표면 개질된 지르코니아를 함유한 유-무기 하이브리드 코팅액으로 도포된 PET 필름의 특성 Characterization of PET films coated with organic-inorganic hybrid coating system containing surface modified zirconia원문보기
최근 우수한 유연성과 화학적 안정성 등을 가진 고분자 수지와 우수한 기계적 성질 등을 나타내는 무기 재료로 이루어진 나노 복합 시스템으로써 유-무기 하이브리드 코팅 필름에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 아크릴레이트 단량체로써 사용된 o-phenylphenoxyethyl acrylate (OPPEA)는 1.576의 높은 굴절률을 나타내고, Bisphenol A ethoxylate diacrylate (BAEDA)는 굴절률은 낮지만 경화된 고분자의 경도를 향상시킨다. 또한, 무기 소재로써 사용된 지르코니아는 산화지르코늄으로써 우수한 내구성과 광학특성 등을 나타낸다. 본 연구에서는 광학 특성을 향상시키기 위한 목적으로 아크릴레이트 단량체 중 BAEDA의 함량을 조절하여 필름을 제조한 뒤 연필 경도계와 아베굴절계를 이용하여 광학 특성 변화를 확인하였고, UV-vis spectrophotometer을 이용해 투과도를 비교하여 최적의 조건을 확립하였다. 그리고 실란 커플링제인 ${\gamma}$-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPS)를 사용하여 지르코니아를 소수화 처리하여 아크릴레이트 단량체에 대한 분산성을 향상시키고, 개질 전후의 물에 대한 분산성 변화를 조사하여 물에 대한 친화력이 감소하였음을 확인하였고, FT-IR ATR spectrophotometer를 통해 MPS에 의해 도입된 $1716cm^{-1}$에서의 에스터 C=O 결합 peak의 존재를 통해 MPS에 의한 지르코니아 표면의 개질 반응이 진행되었음을 확인하였다. 또한, 지르코니아의 표면에 도입된 규소 원자의 존재는 X 선 형광법을 이용하여 확인하였다. 그리고 화학적으로 개질된 지르코니아를 아크릴레이트 단량체에 도입하여 광경화 필름을 제조하였을 때, 굴절률은 아크릴레이트 자체 필름보다 1.2% 향상되었음을 확인하였고, SEM/EDS mapping 분석을 통해 PET 필름에 코팅된 개질 후 지르코니아가 아크릴레이트 코팅층에 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있었다.
최근 우수한 유연성과 화학적 안정성 등을 가진 고분자 수지와 우수한 기계적 성질 등을 나타내는 무기 재료로 이루어진 나노 복합 시스템으로써 유-무기 하이브리드 코팅 필름에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 아크릴레이트 단량체로써 사용된 o-phenylphenoxyethyl acrylate (OPPEA)는 1.576의 높은 굴절률을 나타내고, Bisphenol A ethoxylate diacrylate (BAEDA)는 굴절률은 낮지만 경화된 고분자의 경도를 향상시킨다. 또한, 무기 소재로써 사용된 지르코니아는 산화지르코늄으로써 우수한 내구성과 광학특성 등을 나타낸다. 본 연구에서는 광학 특성을 향상시키기 위한 목적으로 아크릴레이트 단량체 중 BAEDA의 함량을 조절하여 필름을 제조한 뒤 연필 경도계와 아베굴절계를 이용하여 광학 특성 변화를 확인하였고, UV-vis spectrophotometer을 이용해 투과도를 비교하여 최적의 조건을 확립하였다. 그리고 실란 커플링제인 ${\gamma}$-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPS)를 사용하여 지르코니아를 소수화 처리하여 아크릴레이트 단량체에 대한 분산성을 향상시키고, 개질 전후의 물에 대한 분산성 변화를 조사하여 물에 대한 친화력이 감소하였음을 확인하였고, FT-IR ATR spectrophotometer를 통해 MPS에 의해 도입된 $1716cm^{-1}$에서의 에스터 C=O 결합 peak의 존재를 통해 MPS에 의한 지르코니아 표면의 개질 반응이 진행되었음을 확인하였다. 또한, 지르코니아의 표면에 도입된 규소 원자의 존재는 X 선 형광법을 이용하여 확인하였다. 그리고 화학적으로 개질된 지르코니아를 아크릴레이트 단량체에 도입하여 광경화 필름을 제조하였을 때, 굴절률은 아크릴레이트 자체 필름보다 1.2% 향상되었음을 확인하였고, SEM/EDS mapping 분석을 통해 PET 필름에 코팅된 개질 후 지르코니아가 아크릴레이트 코팅층에 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있었다.
