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유-무기 하이브리드 코팅 용액을 이용한 고굴절 하드코팅 막의 제조
Preparation of Hard Coating Films with High Refractive Index using Organic-Inorganic Hybrid Coating Solutions 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.52 no.3, 2014년, pp.388 - 394  

최진주 (건양대학교 화공생명학과) ,  김남우 (건양대학교 화공생명학과) ,  안치용 (건양대학교 화공생명학과) ,  송기창 (건양대학교 화공생명학과)

초록
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출발물질인 TTIP로부터 이산화티탄 졸을 합성하여 무기물로 사용하고 유기물로서 실란커플링제인 methacryloxypropyl trimethoxysilane (MPTMS), aminopropyl triethoxysilane (APS), glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTMS), vinyltriethoxysilane (VTES)을 2종 혹은 3종씩 복합 사용하여 유-무기 하이브리드 코팅 용액을 제조하였다. 그 후 코팅 용액을 기재인 PC시트 위에 스핀 코팅시키고, 열경화 시켜 하드코팅 막을 제조하였다. 2종 실란커플링제를 혼합하여 제조된 코팅 막들은 기재와의 부착력과 연필경도가 우수하지 못했으나, 3종 실란커플링제를 혼합하여 제조한 코팅 막은 2H~4H의 향상된 연필경도와 5B의 우수한 부착력을 나타내었다. 이산화티탄 졸의 첨가량이 20 g인 코팅 막의 굴절률은 550 nm에서 1.56을 나타내었으나 이산화티탄 졸의 첨가량을 20 g에서 30 g으로 증가시킨 경우, 코팅 막의 굴절률이 1.63으로 향상되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Inorganic-organic hybrid coating solutions were synthesized using titania sol from titanium isopropoxide (TTIP) as an inorganic component and mixture of two or three types of silane coupling agents, such as methacryloxypropyl trimethoxysilane (MPTMS), aminopropyl triethoxysilane (APS), glycidoxyprop...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 0 mole로 조정하여 제조된 하드코팅 용액의 조성을 나타내고 있다. 2종 실란커플링제는 MPTMS를 기본으로 하고 APS, GPTMS, VTES 중의 하나의 실란커플링제를 사용하여 7:3 혹은 3:7의 몰 비로 제조하였다. 이때 혼합 실란커플링제의 조성 변화가 코팅용액의 상태 및 코팅막의 연필경도 및 부착력에 미치는 영향을 Table 2로나타내었다.
  • ASTM D 3359[7]에 근거하여 경화된 코팅 층에 cutter로 바둑판 모양의 홈을 낸 후 그 위에 3 M 테이프를 잘 밀착시켜 일정한 힘으로 수회 떼어내어 코팅 층과 기재와의 밀착정도를 관찰하였다. 코팅된 지지체표면에 1 mm 간격으로 11×11로십자형으로칼집을내어 100개의 정방형을 만들고, 그 위에 테이프(3M Tape)를 부착한 후 급격히 잡아당겨 표면을 평가하였다.
  • Light scattering을이용한입도분석기(Nicomp, model 380, USA)를 이용하여 이산화티탄 졸의 입도를 측정하였고, 이산화티탄 졸의 결정구조 분석을 위해 이산화티탄 졸을 건조 후 120 oC에서 열처리하여 분말로 만든 후 이것을 XRD (D/Max-IIIC, Rigaku)를 사용하여 결정구조를 측정하였다.
