이온성 액체
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1. 개요
이온성 액체는 일반적으로 20°C 이하에서 액체 상태를 유지하는 염으로, 1943년 용어 사용이 시작되었다. 1888년 에탄올암모늄 질산염이 최초로 보고되었으며, 1914년 파울 발덴이 에틸암모늄 질산염을 보고하면서 안정적인 실온 이온성 액체의 연구가 시작되었다. 1970~80년대에는 배터리 전해질로 이미다졸륨 및 피리디늄 양이온 기반 이온성 액체가 개발되었으며, 1992년에는 '중성' 약배위 음이온을 가진 이온성 액체가 개발되어 응용 범위를 넓혔다. 이온성 액체는 넓은 전기화학적 창, 낮은 증기압, 낮은 가연성, 다양한 용해도 특성을 가지며, 화학 반응의 용매, 전해질, 윤활제 등 다양한 용도로 활용된다. 이온성 액체는 양이온과 음이온의 종류에 따라 특성이 달라지며, 셀룰로스 용해, 의약품, 바이오폴리머 가공, 핵연료 재처리, 폐기물 재활용 등 광범위한 분야에서 잠재적인 응용 가능성을 보인다. 하지만, 이온성 액체의 독성은 이온 구조에 따라 다르며, 생분해 연구를 통해 환경 오염 문제를 해결하려는 노력이 진행 중이다.
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| 이온성 액체 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| 정의 | 이온으로 구성된 액체 |
| 역사 | 1914년: 최초 보고 1990년대: 용매로서의 잠재력 발견 |
| 특성 | 높은 이온 전도도 무시할 수 있는 증기압 넓은 액체 범위 |
| 물리화학적 특성 | |
| 녹는점 | 일반적인 염: (예: 염화 나트륨) 일부 이온성 액체: 이하 특수한 경우: (예: 다이사이아노아미드 음이온 기반 액체), (예: 피리디늄 기반 액체) |
| 점도 | 다양한 범위 (물보다 높음) |
| 구성 요소 | |
| 양이온 | 알칼리 금속 이온 (예: ) 이미다졸륨 (예: ) 암모늄 피리디늄 |
| 음이온 | 할로겐 이온 (예: ) 테트라플루오로보레이트 헥사플루오로포스페이트 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 다이사이아노아미드 (예: ) |
| 응용 분야 | |
| 용매 | 화학 반응, 추출, 전기화학 |
| 전기화학 | 전해질, 배터리, 연료 전지 |
| 촉매 | 화학 반응 촉매 |
| 기타 | 열전 재료, 윤활제 |
| 추가 정보 | |
| 주의사항 | 특정 이온성 액체의 독성 및 환경 영향에 대한 연구 필요 |
2. 역사
일반적으로 "이온성 액체"라는 용어는 1943년에 처음 사용되었다.[10]
파울 발덴이 1914년에 융점 12도의 Ethylammonium nitrate영어 (CH3CH2NH3NO3)를 발견하여[74] 이온성 액체의 기원을 열었지만, 당시에는 거의 주목받지 못했다.
1950년대에는 이온성 액체의 존재가 인지되어 연구가 진행되었으나, 안정성이 뛰어난 유기 이온 개발에 이르지 못해 한동안 연구가 중단되었다. 1990년대에 들어 전해질의 새로운 재료를 찾는 과정에서 다시 주목받게 되면서 기술 개발이 재개되었다. 최근에는 다양한 용도로 활용될 수 있다는 가능성이 주목받아 대학과 기업 등에서 연구가 활발해지고 있으며, 풍부한 샘플 제공도 이루어지고 있다. 양산 기술 확립도 진행되어 "꿈의 신소재"로서의 평가가 높아지고 있다.
또한, 이온성 액체는 일반적인 액체와 달리 성분 이온이 배열된 나노 구조체라는 견해가 제기되어 구조 분석 연구가 진행되고 있다.