In recent years, researches on organic-inorganic coating films have conducted a nanocomposite system composed of organic resin matrices having excellent flexibility and chemical stability and inorganic materials having excellent mechanical properties. The o-phenylphenoxyethyl acrylate (OPPEA) used a...
In recent years, researches on organic-inorganic coating films have conducted a nanocomposite system composed of organic resin matrices having excellent flexibility and chemical stability and inorganic materials having excellent mechanical properties. The o-phenylphenoxyethyl acrylate (OPPEA) used as the acrylate monomer has a high refractive index of 1.58, and the bisphenol A ethoxylate diacrylate (BAEDA) has a low refractive index but improves the chemical stability of the organic resin. In addition, zirconia used as an inorganic material exhibits excellent durability and optical properties. In this study, the BAEDA contents in acrylate monomer were controlled to produce a film with suitable optical transparency. And optimum conditions were established by comparing the changes in surface properties of PET films detected with pencil hardness tester, Abbe's refractometer, and UV-vis spectrophotometer. The hydrophobicity and the dispersibility of zirconia in acrylate monomer were much improved after modification with ${\gamma}$-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPS), which is a silane coupling agent. And the existence of ester C=O bond peak at $1716cm^{-1}$ introduced by MPS through FT-IR ATR spectrophotometer confirmed the completion of surface modification of zirconia with MPS. In addition, the presence of silicon atom on the surface modified zirconia was also proved using X-ray fluorescence spectrometer. When the photocurable hybrid coating was prepared by introducing chemically modified zirconia into acrylate monomer, the refractive index of this coated PET film was improved by 1.2%, compared to the only acrylate coated PET film. The homogeneous distribution of zirconia in acrylate coating layer on PET film was also identified through SEM/EDS mapping analysis technique.
In recent years, researches on organic-inorganic coating films have conducted a nanocomposite system composed of organic resin matrices having excellent flexibility and chemical stability and inorganic materials having excellent mechanical properties. The o-phenylphenoxyethyl acrylate (OPPEA) used as the acrylate monomer has a high refractive index of 1.58, and the bisphenol A ethoxylate diacrylate (BAEDA) has a low refractive index but improves the chemical stability of the organic resin. In addition, zirconia used as an inorganic material exhibits excellent durability and optical properties. In this study, the BAEDA contents in acrylate monomer were controlled to produce a film with suitable optical transparency. And optimum conditions were established by comparing the changes in surface properties of PET films detected with pencil hardness tester, Abbe's refractometer, and UV-vis spectrophotometer. The hydrophobicity and the dispersibility of zirconia in acrylate monomer were much improved after modification with ${\gamma}$-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPS), which is a silane coupling agent. And the existence of ester C=O bond peak at $1716cm^{-1}$ introduced by MPS through FT-IR ATR spectrophotometer confirmed the completion of surface modification of zirconia with MPS. In addition, the presence of silicon atom on the surface modified zirconia was also proved using X-ray fluorescence spectrometer. When the photocurable hybrid coating was prepared by introducing chemically modified zirconia into acrylate monomer, the refractive index of this coated PET film was improved by 1.2%, compared to the only acrylate coated PET film. The homogeneous distribution of zirconia in acrylate coating layer on PET film was also identified through SEM/EDS mapping analysis technique.
