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저온 졸-겔 법을 이용한 투명 하드코팅 필름용 ZrO2/TiO2/Organosilane 복합체 연구
ZrO2/TiO2/Organosilane Hybrid Composites via Low Temperature Sol-Gel Process for Hard and Transparent Coating 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.35 no.1, 2018년, pp.80 - 88  

이수현 (삼육대학교 화학과) ,  최종완 (삼육대학교 화학과)

초록
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본 연구에서는 투명도와 기계적 특성을 향상시키기 위해 저온 공정의 졸-겔 법을 이용하여 하이브리드 복합체의 코팅 박막을 제조하였다. 하이브리드 복합체로는 $ZrO_2/TiO_2/organosilane$을 사용하였으며, 그 중 organosilane은 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate을 사용하였고 이는 저온 공정의 광경화 반응을 위해 도입되었다. 다양한 조성비로 합성된 복합체를 폴리 카보네이트 기판 위에 저온 공정의 졸-겔 법을 이용하여 광경화와 열처리 공정을 거처 코팅 박막을 제조하였고 이 코팅 박막의 광학 특성 및 기계적 강도를 확인하였다. 코팅 박막은 가시광선 영역에서 97.5 % 이상의 투과도를 가짐을 확인하였고 기계적 강도는 9H 이상의 연필 경도를 가진 것을 확인하였다. 특히 ZTS-2-1 코팅 박막의 나노 압입 경도는 1.14 GPa로 가장 높게 측정되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we prepared hybrid composites by using low temperature sol-gel process for transparent and hard coating film. The hybrid composites consist of $ZrO_2/TiO_2/organosilane$, of which organosilane was introduced 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate due to the role of a photoc...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 폴리 카보네이트 기판 위에 가공할 수 있는 투명하고 하드 코팅용 하이브리드 복합 재료에 관하여 연구하였다. 유무기 하이브리드 복합체는 ZrO2/TiO2/organosilane을 사용하였으며, 그 중 organosilane은 저온 공정의 광경화 반응을 위해 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate을 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
세라믹 재료의 장점은 무엇인가? 지르코니아(ZrO2), 타이타늄(TiO2), 실리카 (SiO2)등의 세라믹 재료들은 높은 열적, 화학적 안정성과 비전도성, 그리고 뛰어난 기계적 특성을 가지고 있어 전자기기, 건축 자제, 의료 보조 기구 등 각종 산업 용품의 물성 및 기능성을 향상 시키기 위한 중요한 재료로 많은 연구되어져 오고 있다.[1-6] 또한 높은 경도을 가지고 있어 금속이나 목재 등의 연삭이나 연마에 사용되는 고강도 재료나 고온의 환경에서 높은 내화도를 요구하는 비금속 재료에 졸-겔 법을 이용하여 코팅하는 재료로 많이 사용되어지고 있으며, 낮은 전기 전도성이나 높은 열적 안정성으로 인해 연료전지나 반도체 코팅 등에도 사용되어지고 있다.[4, 6-10] 이러한 세라믹 재료를 가공하기 위해서는 금속 재료에 비해 비교적 낮은 온도에서 제조 공정이 이루어지고 있으나 600 ~ 900 °C의 온도에서 가공이 되고 있어 플라스틱 기판에 적용하기에는 적합하지 않다.
졸-겔 법의 장점은 무엇인가? [13, 14] 이 유기물과 무기 세라믹 물질이 결합된 형태의 유무기 하이브리드 재료는 고경도, 열안정성 등 무기물 장점과 경량과 유연성과 같은 유기물의 장점을 동시에 구현할 수 있다. 또한 졸-겔 법은 저온에서 용액 공정으로 균일하게 세라믹을 가공할 수 있는 장점이 있다. 그러나 온도, 촉매, 농도 등 많은 변수로 인하여 최적의 공정 조건을 얻기 어려운 단점이 있어 공정 조건에 대한 연구가 필요하다.
졸-겔 법의 단점은 무엇인가? 또한 졸-겔 법은 저온에서 용액 공정으로 균일하게 세라믹을 가공할 수 있는 장점이 있다. 그러나 온도, 촉매, 농도 등 많은 변수로 인하여 최적의 공정 조건을 얻기 어려운 단점이 있어 공정 조건에 대한 연구가 필요하다.[15] 최근 졸-겔 법을 이용하여 금속 산화물의 조성비, 또는 열경화 온도를 조절하거나, 아미노계, 비닐계, 에폭시계 등 유기 실란커플링제를 사용하거나 나노 복합재료를 이용하여 코팅 박막의 경도를 높이는 연구들 이 진행되어져 왔다.
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참고문헌 (19)

  1. M. Nogami, “Glass preparation of the $ZrO_2$ - $SiO_2$ system by the sol-gel process from metal alkoxides,” J. Non-Cryst. Solids, Vol. 69, No. 2, pp. 415-423, (1985). 

