇지 못한 환경을 조성하기 위함이다. 저극성 용매에서는 양이온과 음이온이 직접적인 상호작용을 하며 거동하지만, 극성 용매에서는 양이온과 음이온이 분리되기 때문에 상호작용을 거의 하지 못한다. 염료의 용매화 메커니즘을 관찰하기 위하여, 각 염료가 용해된 용액의 분광 특성과 전기전도도를 측정하였다. 본 연구에 사용한 양이온성 염료 3 종은 양이온성 염료 중에서도 특히 낮은 내광성을 갖는 염료들로 선정하였고, WCA 는 F layer 로 둘러싸인 구조를 갖는 음이온 2 종과 O-layer 로 둘러싸인 구조를 갖는 음이온 1 종을 선정하여, 총 12 종의 염료의 거동을 관찰하였다. 유기용매 상에서 이 염료들이 용해되었을 때, 상대 음이온이 WCA 로 치환되지 않은 염료보다 치환된 거의 모든 염료의 내광성이 향상되었으며, 특히 양이온성 염료와 상대 음이온이 직접적으로 상호작용할 수 있는 환경인 저극성 용매에서 모든 염료의 내광성이 향상한 것을 관찰하였다. 상대 음이온인 WCA 의 크기가 클수록 내광성을 더 큰 폭으로 향상시켰고, 상대 음이온의 크기가 비슷한 경우에는 분극성이 낮은 F-layer 로 둘러싸인 구조를 갖는 WCA 가 내광성 향상에 효과적이었다. 결과적으로 본 연구를 통하여 양이온성 염료의 상대 음이온에 WCA 를 도입하여 염료의 내광성 향상에 기여하는 것을 확인하였다. 이러한 보편적인 방법으로 양이온성 염료의 물성을 개질함으로써 양이온성 염료의 응용이 확대될 수 있을 것을 기대한다.