[논문]알곤저온플라즈마처리된 고분자표면의 모폴로지에 대한 비교연구

서은덕

알곤저온플라즈마처리된 고분자표면의 모폴로지에 대한 비교연구
Comparative Studies on Morphology of Low Temperature Ar-Plasma-treated Polymer Surfaces 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.16 no.5, 2004년, pp.35 - 41

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Poly(ethylene terephthalate), polyimide(Kapton), and polypropylene surfaces were modified with argon low temperature plasma by RF glow discharge at 240m Torr, 40W to investigate the surface morphological changes due to the plasma treatment using atomic force microscopy(AFM). Analysis of the AFM images and Ra(average roughness) revealed that the plasma treatment resulted in significant ablation on the surfaces. The morphological changes and surface roughness, however, were different depending on material characteristics such as heat stability, presence of amorphous region, swelling phenomenon, and molecular structure of repeating unit. It was assumed that polypropylene due to its tertiary hydrogen was ablated easily compared to poly(ethylene terephthalate), and that polyimide was more resistant to the ablation than PET due to rigid skeleton of imide and stable phenyl ring structure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히 고분자표면의 물리화학적 특성은 생체적합성 소재로의 응용이나 섬유의 기능성 , 촉감, 가공성, 염착 등에 지대한 영향을 미친다. 이 연구에서는 플라즈마처리된 고분자의 표면 특성을 이해하기 위해서 최근에 급속한 발전을 이룬 원자 현미경을 이용하여 PET, PI 및 PP필름표면을 알곤 저온플라즈마로 처리한 후 모폴로지의 변화를 비교조사하였다. 원자현미경은 섬유표면 연구에 많이 이용되는 주사전자현미경(SEM)과 달리 시료표면에 손상을 주지 않고 금이나 백금코팅 같은 전처리과정도 없으며, 나노-스케일의 3차원 영상을 얻을 수 있어 보다 많은 정보를 얻을 수 있는 장점이 있다.

가설 설정

D: PET treated by DMF.

제안 방법

7Hz속도로 실온 40% RH 에서 측정하였다. PET의 경우, PET가 섬유로 사용될 때 감량처리를 행하는 경우가 있으므로 이를 감안하여 플라즈마 처리된 시료가 감량처리과정에서 표면 모폴로지에 미치는 영향을 조사하기 위해서 NaOH용액에서 알칼리감량처리를 행하였다. 알칼리감량처리의 조건은 95℃ 알칼리용액(농도, 10g NaOH/H2O)에서 3시간 처리 후 증류수로 세척하고 진공건조하여 사용하였다.
9%)로 퍼지한 후 유량계를 조절하여 40W, 240mtorr의 플라즈마방전 조건에서 5분간 PET, PP 및 PI필름을 처리하였다. 알곤저온플라즈마처리 (이하 알곤플라즈마로 표기:}된 PET, PI 및 PP의 표면모폴로지는 Auto probe CP Research System의 원자현미경(AFM)을 이용하 non-contacting mode에서 측정하였으며, 주사속도는 PET와 PI의 경우 0.5Hz 속도로, PP의 경우에는 0.7Hz속도로 실온 40% RH 에서 측정하였다. PET의 경우, PET가 섬유로 사용될 때 감량처리를 행하는 경우가 있으므로 이를 감안하여 플라즈마 처리된 시료가 감량처리과정에서 표면 모폴로지에 미치는 영향을 조사하기 위해서 NaOH용액에서 알칼리감량처리를 행하였다.
알칼리감량처리의 조건은 95℃ 알칼리용액(농도, 10g NaOH/H2O)에서 3시간 처리 후 증류수로 세척하고 진공건조하여 사용하였다. 용매에 의한 PET의 표면상태의 변화를 조사하기 위해서 PET필름을 50㎖의 특급시약 DMF(dimethyl formamide)에 침지시켜서 70℃에서 60분 가열 후 다량의 아세톤 특급시약으로 세척하고 진공건조하여 사용하였다.
원자현미경을 이용하여 알곤플라즈마 처리한 PET, PI 및 PP의 표면모폴로지와 평균거칠기 (Ra)를 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
플라즈마처리 조건은 속실렛장치에서 아세톤으로 세척하여 진공 건조된 기질을 튜브형 반응기내에 넣어 전극과 전극사이의 위치시키고 알곤가스(순도99.9%)로 퍼지한 후 유량계를 조절하여 40W, 240mtorr의 플라즈마방전 조건에서 5분간 PET, PP 및 PI필름을 처리하였다. 알곤저온플라즈마처리 (이하 알곤플라즈마로 표기:}된 PET, PI 및 PP의 표면모폴로지는 Auto probe CP Research System의 원자현미경(AFM)을 이용하 non-contacting mode에서 측정하였으며, 주사속도는 PET와 PI의 경우 0.
8cm인 튜브형의 Pjrex반응기와 플라즈마 발생장치로서 1336MHz의 라디오파 발생기(Auto Electric, ST-350)와 여기에 연결된 부하 정합기(LC-5CX)), 유량조절기(MKS MFC₁₁59), 압력측정기(MKS Baratron)로 구성된 용량 결합형이다. 플라즈마처리의 전단계로서 공기의 영향을 배제하기 위하여 진공펌 (Welch Model No. 1400)를 사용하여 반응기 내의 압력을 lOmTorr 이하까지 배기하였다. 반응기 내로의 알곤 가스 주입은 유량 조절기로서 행하였으며 일정압력이 되게 조절하였다.