2. 1. 초기 발견
1888년 S. 가브리엘과 J. 와이너는 에탄올암모늄 질산염(녹는점 52–55 °C)을 보고했다.[11] 1911년 레이는 에틸아민 염산염과 질산은의 반응으로 불안정한 에틸암모늄 아질산염을 얻었는데, 이는 실온 이온성 액체의 최초 보고로 추정된다.[12][13] 이후 1914년, 파울 발덴은 최초의 안정적인 실온 이온성 액체 중 하나인 에틸암모늄 질산염(녹는점 12 °C)을 보고했다.[14]2. 2. 발전 과정
1943년, "이온성 액체"라는 용어가 처음 사용되었다.[10] 1970년대와 1980년대에는 알킬 치환된 이미다졸륨 및 피리디늄 양이온을 기반으로 하고, 할로겐화물 또는 사할로알루민산염 음이온을 갖는 이온성 액체가 배터리의 잠재적 전해질로 개발되었다.[15][16]이미다졸륨 할로겐알루민산염은 점도, 녹는점, 산도와 같은 물리적 특성을 알킬 치환기와 이미다졸륨/피리디늄 및 할로겐화물/할로겐알루민산염 비율을 변경하여 조정할 수 있었으나,[17] 수분 민감도와 산성 또는 염기성이라는 단점이 있었다. 1992년, 윌크스와 자와로트코는 육플루오로인산염(PF₆⁻) 및 테트라플루오로붕산염(BF₄⁻)과 같은 '중성' 약배위 음이온을 가진 이온성 액체를 개발하여 응용 범위를 넓혔다.[18]
3. 특징
이온성 액체(IL)는 일반적으로 무색의 점성 액체이다.[19] 전기 전도성은 중간 정도이거나 낮은 편이며, 매우 넓은 전기화학적 창을 가지고 있어 광석의 전기화학적 정제를 가능하게 한다.[19] 증기압은 낮으며, 10−10 Pa까지 낮을 수 있다.[20] 많은 이온성 액체는 낮은 가연성을 보이며 열적으로 안정하다.
이온성 액체의 용해도 특성은 다양하다. 포화된 지방족 화합물은 거의 용해되지 않지만, 알켄은 약간 더 큰 용해도를 보이며, 알데히드는 종종 완전히 혼화된다. 이산화 탄소 기체는 잘 용해되지만, 일산화 탄소는 덜 용해되며, 수소는 약간만 용해된다.
화학 반응에서 이온성 액체와 물 또는 유기 용매의 혼화성은 양이온의 측쇄 길이와 음이온의 선택에 따라 달라진다. 이들은 산, 염기 또는 리간드로 작용하도록 기능화될 수 있으며, 안정적인 카벤을 제조하는 데 사용되는 전구체 염이다.
일부 이온성 액체는 300 °C 근처의 온도에서 진공 조건 하에 증류될 수 있다.[21] 증기는 분리된 이온이 아닌 이온 쌍으로 구성된다.[23]
이온성 액체는 넓은 액체 범위를 가진다. 일부는 매우 낮은 온도(-150 °C)까지 얼지 않으며, N-메틸-N-알킬피롤리디늄 양이온 플루오로설포닐-트리플루오로메탄설포닐이미드(FTFSI)의 경우 유리 전이 온도가 −100 °C 미만에서 감지되었다.[24]
전해질을 첨가하지 않아도 전류를 흐르게 할 수 있으며, 전위 창도 넓다. 이온 전도율은 일반적으로 10-5~10-2 S cm-1 정도이다. 일반적으로 -30℃ 이상 ~ +300℃ 이하의 온도 범위에서 액체 상태를 유지하며, +400℃에서도 물성 변화가 적고, 내열성이 높다. 증기압이 극히 낮고, 불휘발성이며, 화학 반응 후 분리 및 재이용이 용이하다. 거의 증기압이 없기 때문에 불연성 또는 난연성인 경우가 많지만, 모든 이온 액체가 불에 타지 않는 것은 아니다.
이온치고는 점도가 낮다. 이온 종류 선택에 따라 용해성에 다양한 특성을 부여할 수 있다. 어떤 종류는 물과도 유기 용매와도 섞이지 않고 상 분리를 일으켜 "제3의 액체"라고 불리기도 한다. 친수성이 높은 이온 액체도 있으며, 탄소 나노튜브를 잘 분산시키는 이온 액체도 제안되어 매우 광범위한 적응력을 보인다. 또한 열전도 매체로 사용할 수 있는 비열 용량을 갖는다.
4. 종류
이온성 액체는 일반적으로 비대칭적이고 유연한 유기 양이온과 대칭적인 약배위 음이온의 염으로 구성된다.[4] 양이온과 음이온 성분은 모두 다양하게 변화될 수 있다.