무기 소재인 지르코니아를 아크릴레이트 고분 자에 도입한 유-무기 하이브리드 코팅 도막을 제조하기 위해 OPPEA와 BAEDA를 단량체로 하여 최적의 자외선 광중합 조건을 설정하고, 코팅 도막에 함유된 지르코니아가 균일하게 분포할 수있도록 MPS를 이용하여 지르코니아 입자의 표면 개질을 진행하였다. 이렇게 얻은 코팅액을 PET 필름에 도포하여 필름의 성능 향상을 확인하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
표면 개질이 완료된 지르코니아의 화학적 구조와 표면 형상은 FT-IR spectrophotometer, X 선 형광분석법 및 FE-SEM/EDS를 통해 각각 분석하였으며 물과 아크릴레이트 단량체에 대한 분산성도 확인하였 다. 끝으로 표면개질된 지르코니아를 아크릴레이트 단량체에 도입하여 유 무기 하이브리드 코팅 액을 제조하고 PET 필름에 도포하여 아베 굴절계 및 가시광선분광법을 이용하여 광학적 특성 확인과 아크릴레이트 필름에 도입된 지르코니아의 입자 분포를 SEM/EDS를 통한 지르코니움 원소의 mapping 분석으로 확인하였다.
5)를 사용하여 광경화 필름을 제조한 후 그 필름의 특성을 연필 경도계 및 아베 굴절계를 통해 확인하여 최적의 배합 조건을 확립하였다. 무기소 재인 지르코니아의 입자 표면을 아크릴레이트기를 함유한 실란커플링제인 γ -methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPS)를 이용한 표면 개질 반응을 통해 아크릴레이트 단량체에 대한 분산성을 향상시켰다. 표면 개질이 완료된 지르코니아의 화학적 구조와 표면 형상은 FT-IR spectrophotometer, X 선 형광분석법 및 FE-SEM/EDS를 통해 각각 분석하였으며 물과 아크릴레이트 단량체에 대한 분산성도 확인하였 다.
본 연구에서는 유-무기 하이브리드 코팅 필름을 제조하기 위해 유기고분자 소재로써 고굴절률을 가진 아크릴레이트 단량체인 o-phenylphenoxyethyl acrylate (OPPEA)를 주성 분으로 하고 가교 성분으로 bisphenol-A ethoxylate diacrylate (BAEDA, EO/Phenol = 1.5)를 사용하여 광경화 필름을 제조한 후 그 필름의 특성을 연필 경도계 및 아베 굴절계를 통해 확인하여 최적의 배합 조건을 확립하였다. 무기소 재인 지르코니아의 입자 표면을 아크릴레이트기를 함유한 실란커플링제인 γ -methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPS)를 이용한 표면 개질 반응을 통해 아크릴레이트 단량체에 대한 분산성을 향상시켰다.
대상 데이터
나노지르코니아는 지르코늄옥시클로라이드를 전구체로 수열합성법을 이용하여 합성한 1차 평균 입자크기가 30-40 nm이며 2차 평균입자 크기가 10 ㎛인 (주)한경티이씨의 지르코니아를 사용하였고, 표면 개질 반응을 위한 실란 커플링제 로써 정도화학의 methacryloxypropyltrimethoxy silane(MPS)을 사용하였다. 그리고 반응 및 세척을 위한 용제로써 대정화학의 에탄올 또는 헥산을 사용하였다.
본 연구에서는 아크릴레이트 단량체로 다음의 Scheme 1에 나타낸 바와 같은 한농화성의 o-phenylphenoxyethyl acrylate(OPPEA)와 Aldrich사의 bisphenol-A ethoxylated diacrylate(BAEDA)를 사용하였다. 자외선 광경화를 위한 광개시제는 Aldrich사의 Irgacure 184를 사용하였다.
성능/효과
1. OPPEA를 기초로 한 아크릴레이트 단량체에 BAEDA를 일정량 첨가하여 광경화 필름을 제조하였을 때, BAEDA의 첨가량이 많아 질수록 필름의 경도 향상 및 투과도 향상을 확인할 수 있었으나, 굴절률이 감소하여 5 % BAEDA의 첨가가 최적이었으며 광경화 시간은 180 초 정도가 적절하였다.