대상 데이터

이 실험에서 사용된 빈응장치는 이미 발표된 논문에서 보고된 것과 같은, 길이 75cm, 내경 3.8cm인 튜브형의 Pjrex반응기와 플라즈마 발생장치로서 1336MHz의 라디오파 발생기(Auto Electric, ST-350)와 여기에 연결된 부하 정합기(LC-5CX)), 유량조절기(MKS MFC₁₁59), 압력측정기(MKS Baratron)로 구성된 용량 결합형이다. 플라즈마처리의 전단계로서 공기의 영향을 배제하기 위하여 진공펌 (Welch Model No.
반응기 내로의 알곤 가스 주입은 유량 조절기로서 행하였으며 일정압력이 되게 조절하였다. 저온플라즈마표면 개질을 위하여 사용된 기질은 PET(poly ethylene terephthalate, Kolon) 필름과 PI(polyimide, Du Pont의 Kapton H) 필름 및 상업용 isotactic PP(polypropylene)쉬트이었다.

성능/효과

1. PET와 PI의 경우 알곤플라즈마의 식각작용이 무정형영역에 효과적으로 작용되면서 표면 거칠기가 증가함을 볼 수 있었고, 작고 날카로운 봉우리들이 생성되면서 표면상태가 크게 변화하였다. 식각자용에 대한 저항성은 PET에 비해서 PI가 우수하였으며 그 이유는 분자골격의 안정성에 기인하는 것으로 판단 되었다.
2. PET를 알칼리감량처리 하거나 DMF로 용제 처리했을 때 무처리 PET 표면보다도 더욱 평활해 짐은 용제에 의한 팽윤현상에 기인함을 알 수 있었다.
3. PP의 경우, 알곤플라즈마처리에 의해서 표면 거칠기가 감소하면서 평활한 표면으로 개질됨을 알 수 있었으며 이는 분자골격의 유연성, 상대적으로 낮은 열안정성 및 3차 라디칼 구조에 의한 영향이 큰 것으로 판단되었다.
따라서 알곤플라즈마의 영향을 나타내는 것은 B이며 오직 용매만의 효과를 나타내는 것은 D이 며, 폴리머의 감량분해와 플라즈마영향을 복합적으로 나타내는 것은 C이다.
PET와 PI의 경우 알곤플라즈마의 식각작용이 무정형영역에 효과적으로 작용되면서 표면 거칠기가 증가함을 볼 수 있었고, 작고 날카로운 봉우리들이 생성되면서 표면상태가 크게 변화하였다. 식각자용에 대한 저항성은 PET에 비해서 PI가 우수하였으며 그 이유는 분자골격의 안정성에 기인하는 것으로 판단 되었다.
Table 3은 200시간 연속사용 가능한 최고온도범위17)를 나타내었다. 이 자료에서 열안정성의 순서는 polyimide 그 PET > polyolefin임을 알 수 있고 PI가 PET에 비해서 무려 150℃ 정도 높은 것으로 나타나고 있으므로 PI 가 PET에 비해서 알곤플라즈마의 식각작용에 잘 견딜 수 있다는 것을 알 수 있다.
2 B)와 비교하면 PP의 경우에서는 PET 및 PI와는 다른 방식으로 표면이 식각되었음을 나타내고 있다. 즉, PET와 PI의 경우는 플라즈마처리에 의해서 표면이 거칠어져 Ra값이 증가하였으나 무처리PP의 경우 굵은 줄기형상 의 조직이 플라즈마처리에 의해서 작고 오돌오돌한 돌기형태로 변화되면서 표면상태가 오히려 평활해짐을 볼 수 있다. 이러한 사실은 Table 4의 Ra 값을 비교하여도 확인할 수 있다.
즉, 유연성을 갖는 PET의 에틸렌구조에 비해서 PI의 경우는 주연쇄분자골격에 딱딱한 이미드고리 와 페닐고리 분자구조, 그리고 페닐고리의 공명안정화 등이 식각작용에 대하여 효과적으로 저항하는 것으로 판단할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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