[논문]전기장 하에서의 블록 공중합체와 고분자 블렌드의 미세 구조 변화 거동 비교

배준원

doi:10.14478/ace.2018.1014

전기장 하에서의 블록 공중합체와 고분자 블렌드의 미세 구조 변화 거동 비교
Comparing Microscale Behaviors of Block Copolymer with Polymer Blend Thin Films under Electric Fields 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.29 no.4, 2018년, pp.395 - 398

초록
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전기장 하에서 유기물은 전기장에 의해 부여된 여러 가지 힘의 영향을 받아서 특이한 거동을 나타낸다. 본 연구에서는, 지금까지 개별적으로 고찰되어 왔던 전기장 하에서의 블록 공중합체와 고분자 블렌드의 미세 거동을 비교 분석하여 특징적인 차이점을 알아보고자 한다. 두 가지 고분자가 공유결합으로 연결된 블록 공중합체와 약한 상호작용으로 혼합된 고분자 블렌드 시스템을 비교대상으로 하였다. 이때, 구성 고분자로는 비슷한 유전상수를 갖는 폴리아크릴로 나이트릴과 폴리메틸메타아크릴레이트를 도입하였다. 유사한 분자량, 같은 농도, 같은 전기장 세기하에서 고분자 블렌드가 전기장에 더욱 민감하게 반응하는 것을 알 수 있었다. 이는 공유결합이 분자의 운동성을 제약하여 전기장에 덜 민감하게 반응하도록 거동하기 때문이다. 본 연구는 고분자 물질의 전기장 하에서의 거동을 이해하는 중요한 정보를 제공할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, profound microscale behaviors of block copolymer and polymer blend under electric field were investigated using microscopic methods and compared systematically. To this end, both the block copolymer and blend containing polyacrylonitrile (PAN) and poly(methyl methacrylate) (PMMA) were introduced. The two polymers have a similar dielectric constant. Under an identical experimental condition such as temperature, film thickness, field intensity, and exposure time, the polymer blend responded more sensitively than the block copolymer. The presence of covalent bond suppressed the mobility of constituents in block copolymer. This study will be essential for future research activities regarding behaviors of polymeric materials under external fields.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

PAN 고분자의 경우 수분에 의해구조적 변형이 일어날 가능성이 있고, 일단 결정화가 이루어지면 그 구조를 변화시키는 것이 매우 어렵기 때문이다. 따라서, 본 연구에서는 PAN이 녹아 있는 용액을 스핀 코팅하기 전에 용액과 실리콘 웨이퍼를 가열하는 방식으로 수분을 최대한 제거하고 온도에 의한 결정화를 억제하여 박막 형성을 촉진하고자 하였다[5]. 다른 실험적인 변수들, 고분자의 분자량, 농도, 고분자들의 상대적인 농도 비율 등은 동등하게 유지하였다.
따라서, 본 연구에서는 두 가지 고분자 재료의 흥미로운 케이스들을 대상으로 이들이 전기장에 노출되었을 때 어떠한 미세 거동을 보이는지에 대해서 관심을 갖고자 한다. 즉, 유사한 유전상수를 지니는 두 가지 고분자, 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN)과 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)로 구성된 블록 공중합체와 고분자 블렌드를 도입하여 실험을 진행하였다.
본 연구는 PAN 계통 고분자 박막에 전기장을 가하는 것이 실험의 요체이다. 따라서, 균일한 고분자 박막을 얻는 것이 무엇보다 중요하다.