2. 지르코니아의 표면 개질 반응은 헥산을 용제로 10 mole%의 MPS 조건에서 가수분해 반응과 동시에 축합반응을 30분 동안 진행하였으며, 반응이 완료된 지르코니아의 화학적 구조 변화를 FT-IR ATR 분석을 통해 확인하였을 때 1716 cm -1 의 에스터 C=O 결합 peak의 존재로 확인하였다.
3. MPS를 통해 소수화가 진행된 지르코니아를 물에 분산한 결과 미개질 지르코니아에 비해 분산성이 현저히 떨어지며 아크릴레이트 용액에 대한 분산성능 크게 향상되었으며, 개질 전후의 입자 표면을 FE-SEM 및 지르 코니아 mapping 분석을 통해 확인한 결과 개질 후의 지르코니아를 5 mol% 함유한 코팅 도막의 경우 유기고분자 코팅층 표면에 서도 지르코니아가 매우 잘 분산되어 있음도 확인되었다.
4. 표면 개질 전후의 지르코니아를 아크릴레이트 필름에 첨가하여 광학 특성 변화를 확인 하였을 때, 지르코니아 첨가로 인한 굴절률 향상을 확인하였고, 그 중에서 MPS에 표면 개질된 지르코니아가 0.5 mole% 첨가된 OBMZ2의 굴절률이 가장 높았다.
후속연구
6. 결론적으로 MPS를 이용한 개질 반응을 이용하여 지르코니아의 표면을 개질한 후 아크릴레이트 고분자에 도입한다면 지르코니아 입자가 균일하게 분포하여 무기 및 유기 소재의 특성을 동시에 갖는 광학 특성이 향상된 유-무기 하이브리드 필름을 제조할 수있으며, 이를 이용하여 다양한 산업 재료에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지르코니아의 우수한 화학적 성질과 이에 따른 용도는 어떤것들이 있는가?
지르코니 아는 산화지르코늄을 말하며, 흰색의 결정체를 이루고 있다. 지르코니아는 우수한 열안정성과 내약 품성, 내구성, 기계적 성질 등을 나타내고 있으 며, 이를 이용하여 단열재, 각종 산업용 세라믹 구조물, 부식 방지 코팅재료 등으로 사용되고 있다[11-13]. 여기에 더하여 지르코니아 성분을 사용하는 고굴절률 박막을 제조하는 사례도 발표되 었다.
산화지르코늄의 특징은?
576의 높은 굴절률을 나타내고, Bisphenol A ethoxylate diacrylate (BAEDA)는 굴절률은 낮지만 경화된 고분자의 경도를 향상시킨다. 또한, 무기 소재로써 사용된 지르코니아는 산화지르코늄으로써 우수한 내구성과 광학특성 등을 나타낸다. 본 연구에서는 광학 특성을 향상시키기 위한 목적으로 아크릴레이트 단량체 중 BAEDA의 함량을 조절하여 필름을 제조한 뒤 연필 경도계와 아베굴절계를 이용하여 광학 특성 변화를 확인하였고, UV-vis spectrophotometer을 이용해 투과도를 비교하여 최적의 조건을 확립하였다.
아크 릴레이트의 경화방식인 광경화법의 특징은?
이러한 아크 릴레이트의 경화방식으로는 광경화법과 열경화법이 있는데, 그 중 광경화법은 광개시제로 부터 자유라디컬을 형성한 후, 다관능 아크릴레이트 단량체의 라디컬 중합반응을 통해 경화하는 것이다. 광경화성 코팅은 열경화성 코팅에 비해, 빠른 건조 시간, 낮은 에너지 소비량, 열에 민감한 기판의 코팅에 적용 가능 등과 같은 이점을 나타낸 다. 또한, 아크릴레이트 단량체의 구조 및 관능기 수에 따라 경화 메커니즘이 달라지고 생성된 고분자의 물성이 변한다. 또한, 산소 노출 정도도 광경화 메카니즘에 큰 영향을 미치므로 자외선에 노출될 때 단량체에 확산되는 산소를 최소화하기 위해서는 광개시제를 추가로 첨가하여야 한다 [8-9].
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