  2. T. Van Gestel, C. Vandecasteele, A. Buekenhoudt, C. Dotremont, J. Luyten, R. Leysen, B. Van der Bruggen, G. Maes, “Alumina and titania multilayer membranes for nanofiltration: preparation, characterization and chemical stability,” J. Membr. Sci., Vol. 207, No. 1, pp. 73-89, (2002). 

  3. J. B. Wachtman, W. R. Cannon, M. J. Matthewson, Mechanical properties of ceramics. John Wiley & Sons, (2009). 

  4. V. Fiorentini, G. Gulleri, "Theoretical evaluation of zirconia and hafnia as gate oxides for Si microelectronics, Phys. Rev. Lett., Vol. 89, No. 26, pp. 266101, (2002). 

  5. H. Sato, K. Yamada, G. Pezzotti, M. Nawa, S. Ban, “Mechanical properties of dental zirconia ceramics changed with sandblasting and heat treatment,” Dent. Mate. J., Vol. 27, No. 3, pp. 408-414, (2008). 

  6. J.-Y. Hwang, H.-S. Hahm, “Preparation of CuO- $CeO_2$ mixed oxide catalyst by sol-gel method and its application to preferential oxidation of CO,” J. Korean Oil Chem. Soc., Vol. 34, No. 4, pp. 883-891, (2017). 

  7. J. Liu, H. Yan, K. Jiang, "Mechanical properties of graphene platelet-reinforced alumina ceramic composites," Ceram. Int. Vol. 39, No. 6, pp. 6215-6221, (2013). 

  8. S. C. Pillai, P. Periyat, R. George, D. E. McCormack, M. K. Seery, H. Hayden, J. Colreavy, D. Corr, S. J. Hinder, “Synthesis of high-temperature stable anatase $TiO_2$ photocatalyst,” J. Phys. Chem. C, Vol. 111, No. 4, pp. 1605-1611, (2007). 

  9. M. S. Lee, N. J. Jo, “Abrasion-resistance and Optical Properties of Sol-Gel Derived Organic-Inorganic Hybrid Coatings,” J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 12, No. 6, pp. 643-648, (2001). 

  10. X. Cao, R. Vassen, D. Stoever, “Ceramic materials for thermal barrier coatings,” J. Eur. Ceram. Soc., Vol. 24, No. 1, pp. 1-10, (2004). 

  11. E. J. Go, S. H. Kim, “Synthesis of ITO(Indium Titanium Oxide) particle by sol-gel and investigation on light transmittance of deposited ITO thin film,” J. Korean Oil Chem. Soc., Vol. 34, No. 4, pp. 705-716, (2017). 

  12. F. Takashi, M. Hiroyuki, “Electronic Properties of the Interface between Si and $TiO_2$ Deposited at Very Low Temperatures,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 25, No. 9R, pp. 1288, (1986). 

  13. B. T. Luong, J.-W. Oh, J. Choi, N. Kim, “A Simple Method for Fabricating a Mach-Zehnder Type Waveguide Using Sol-Gel Derived Photopatternable Hybrid Materials for Optical Biosensors,” J. Nanosci. Nanotechnol., Vol. 11, No. 5, pp. 4546-4550, (2011). 

  14. W.-S. Kim, K. B. Yoon, B.-S. Bae, "Nanopatterning of photonic crystals with a photocurable silica-titania organic-inorganic hybrid material by a UV-based nanoimprint technique," J. Mater. Chem. Vol. 15, No. 42, pp. 4535-4539, (2005). 

  15. D. Macwan, P. N. Dave, S. Chaturvedi, “A review on nano- $TiO_2$ sol-gel type syntheses and its applications,” J. Mater. Sci., Vol. 46, No. 11, pp. 3669-3686, (2011). 

  16. J. Gilberts, A. H. A. Tinnemans, M. P. Hogerheide, T. P. M. Koster, “UV Curable Hard Transparent Hybrid Coating Materials on Polycarbonate Prepared by the Sol-Gel Method,” J. Sol-Gel Sci. Technol., Vol. 11, No. 2, pp. 153-159, (1998). 

  17. M. E. L. Wouters, D. P. Wolfs, M. C. van der Linde, J. H. P. Hovens and A. H. A. Tinnemans, “Transparent UV curable antistatic hybrid coatings on polycarbonate prepared by the sol-gel method,” Prog. Org. Coat., Vol. 51, No. 4, pp. 312-319, (2004). 

  18. Y. Gao, Y. Masuda, K. Koumoto, “Light-Excited Superhydrophilicity of Amorphous $TiO_2$ Thin Films Deposited in an Aqueous Peroxotitanate Solution,” Langmuir, Vol. 20, No. 8, pp. 3188-3194, (2004). 

  19. Y. Castro, M. Aparicio, R. Moreno, A. Duran, “Silica-Zirconia Sol-Gel Coatings Obtained by Different Synthesis Routes,” J. Sol-Gel Sci. Technol., Vol. 35, No. 1, pp. 41-50, (2005). 

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