이온성 액체는 기본적으로 양이온 종류에 따라 피리딘계, 지환족 아민계, 지방족 아민계의 3가지로 크게 분류된다. 여기에 조합할 음이온의 종류를 선택함으로써 다양한 구조를 합성할 수 있다. 사용되는 양이온에는 이미다졸리움 염류, 피리디늄 염류 등의 암모늄계, 포스포늄계 이온 등이 있으며, 음이온으로는 브롬화물 이온이나 트리플레이트 등의 할로겐계, 테트라페닐보레이트 등의 붕소계, 헥사플루오로포스페이트 등의 인계 등이 있다.
4. 1. 양이온
상온 이온성 액체(RTIL)는 주로 1-알킬-3-메틸이미다졸륨에서 유도된 염이다. 예를 들어 1-에틸-3-메틸-(EMIM), 1-부틸-3-메틸-(BMIM), 1-옥틸-3-메틸-(OMIM), 1-데실-3-메틸-(DMIM), 1-도데실-3-메틸-(dodecylMIM) 등이 있다. 다른 이미다졸륨 양이온으로는 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨(BMMIM 또는 DBMIM)과 1,3-디(N,N-디메틸아미노에틸)-2-메틸이미다졸륨(DAMI)이 있다.다른 N-헤테로고리 양이온은 피리딘에서 유도된 4-메틸-N-부틸-피리디늄(MBPy)과 N-옥틸피리디늄(C8Py)이 있다. 일반적인 4급 암모늄 양이온도 이온성 액체를 형성하는데, 예를 들어 테트라에틸암모늄(TEA)과 테트라부틸암모늄(TBA) 등이 있다.
양이온 종류에 따라 피리딘계, 지환족 아민계, 지방족 아민계의 3가지로 크게 분류된다. 사용되는 양이온에는 이미다졸리움 염류, 피리디늄 염류 등의 암모늄계, 포스포늄계 이온 등이 있다.
4. 2. 음이온
일반적인 이온성 액체의 음이온으로는 테트라플루오로붕산염(BF4⁻), 헥사플루오로인산염(PF6⁻), 비스트리플이미드(NTf₂⁻), 트리플레이트(OTf), 디시안아미드(N(CN)₂⁻), 황산수소염(HSO₄⁻), 에틸 설페이트(EtOSO₃⁻) 등이 있다. 자기적 이온성 액체는 상자성 음이온을 포함시켜 합성할 수 있으며, 이는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라클로로철산염으로 설명된다.[1]음이온의 종류를 선택함으로써 다양한 구조를 합성할 수 있다. 사용되는 음이온으로는 브롬화물 이온이나 트리플레이트 등의 할로겐계, 테트라페닐보레이트 등의 붕소계, 헥사플루오로포스페이트 등의 인계 등이 있다.[1]
4. 3. 특수 이온성 액체
양성자성 이온성 액체는 산에서 염기로 양성자가 이동하여 형성된다.[26] 다른 이온성 액체는 일반적으로 일련의 합성 단계를 거쳐 형성되지만,[2] 양성자성 이온성 액체는 산과 염기를 단순히 혼합하여 더 쉽게 생성할 수 있다.[26]포스포늄 양이온(R4P+)은 덜 흔하지만 몇 가지 유리한 특성을 제공한다.[27][28][29] 포스포늄 양이온의 예로는 트리헥실(테트라데실)포스포늄(P6,6,6,14)과 트리부틸(테트라데실)포스포늄(P4,4,4,14)이 있다.
중합된 이온성 액체, 폴리(이온성 액체) 또는 고분자 이온성 액체는 모두 PIL로 약칭되며, 이온성 액체의 고분자 형태이다.[30] 이온성 액체의 이온성 절반을 가지는 하나의 이온이 고분자 사슬을 형성하기 위해 고분자 부분으로 고정되어 있다. PIL은 이온성 액체와 유사한 응용 범위를 가지지만, 고분자 구조는 이온 전도도를 제어할 수 있는 더 나은 기회를 제공하여, 스마트 재료 또는 고체 전해질 설계를 위한 이온성 액체의 응용 범위를 확장했다.[31][32]
양이온 종류에 따라 피리딘계, 지환족 아민계, 지방족 아민계의 3가지로 크게 분류된다. 여기에 조합할 음이온의 종류를 선택함으로써 다양한 구조를 합성할 수 있다. 사용되는 양이온에는 이미다졸리움 염류, 피리디늄 염류 등의 암모늄계, 포스포늄계 이온, 무계 이온 등이 있으며, 음이온의 채용 예로는 브롬화물 이온이나 트리플레이트 등의 할로겐계, 테트라페닐보레이트 등의 붕소계, 헥사플루오로포스페이트 등의 인계 등이 있다.