  • PC 기재 위에 코팅된 막의 미세구조를 관찰하기 위하여 코팅 막의 표면 형상을 주사전자현미경(SEM, MIRA LMH, TESCAN)을 사용하여 관찰하였으며, 3,000배의 배율로 확대하여 미세구조를 관찰하였다.
  • 그러나 거의 모든 조성에서 PC 시트와 코팅막 사이의 부착력이 좋지 못하다는 문제점을 보고하였다. 본 연구에서는위의 연구에서 문제가 되었던 부착력을 향상시키기 위해 출발물질로서 TTIP를 사용하여 이산화티탄(TiO2) 졸을 합성하여 무기물로 사용하고 유기물로서 Cheong 등의 연구와는 달리 MPTMS, APS, GPTMS, VTES 등의 실란커플링제를 2종 또는 3종으로 복합으로 사용하여 고굴절률을 보이는 유-무기 하이브리드 하드코팅 용액을 제조하였다. 이 과정에서 사용하는 실란커플링제의 종류 및 몰 비율 등의 조성변화가 코팅 막의 연필경도, 부착력, 굴절률 등의 물성에 미치는 영향을 조사하였다.
  • 연필경도는 연필경도 측정기(CT-PC1, CORE TECH, Korea)에 연필경도 측정용 연필을 45o 각도로 끼우고, 일정한 하중(1 kg)을 가하면서 이것을 밀어 측정하였다. 연필은 Mitsubishi 연필을 사용하였는데, H-9H, F, HB, B-6B 등의 강도를 나타내는 연필을 사용하였다.
  • 본 연구에서는위의 연구에서 문제가 되었던 부착력을 향상시키기 위해 출발물질로서 TTIP를 사용하여 이산화티탄(TiO2) 졸을 합성하여 무기물로 사용하고 유기물로서 Cheong 등의 연구와는 달리 MPTMS, APS, GPTMS, VTES 등의 실란커플링제를 2종 또는 3종으로 복합으로 사용하여 고굴절률을 보이는 유-무기 하이브리드 하드코팅 용액을 제조하였다. 이 과정에서 사용하는 실란커플링제의 종류 및 몰 비율 등의 조성변화가 코팅 막의 연필경도, 부착력, 굴절률 등의 물성에 미치는 영향을 조사하였다.
  • 3-2절에서 2종 실란커플링제를 혼합하여 제조된 코팅 막들은 기재와의 부착력과 연필경도가 우수하지 못했다. 이런 단점을 보완하기 위해서 본 절에서는 2종 실란커플링제 실험에서 부착력이 좋지 못했던 GPTMS를 제외하고 MPTMS, APS와 VTES의 3종 실란커플링제를 혼합하여 제조한 하드코팅 용액의 조성과 코팅 막의 물성을 각각 Table 3과 4로 나타내었다.
  • 1로 나타내었다. 이렇게 제조된 20 g의 이산화티탄 졸에 MPTMS, APS, GPTMS, VTES 등의 실란커플링제를 2종 또는 3종으로 첨가한 후 이산화티탄 졸 내의 TTIP의 가수분해를 위하여 4 mole의 증류수를 첨가하여 반응시켰으며 이 때 안정한 상태의 용액이 될 때 까지 30 min 동안 반응시켰다. 그 후 용액의 균질화를 위해 용매인 메탄올 10 mole을 첨가하여 24 hr 동안 교반하였으며, 제조된 코팅 용액들의 도막 형성을 위해 두께 2 mm의 PC 기판 위에 3,500 rpm에서 1 min 동안 스핀 코팅(spin-coating)을 실시하여 120 oC에서 1 hr 동안 열 경화시켜 코팅 막을 제조하였다.
  • 제조된 용액 내의 고형물 함유량을 측정하기 위해 105 oC에서 적 외선 습윤계(FD-610, Kett, Japan) 분석을 실시하였다.
  • 출발물질인 TTIP를 용매인 메탄올에 용해시킨 후, 촉매인 HCl를 첨가하여 이산화티탄 졸을 제조한 후, 실란커플링제인 MPTMS, APS, GPTMS, VTES를 2종 혹은 3종씩 복합 사용하여 고굴절 하드코팅 용액을 제조하였다. 코팅용액을 기재인 PC시트 위에 스핀 코팅시키고, 열경화 시켜 하드코팅 막을 제조하였다.
  • 코팅된 지지체표면에 1 mm 간격으로 11×11로십자형으로칼집을내어 100개의 정방형을 만들고, 그 위에 테이프(3M Tape)를 부착한 후 급격히 잡아당겨 표면을 평가하였다.
  • 코팅막의굴절률은 silicon wafer 위에코팅된코팅막을 ellipsometer (M2000D, RCT)를 이용하여 측정하였으며, 입사광의 각도는 70o로 하여 200~1,000 nm (nd)의 파장에서 굴절률을 측정하였다.

