나노 및 마이크로 크기의 콜로이드 입자는 입자 간 상호작용을 통해 자발적으로 조립하여 결정, 사슬, 클러스터와 같은 정렬된 초구조를 형성한다. 이러한 콜로이드 초구조는 개별 입자에서는 관찰되지 않는 복잡한 구조와 집합적 특성으로 인해 새로운 나노 소재로서 활발히 연구되고 있다. 특히 콜로이드 입자 사이에 양 방향 인력과 그에 수직한 반발력이 작용하는 경우 선형의 초콜로이드 사슬을 조립할 수 있다. 예를 들어, 자기 및 정전기 쌍극자를 가진 콜로이드 입자들은 쌍극자 간 상호작용을 통해 초콜로이드 사슬로 조립되며 이 과정에서 리간드 사이의 반발력에 의해 수직한 응집은 억제된다. 초콜로이드 사슬은 구성 입자와는 구분되는 집합적, 구조적 특성으로 다양하게 응용될 수 있다. 입자 간 상호작용을 통해 플라즈몬 및 자기 커플링 특성을 보이는 초콜로이드 사슬은 전기적, 자기적 응용에 활용될 수 있으며, 초콜로이드 사슬의 극도로 비등방적인 선형 구조는 일차원 광결정, 유변학적 유체, 콜로이드 모터 등에 응용 가능한 광학적, 기계적 특성을 부여한다.
콜로이드 입자 표면에 화학적, 물리적으로 구분되는 영역인 패치를 도입하는 방법 또한 입자의 선형 조립을 위한 효과적인 전략이다. 양 방향 조립을 위해서는 각 입자마다 두 개의 패치가 요구되며 이러한 패치는 수소 결합, 호스트-게스트 상호작용, 소수성 상호작용 등 다양한 화학적 상호작용을 통해 입자 사이의 인력을 유발한다. 특히, 블록 공중합체 마이셀 표면에 코로나의 미세상 분리를 통해 패치를 도입하여 초콜로이드 사슬로 조립할 수 있다.
콜로이드 단량체가 반복되어 선형으로 조립된 초콜로이드 사슬은 전통적인 고분자의 나노크기 유사체로 비유할 수 있으며, 이러한 관점에서 초콜로이드 사슬의 거동을 고분자의 전통적인 이론으로 설명할 수 있다. 초콜로이드 사슬의 조립 과정의 경우 고분자 중합 이론인 단계 및 연쇄 중합 메커니즘을 통해 설명한 연구들이 보고되었다. 또한 초콜로이드 사슬의 크기를 경로 길이 (contour length), 양 끝 간 거리(end-to-end distance), 반경(radius of gyration)과 같은 고분자의 크기 척도로 정의할 수 있으며 이를 기반으로 초콜로이드 사슬의 유연성과 형태를 freely jointed chain, worm-like chain 모델과 같은 고분자 사슬 모델로 설명할 수 있음이 보고되었다. 이러한 고분자와의 유사성에 기반한 분석은 요구되는 특성과 구조를 가지는 초콜로이드 사슬의 조립을 위한 기초 연구로서 중요한 의미를 가진다. 나아가 전통적인 고분자에 적용된 다양한 가공 및 기능화 방법을 적용하여 초콜로이드 사슬의 응용 영역을 넓힐 수 있다.
본 학위논문에서는 전통적인 고분자의 유사체로서의 PS-b-P4VP 이중블록 공중합체 마이셀 초콜로이드 사슬의 거동을 주로 다룬다. 구형의 PS-b-P4VP 마이셀을 콜로이드 단량체인 패치 마이셀로 변화시키고 패치 사이의 소수성 상호작용을 통해 조립하여 초콜로이드 사슬을 조립하였다. 본 논문은 초콜로이드 사슬의 형성 과정과 물리적 특성을 이해하고 가공 및 기능화를 통해 응용 전략을 제시하는 것을 목적으로 한다. 제 2 장에서는 초콜로이드 사슬의 조립 과정을 논의한다. 수평균 중합도의 선형적 증가와 2 로 근접하는 다분산지수의 변화로부터 패치 마이셀이 단계 중합(step-growth polymerization)의 메커니즘을 따라 초콜로이드 사슬로 중합됨을 확인하였다. 조립 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 농도를 조절하여 중합 속도를 조절하고 고리 형태 초콜로이드 사슬을 중합하였다. 패치 마이셀이 패치의 용해도 감소로 인해 중합되므로 물 함량 및 패치 크기가 증가함에 따라 빠르게 중합됨을 확인하였다. 제 3 장에서는 초콜로이드 사슬의 유연성과 형태를 분석하였다. 초콜로이드 사슬의 지속 길이(persistence length)를 평가하여 초콜로이드 사슬이 세미유연성(semi-flexible)임을 확인하였으며, 전통적인 고분자와 마찬가지로 초콜로이드 사슬의 형태가 worm-like chain 모델로 설명됨을 확인하였다. 세미유연성 초콜로이드 사슬을 코팅하여 다공성 자기 지지 필름을 제조하였다. 제 4 장에서는 초콜로이드 사슬의 단량체로서 코발트 나노입자를 포함한 PS-b-P4VP 마이셀을 보고하였다. 코발트 나노입자를 PS-b-P4VP 로 감싸 코발트 나노입자-P4VP 쉘-PS 코로나로 구성된 구형 마이셀을 유도하였다. P4VP 쉘을 가교한 후 PS 코로나의 상분리를 유도하여 표면에 패치를 유도하였다. 최종적으로 패치 마이셀 용액에 물을 첨가하여 초콜로이드 사슬을 조립하였다. 이 과정에서 침전을 막기 위해 P4VP 쉘을 CH₃I 과 반응시켜 추가적인 반발력을 도입하였다.