5. 용도
이온성 액체(IL)는 낮은 증기압, 낮은 가연성, 열적 안정성, 다양한 용해도 등 독특한 특성으로 인해 기존 유기 용매를 대체할 수 있는 잠재력을 지니며 많은 응용 분야에서 연구되고 있다.[20]
이온성 액체는 전해액 분야에서 가장 큰 기대를 받고 있다. 축전기, 리튬 이온 배터리 등 에너지 저장 장치와 연료 전지, 태양 전지 등 에너지 변환 장치 개발에 기여할 수 있는 소재로 주목받고 있다. 특히, 슈퍼컴퓨터 케이를 이용한 연구에 따르면, 하이드레이트 멜트 형태의 이온성 액체는 높은 전압 내구성과 우수한 리튬 이온 수송 특성을 가져 리튬 이온 배터리용 전해액으로 활용 가능성이 높다.[77]
또한, 환경 부하가 적은 용매로서 도금이나, 높은 내열성을 이용한 반응 용매로도 사용될 수 있다. 우주 개발 분야와 같이 특수한 환경에서 윤활제로 사용될 가능성도 연구되고 있다.[78] 2014년 6월 20일 호도요시 4호에 탑재된 차세대 우주 시스템 기술 연구 조합(NESTRA) 개발 MIPS (소형 이온 추진 시스템) 이온 엔진[79]의 전원으로, 세계 최초로 이온 액체 리튬 2차 전지[80]가 우주 공간에 사용되었다.
5. 1. 상업적 응용
많은 응용 분야가 고려되었지만, 상용화된 것은 거의 없다.[33][34] 이온성 액체는 알킬화를 촉매하여 가솔린 생산에 사용된다.[35][36]
테트라알킬포스포늄 아이오다이드를 기반으로 하는 이온성 액체는 트리부틸틴 아이오다이드의 용매이며, 이는 부타디엔의 모노에폭사이드를 재배열하는 촉매 역할을 한다. 이 공정은 2,5-다이하이드로푸란 생산 경로로 상용화되었지만, 나중에 중단되었다.[37]
5. 2. 잠재적 응용
이온성 액체는 다음과 같은 다양한 분야에서 활용될 잠재력을 가지고 있다.- 촉매: 이온성 액체는 팔라듐 나노 입자의 촉매 성능을 향상시키며,[38] N-헤테로고리 카벤 (NHC)을 생성하는 전구체로 사용되어 벤조인 축합 반응 등 다양한 화학 반응을 촉진한다.[39]
- 의약품: 이온성 액체는 의약품의 새로운 형태로 연구되고 있으며, 두 가지 약물의 효과를 결합한 이중 활성 이온성 액체를 만들 수 있다.[40][41] 또한, 개똥쑥에서 말라리아 치료제인 아르테미시닌을 추출하는 등 식물에서 유용한 화합물을 추출하는 데 사용될 수 있다.[42]
- 바이오폴리머 가공: 이온성 액체는 셀룰로스를 용해하는 데 사용될 수 있으며, 이는 라이오셀 공정과 같은 친환경적인 섬유 생산 기술의 기반이 된다.[43] 셀룰로스를 포도당 에스테르, 소르비톨 등 더 가치 있는 화학 물질로 전환하는 데에도 활용된다.[45] 키틴, 키토산, 전분, 알긴산염 등 다른 생체 고분자의 가공에도 응용될 수 있다.[48][49]
- 핵연료 재처리: 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드 이온성 액체는 사용후 핵연료에서 우라늄 및 기타 금속을 회수하는 데 연구되고 있다.[51]
- 태양열 에너지: 이온성 액체는 태양열 에너지 시스템에서 열을 전달하고 저장하는 매체로 사용될 수 있다. 특히, [C4mim][BF4]와 같은 이온성 액체는 넓은 온도 범위에서 액체 상태를 유지하여 효율적인 열 저장 및 전달을 가능하게 한다.[52]
- 폐기물 재활용: 이온성 액체는 플라스틱 쓰레기에서 고분자를 분리하거나 금속을 분리하는 등 폐기물 재활용 공정에 활용될 수 있다.[53]
- 배터리: 금속 공기 전지에서 이온성 액체는 물을 대체하는 전해질로 사용될 수 있으며, 높은 에너지 밀도를 가진 배터리 개발에 기여할 수 있다.