제안 방법

즉, 유사한 유전상수를 지니는 두 가지 고분자, 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN)과 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)로 구성된 블록 공중합체와 고분자 블렌드를 도입하여 실험을 진행하였다. 다른 실험적인 변수들, 고분자 농도, 고분자의 분자량, 박막의 두께 등이 일정하게 유지된 상태에서 특정 범위 이상의 전기장 세기가 적용된 전기장 하에서, 블록 공중합체와 고분자 블렌드의 표면 및 양쪽 고분자 간 계면이 어떠한 거동을 보이는지에 대해서 현미경 기법을 주로 사용하여 분석을 시도하였다. 요약적으로, 고분자 블렌드가 공중합체에 비해서 전기장에 더 민감하게 반응하였다.
동일한 구성 고분자 및 유사한 구성 비율을 지니는 블록 공중합체와 고분자 블렌드 박막의 전기장에 대한 반응성 및 미세 구조 변화거동을 비교하여 살펴보았다. 두 박막 모두 구성 고분자의 유전 상수가 다르기 때문에 계면에서의 물성 차이가 발생한다.
두 가지 소재 즉 블록 공중합체와 고분자 블렌드의 전기장 속에서의 거동을 파악하기 위해 두 박막의 초기 미세구조를 AFM으로 분석하고, 이어서 박막들을 균일한 전기장에 세기를 조절하여 도입하였다.두 고분자의 유리전이온도보다 높은 온도(섭씨 170 ℃)에서 열처리한실험결과 약 12 h 후부터 평형구조가 나타나기 시작하며, 48 h 정도가 지날 때, 안정적인 평형 미세구조가 얻어졌다.
한편으로, 고분자 블렌드 박막에 전기장을 가한 경우에 대해서도 분석하였다. 먼저, 섭씨 170 ℃에서 12 h 동안 열처리하여 초기 미세구조를 AFM으로 분석하였다(Figure 4a, b). 그림에서 보듯이, 블렌드의 경우에는 두 가지 상이 각각의 개별적인 영역(domain)을 유지하면서 섞여 있는 것을 확인할 수 있었다.
전기장 조사가 완료된 후에는, 전체전극 assembly가 상온으로 급속 냉각(quenching)된 후에, 전극들은 수작업으로 해체되었다. 본 실험에서 고려되어야 할 주요 변수는 전기장의 세기, 전기장의 조사시간, 조사온도, 필름의 두께, 전극의 종류, 전극의 기하학적 형태, 재료의 유전상수 등이다. 이 중 재료의 내재적인 변수인 유전상수가 가장 중요하다.
블록 공중합체와 고분자 블렌드의 전기장 하에서의 거동을 간단히 살펴보았다. 두 가지 경우에서, 두 고분자의 계면이 발생하게 되고, 그계면에서는 유전 상수의 차이가 발생하는 것은 동일하게 적용되고 있다.
여기에 10 V/µm 크기의 전기장이 가해진 후 나타나는 변화를 모니터하여 블록 공중합체 경우와비교하였다.
이러한 방식으로 얻어진 PAN-PMMA 블록 공중합체와 고분자 블렌드의 박막을 광학 현미경으로 고찰하였다(Figure 2). 표면은 매끈하고, 불규칙한 표면에 의한 난반사 흔적이 보이지 않는다는 점으로부터 균일한 박막의 형성을 확인할 수 있었다.
이렇게 블렌드 박막에 의해서 얻어진 구조를 현미경을 이용해 추가적으로 분석하였다. 광학 현미경 사진에서 볼 수 있듯이, 얻어진 column형태의 구조체들은 박막 전체에 균일하게 존재하고 있으며, column의높이는 큰 분포를 보이지 않는 것으로 판단된다(Figure 5a).
이어서, 이 박막에 5 V/µm 크기의 전기장을 12 h동안 조사한 후 AFM 분석을 실시하였다(Figure 3c, d).
주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진은 JEOLJSM 7500F을 이용하여 가속전압 15 KV에서 얻어졌다. 주사탐침현미경(atomic force microscope, AFM) 사진들은 Dimension 3100을 이용하여 tapping 모드로 얻어졌다.
따라서, 본 연구에서는 두 가지 고분자 재료의 흥미로운 케이스들을 대상으로 이들이 전기장에 노출되었을 때 어떠한 미세 거동을 보이는지에 대해서 관심을 갖고자 한다. 즉, 유사한 유전상수를 지니는 두 가지 고분자, 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile, PAN)과 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)로 구성된 블록 공중합체와 고분자 블렌드를 도입하여 실험을 진행하였다. 다른 실험적인 변수들, 고분자 농도, 고분자의 분자량, 박막의 두께 등이 일정하게 유지된 상태에서 특정 범위 이상의 전기장 세기가 적용된 전기장 하에서, 블록 공중합체와 고분자 블렌드의 표면 및 양쪽 고분자 간 계면이 어떠한 거동을 보이는지에 대해서 현미경 기법을 주로 사용하여 분석을 시도하였다.
한편으로, 고분자 블렌드 박막에 전기장을 가한 경우에 대해서도 분석하였다. 먼저, 섭씨 170 ℃에서 12 h 동안 열처리하여 초기 미세구조를 AFM으로 분석하였다(Figure 4a, b).

대상 데이터

주사탐침현미경(atomic force microscope, AFM) 사진들은 Dimension 3100을 이용하여 tapping 모드로 얻어졌다. 광학 현미경 사진은 올림푸스 BX51를 통해 얻었다.
분자량 11.5 kg/mol을 갖는 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 분자량 15kg/mol을 지닌 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로나이트릴-폴리메틸메타아크릴레이트(PAN-PMMA) 블록 공중합체는 Polymersource사(Canada)에서구매하여 추가적인 정제과정 없이 사용하였다. 블록 공중합체에서 PAN과 PMMA의 분자량은 각각 9 Kg/mol과14 Kg/mol이다.
블록 공중합체에서 PAN과 PMMA의 분자량은 각각 9 Kg/mol과14 Kg/mol이다. 용매로 사용된 디메틸포름아마이드(dimethylformaide,DMF)는 알드리치사(Aldrich)에서 구매하여 사용하였다.