대상 데이터

  • 9%, Samchun Chemical)을 사용하였고, 촉매로서 염산(HCl, 35~37%, Samchun Chemical)을 사용하였다. 또한 실란커플링제로는 glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTMS, 98%, Aldrich), methacryloxypropyl trimethoxysilane (MPTMS, 98%, Aldrich), aminopropyl triethoxysilane (APS, 99%, Tokyo Chemical Industry) 및 vinyltriethoxysilane (VTES, 97%, Samchun Chemical)을 사용하였다. 사용된 시약들은 정제 및 약품처리 과정 없이 그대로 사용하였다.
  • 본 연구에서는 이산화티탄 졸의 제조를 위한 출발물질로서 titanium tetraisopropoxide (TTIP, 97%, Aldrich), TTIP를 용해시키기 위한 용매로서 메탄올(MeOH, 99.9%, Samchun Chemical)을 사용하였고, 촉매로서 염산(HCl, 35~37%, Samchun Chemical)을 사용하였다. 또한 실란커플링제로는 glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTMS, 98%, Aldrich), methacryloxypropyl trimethoxysilane (MPTMS, 98%, Aldrich), aminopropyl triethoxysilane (APS, 99%, Tokyo Chemical Industry) 및 vinyltriethoxysilane (VTES, 97%, Samchun Chemical)을 사용하였다.
  • 상온에서 TTIP 0.068 mole을 용매인 메탄올(MeOH) 0.624 mole에 용해시킨 후 촉매인 HCl 0.029 mole을 첨가하여 1 hr 동안 교반시켜 투명한 이산화티탄 졸을 제조하였으며, 이 이산화티탄 졸의 용액 상태를 Fig. 1로 나타내었다. 이렇게 제조된 20 g의 이산화티탄 졸에 MPTMS, APS, GPTMS, VTES 등의 실란커플링제를 2종 또는 3종으로 첨가한 후 이산화티탄 졸 내의 TTIP의 가수분해를 위하여 4 mole의 증류수를 첨가하여 반응시켰으며 이 때 안정한 상태의 용액이 될 때 까지 30 min 동안 반응시켰다.
  • 각도로 끼우고, 일정한 하중(1 kg)을 가하면서 이것을 밀어 측정하였다. 연필은 Mitsubishi 연필을 사용하였는데, H-9H, F, HB, B-6B 등의 강도를 나타내는 연필을 사용하였다.
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참고문헌 (11)

  1. Lee, M. S. and Jo, N. J., "Abrasion-Resistance and Optical Properties of Sol-Gel Derived Organic-Inorganic Hybrid Coatings," J. Korean Ind. Eng. Chem., 12(6), 643-648(2001). 

  2. Kwak, S., Shim, J., Yoon, H. G. and Lee, K. H., "Inorganic Thin Film Coating on the Display Plastic Substrate," Polymer Sci. Tech., 14(2), 181-191(2003). 

  3. Mackenzie, J. D. and Bescher, E. P., "Physical Properties of Sol-Gel Coatings," J. Sol-Gel Sci. Tech., 19, 23-29(2000). 

  4. Schottner, G., Rose, K. and Posset, U., "Scratch and Abrasion Resistant Coatings on Plastic Lenses-State of the Art, Current Developments and Perspectives," J. Sol-Gel Sci. Tech., 27, 71-79(2003). 

  5. Kim, S. W., "Characterization of UV Curable Hybrid Hard Coating Materials Prepared by Sol-Gel Method," Korean J. Chem. Eng., 28(1), 298-303(2011). 

  6. Cheong, I. Y., Cho, K. I., Cheong, S. H., Park, H. N. and Song, K. C., "Preparation of Hard Coating Solutions with High Refractive Index for Polycarbonate Sheet by the Sol-Gel Method," Korean Chem. Eng. Res., 45(4), 335-339(2007). 

  7. ASTM D 3359, "Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test," ASTM International, 927-929(1997). 

  8. Song, K. C. and Pratsinis, S. E., "The Effect of Alcohol Solvents on the Porosity and Phase Composition of Titania," J. Colloid Interface Sci., 231, 289-298(2000). 

  9. Ji, Y. J., Shin, Y. J., Shin, Y. R., Kim, J. Y., Yoon, Y. S. and Shin, J. S., "Hard Coatings on Polycarbonate Plate by Sol-Gel Reactions of [3-(methacryloyloxy)propyl]trimethoxysilane," J. Adhesion & Interface, 7(1), 10-15(2006). 

  10. Park, S. J., Jin, J. S. and Lee, J. R., "Enhancement of Interfacial Adhesion of Glass Fibers-reinforced Unsaturated Polyester Matrix Composite : Effect of 3-methacryloxypropyltrimethoxy Silane Treatment Containing 3-aminopropyltriethoxy Silane," J. Korean Ind. Eng. Chem., 12(2), 143-147(2001). 

  11. Lee, S. Y., "A Study on Preparation of Organic-Inorganic Hybrid Films using Sol-Gel Method,"Master Dissertation, KAIST, Daejeon(1998). 

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