- 분산제: 이온성 액체는 페인트나 나노물질의 분산을 돕는 분산제로 사용될 수 있다.[56]
- 탄소 포집: 이온성 액체는 이산화 탄소를 포집하고 가스 정제 및 천연 가스 정제에 활용될 수 있다.[57][58][59]
- 윤활: 이온성 액체는 마찰과 마모를 줄이는 윤활제로 사용될 수 있으며, 특히 트라이보트로닉스 응용 분야에 적합하다.[60][61][62][63] 기존 윤활유에 첨가제로 사용되어 성능을 향상시킬 수도 있다.
- 전해액: 이온성 액체는 축전기, 리튬 이온 배터리, 연료 전지, 태양 전지 등 다양한 에너지 저장 및 변환 장치의 전해액으로 주목받고 있다. 특히, 리튬 이온 배터리용 전해액으로 적용 가능성이 높다.[77]
- 기타: 도금, 우주 개발[78], MIPS (소형 이온 추진 시스템)[79] 등 다양한 분야에서 활용될 가능성이 있다.
6. 셀룰로스 용매로서의 이온성 액체
셀룰로스를 이온성 액체(IL)로 용해하는 것은 많은 관심을 받고 있다.[43] 1930년 특허 출원에서는 1-알킬피리디늄 클로라이드가 셀룰로스를 용해한다는 것을 보여주었다.[44] 이는 펄프와 종이의 용매로 수화된 N-메틸모르폴린 N-옥사이드를 사용하는 라이오셀 공정의 뒤를 이은 것이다.
이온성 액체를 사용하면 셀룰로스를 더 가치 있는 화학 물질로 전환하는 "가치 증진"을 이룰 수 있다. 대표적인 제품으로는 포도당 에스테르, 소르비톨, 알킬글리코시드가 있다.[45] 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드는 냉동 건조된 바나나 펄프를 용해하며, 15%의 디메틸 설폭사이드를 추가하면 탄소-13 NMR 분석에 적합하다. 이러한 방식으로 전분, 수크로스, 포도당, 과당의 전체 복합체를 바나나 숙성의 함수로 모니터링할 수 있다.[46][47]
이온성 액체는 셀룰로스 외에도 키틴/키토산, 전분, 알긴산염, 콜라겐, 젤라틴, 케라틴, 피브로인과 같은 다른 생체 고분자의 용해, 추출, 정제, 처리 및 변형에도 활용 가능하다.[48][49] 예를 들어, 이온성 액체는 다양한 형태(스펀지, 필름, 미세 입자, 나노 입자, 에어로겔 등)의 생체 고분자 물질을 제조할 수 있으며, 생체 고분자 기반 약물/유전자 전달체로 이어지는 더 나은 생체 고분자 화학 반응을 가능하게 한다.[49] 또한, 이온성 액체는 높은 효율과 치환도(DS)를 가진 화학적으로 변형된 전분의 합성을 가능하게 하며, 열가소성 전분, 복합 필름, 고체 고분자 전해질, 나노 입자 및 약물 전달체와 같은 다양한 전분 기반 재료 개발을 이끌어 낸다.[50]
6. 1. 셀룰로스 용해의 의의
최근 석유 자원의 고갈과 환경 문제로 인해, 석유를 대체할 재생 가능 자원으로서 바이오매스 활용이 주목받고 있다. 다양한 바이오매스 중에서도 식물 세포벽의 주성분 중 하나인 셀룰로스는 비(非)식용 바이오매스로서 중요한 위치를 차지한다. 셀룰로스는 옥수수와 같은 식용 바이오매스와 달리 식량으로 이용할 수 없기 때문에 식량 생산과 경쟁하지 않는다는 큰 장점이 있다.셀룰로스는 바이오에탄올과 같은 바이오 연료나 섬유, 막 등의 재생 가능 재료로 성형하여 사용할 수 있다. 셀룰로스를 성형하려면 먼저 용해시킨 후 석출시켜야 하는데(이러한 셀룰로스를 재생 셀룰로스라고 부른다), 이때 셀룰로스를 용해하는 것이 어렵다는 문제가 있다. 셀룰로스는 분자 간의 수소 결합력이 강하기 때문에 용해하기 어렵고, 이는 셀룰로스를 연료로 생화학적·화학적 변환하는 것을 어렵게 만든다.