성능/효과

이어서, 이 박막에 5 V/µm 크기의 전기장을 12 h동안 조사한 후 AFM 분석을 실시하였다(Figure 3c, d). 그 결과, 두상의 혼합이 촉진되어 좌측 phase image가 다소 흐려짐을 볼 수 있었다. 다만, height image 상에서는 Figure 3b와 비교해 볼 때 큰 차이가 없는 것으로 여겨진다.
두 가지 소재 즉 블록 공중합체와 고분자 블렌드의 전기장 속에서의 거동을 파악하기 위해 두 박막의 초기 미세구조를 AFM으로 분석하고, 이어서 박막들을 균일한 전기장에 세기를 조절하여 도입하였다.두 고분자의 유리전이온도보다 높은 온도(섭씨 170 ℃)에서 열처리한실험결과 약 12 h 후부터 평형구조가 나타나기 시작하며, 48 h 정도가 지날 때, 안정적인 평형 미세구조가 얻어졌다. 이를 토대로, 먼저 블록공중합체를 섭씨 170 ℃에서 12 h 전기장 조사 없이 열처리한 박막의 AFM 이미지를 표시하였다(Figure 3a, b).
두 가지 경우에서, 두 고분자의 계면이 발생하게 되고, 그계면에서는 유전 상수의 차이가 발생하는 것은 동일하게 적용되고 있다. 즉, 유전 상수의 차이가 존재하는 유사한 계면이 발생하더라도, 약한 상호작용을 하고 있는 블렌드에 존재하는 계면이 전기장에 더욱민감하게 반응하는 것으로 나타났다. 유전상수는 고분자의 내재적 물성의 하나로 고유한 값을 나타낸다.
이러한 방식으로 얻어진 PAN-PMMA 블록 공중합체와 고분자 블렌드의 박막을 광학 현미경으로 고찰하였다(Figure 2). 표면은 매끈하고, 불규칙한 표면에 의한 난반사 흔적이 보이지 않는다는 점으로부터 균일한 박막의 형성을 확인할 수 있었다. 특히, 응집에 의한 island의 형성 등 박막의 물성을 저해하는 요소들이 없는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이는 공유결합이 전기장하에서 공중합체의 유동성을 떨어지게 하는 주요인인 것으로 판단되었다. 본 연구는 유기 물질의 전기장 속 거동을 이해하는 향후 연구를 위해서 중요한 정보를 제공하는 선행 연구가 될 것이다.
이는 블록 공중합체이 계면에서는 공유결합이 존재하고, 블렌드에서는 약한 상호작용이 두드러지기 때문이다. 본 연구는 향후에 비슷한 시스템을 연구하게 될 경우 유용한 사전 연구 자료가 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일정한 크기 이상의 전기장이 고분자 박막에 가해질 때, 발생하는 문제는 무엇인가?	전기장(electric field)과 물질의 상호작용은 1960년대 이후로 연구자들의 관심이 대상이 되어 왔다[1]. 일정한 크기 이상의 전기장이 물질(고분자) 박막(thin film)에 가해질 때, 고분자 박막의 표면(interface)은 전기장에 의해서 가해지는 힘의 영향을 받아 불안정해진다. 이러한 불안정성이 증폭되면서 특이한 형태의 표면 구조를 갖게 되는 현상이 보고되었다[2].
	블록 공중합체란 무엇인가?	블록 공중합체는 서로 다른 두 가지 고분자 사슬(chain)이 공유결합으로 연결되어 한 분자를 이루고 있는 것이다. 이를 구성하는 두 가지 고분자의 분자량, 고분자가 서로 상호작용하는 정도, 구성 고분자의 종류에 따라서 다양한 물리적, 화학적 성질을 갖게 된다[3].
	블록 공중합체의 물리적, 화학적 성질은 어떻게 결정되는가?	블록 공중합체는 서로 다른 두 가지 고분자 사슬(chain)이 공유결합으로 연결되어 한 분자를 이루고 있는 것이다. 이를 구성하는 두 가지 고분자의 분자량, 고분자가 서로 상호작용하는 정도, 구성 고분자의 종류에 따라서 다양한 물리적, 화학적 성질을 갖게 된다[3]. 특히, 위에서 언급한 변수들에 따라 블록 공중합체는 다양한 특징을 나타내게 되고, 그들의 미세 구조는 나노미터 수준에서 매우 독특한 패턴을 보여주게 되는데, 이는 다른 분자나 재료로는 접근할 수 없는 것이다.

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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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