이러한 문제를 해결하기 위한 이상적인 용매 중 하나로 이온성 액체가 제안된다. 이온성 액체는 온화한 조건에서 셀룰로스를 비교적 신속하게 용해하는 우수한 용매[84]로 인식되고 있다. 다른 용매는 고온이나 높은 pH와 같은 가혹한 조건이 필요하지만, 이온성 액체를 사용하면 용해에 필요한 에너지 비용을 줄이고 셀룰로스 분자량 저하를 억제할 수 있다는 장점이 있다.
이온성 액체를 이용한 셀룰로스 용해는 1930년대 특허 출원[44]에서 처음으로 언급되었으며, 1934년 Graenacher의 특허[81][82]에서 구체적인 예시가 제시되었다. 그러나 이후 오랫동안 잊혀졌다가 2002년 Rogers 등에 의해 재발견되어 학술 논문으로 보고[83]되면서 다시 주목받기 시작했다.
6. 2. 용해 메커니즘
셀룰로스는 분자 간 수소 결합이 강해 용해하기 어렵다. 하지만 이온성 액체의 양이온과 음이온이 상호작용하여 셀룰로스 분자 간의 수소 결합을 흩뜨려 용해할 수 있다.[85] 이온성 액체와 셀룰로스 사이에서 가장 강한 상호작용은 이온성 액체의 음이온과 셀룰로스의 OH기 사이에 생기는 수소 결합이다. 이 음이온의 수소 결합력은 수소 결합 수용 능력으로 대략 정의할 수 있으며, 대표적인 값은 Kamlet-Taft 파라미터의 β값으로 측정할 수 있다. 음이온의 높은 수소 결합 수용 능력이 셀룰로스 용해에 중요하며, 약 0.8 이상의 β값을 가진 이온성 액체가 셀룰로스를 용해할 수 있다. 양이온도 상대적으로 약하게 수소 결합을 하는 것으로 생각되지만, 그 기여는 작다고 생각된다. 양이온은 음이온에 의해 떨어져 나간 셀룰로스 분자 사슬 사이로 들어가 셀룰로스 분자 사슬 간의 수소 결합 재형성을 저해한다는 보고도 있다.[86] 그러나 셀룰로스의 용해 메커니즘은 아직 밝혀지지 않은 부분도 있다.
6. 3. 적합한 이온성 액체 구조
이온성 액체의 셀룰로스 용해 능력은 음이온과 양이온의 구조에 의존한다. 적합한 음이온은 수소 결합 수용 능력이 높은 것이다(예: chloride[83], methylphosphonate[84], acetate[87]). 적합한 양이온은 이온 크기가 비교적 작고 평면 구조를 갖는 것이다(예: 1-에틸-3-메틸이미다졸륨[84]).
7. 독성
이온성 액체는 이온 구조에 따라 독성이 다양하며, 살균제로 사용될 정도로 독성이 높은 것부터 유기 용매보다 독성이 낮은 것까지 존재한다.[93] 이온성 액체가 세포에 대해 독성을 나타내는 주된 원인 중 하나는 이온성 액체에 의한 세포막 파괴이다.[91] 세포막 파괴에는 이온성 액체 양이온의 정전하와 알킬 사슬 길이가 크게 관여한다. MD 시뮬레이션에 따르면, 양이온이 세포막의 인지질 음이온 부위에 정전기적 상호작용으로 끌린 후, 알킬 사슬이 세포막 인지질의 소수성 부분과 소수성 상호작용을 일으켜 막 안으로 파고들어 세포막을 파괴한다. 따라서 양이온의 알킬 사슬이 길수록 세포막에 축적되기 쉬워 독성이 강해진다.
''락토바실러스 람노서스''(Lactobacillius rhamnosus) 등의 유산 생성균이나 ''비브리오 피셔리''(Vibro fischeri), 대장균, ''피치아 파스토리스''(Pichia pastoris), 바실루스 세레우스 등에 대한 독성 연구 결과, 이온성 액체의 양이온 알킬 사슬이 길수록 독성이 지수 함수적으로 증가하는 경향을 보였다.[92] 대장균에 대한 이온성 액체와 유기 용매의 독성을 비교한 결과, 이온성 액체의 종류에 따라 독성이 크게 달랐다.[93] 예를 들어, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트([C2mim]BF4)의 EC50(값이 낮을수록 독성이 높음)는 35,000 mg/L, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([C6mim][NTf2])의 EC50는 150 mg/L였다. 유기 용매의 EC50도 다양하여(다이메틸 설폭사이드: 약 63,000 mg/L, 에탄올: 약 16,000 mg/L, 아세톤: 약 11,000 mg/L, 에틸벤젠: 약 50 mg/L) 어느 쪽이 더 독성이 높다고 단정할 수 없다.
동물 실험에서도 양이온의 알킬 사슬 길이가 독성에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다.[92] 담수산 유폐류 복족류인 ''Physa acuta''에 대한 독성 실험 결과, 이미다졸륨이나 피리디늄과 같은 양이온 종류에 관계없이 알킬 사슬의 탄소수가 길수록 독성이 높았다. 예를 들어, 1-알킬-3-메틸이미다졸륨 브로마이드에서 알킬기의 탄소수가 4일 때 LC50은 229 mg/L, 6일 때는 56 mg/L, 8일 때는 8 mg/L이었다.
제브라피시 노출 실험에서 AMMOENG 100 또는 AMMOENG 130 (암모늄계 이온 액체)의 LC50 값은 100 mg/L 이상이었으나, 10 mg/L 첨가 시 평형 감각 손실, 운동량 감소 등의 결과가 보고되었다.[92]
[C4mim]Cl을 사용한 쥐 경구 투여 실험에서는 175 mg/kg 투여 시 체중 증가 외 건강 상태 영향은 없었으나, 550 mg/kg 투여 시 4마리 중 1마리가 사망했고, 2,000 mg/kg 투여 시 모든 쥐가 1일 이내에 사망했다. 쥐 피부에 2,000 mg/kg의 [C4mim]Cl을 도포한 실험(증류수 용해)에서는 1~3일째 홍반, 부종 등의 피부 증상이 관찰되었지만 14일 동안 모든 쥐가 생존했고 건강 상태도 양호했다. DMF에 용해한 경우, 수컷 5마리 중 2마리, 암컷 5마리 모두 사망했고, 생존한 수컷에게도 자발 운동 억제, 변량 감소 등의 증상이 나타났다.[94]
생물 유래 구조를 가진 콜린 양이온과 아세트산 음이온 또는 아미노산 음이온을 가진 이온성 액체는 비교적 독성이 낮다고 알려져 있다.[95][96] 콜린 아세트산염이 대장균 대사를 저해하는 반면, 양이온과 음이온을 공유 결합으로 연결한 쯔비터 이온형 이온성 액체는 대사를 저해하지 않아 독성이 매우 낮은 것으로 보고되었다.[90] 이 이온성 액체는 저독성 유기 용매로 알려진 다이메틸 설폭사이드보다도 독성이 낮다.
8. 생분해
이온성 액체의 생분해 연구는 환경 중 이온성 액체의 축적을 줄이기 위해 필수적이다. 생분해성이 높으면 인간이나 동물에 대한 이온성 액체의 중장기 노출량을 줄일 수 있다. 일반적인 이미다졸륨계나 피리디늄계 이온성 액체는 빠른 생분해(예: 5일)가 어렵다.[92] 반면, 28일 정도의 중기에는 생분해성을 나타내는 것으로 알려져 있다.[97] 이온성 액체의 생분해성은 양이온과 음이온 모두 중요하며, 어느 한쪽만 바뀌어도 생분해성이 변화한다. 흥미롭게도, Cl 음이온에서 Br 음이온으로 변화시키는 것만으로 생분해성이 향상되는 경우도 보고되고 있다.[97] 최근에는 높은 생분해성을 기대하며 천연 유래 성분(콜린 양이온, 카르복실산 음이온, 아미노산 음이온 등)을 이용한 이온성 액체 연구도 주목받고 있다.[97]
9. 이온 액체 연구회
이온 액체 연구회에서 발행하는 온라인 잡지 "이온성 액체 연구회 서큘러"를 통해 이온성 액체에 관한 전문가들의 다양한 정보를 무료로 얻을 수 있다. 2013년부터 연 2회 발행되며, 특집 기사, 연구회 개최 보고, 관련 학회 참가 보고, 유학 체험기, 연구실 소개, 관련 학회 일정 등으로 구성된다. 이온 액체 연구회 페이지에서 열람할 수 있다.
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