[논문]투명 전도성 ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름 적용을 위한 아크릴레이트 기반 고분자분산액정의 전기광학적 특성 최적화

조정대; 김양배; 허기석; 김은미; 홍진후

doi:10.14478/ace.2020.1028

투명 전도성 ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름 적용을 위한 아크릴레이트 기반 고분자분산액정의 전기광학적 특성 최적화
Optimization of Electro-Optical Properties of Acrylate-based Polymer-Dispersed Liquid Crystals for use in Transparent Conductive ZITO/Ag/ZITO Multilayer Films 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.3, 2020년, pp.291 - 298

조정대 ((주)큐시스) , 김양배 ((주)큐시스) , 허기석 (한국생산기술연구원) , 김은미 (한국생산기술연구원) , 홍진후 (조선대학교 생명화학고분자공학과)

초록
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본 연구에서는 RF/DC 마그네트론 증착법을 이용하여 실온에서 유리 기판 상에 ZITO/Ag/ZITO 다층막 투명전극을 제조하였다. ZITO/Ag/ZITO (100/8/42 nm)로 이루어진 다층막 구조에 대해, 면저항이 9.4 Ω/㎡이고 550 nm에서 투과도가 83.2%인 투명 전도성 필름이 얻어졌다. ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름의 면저항 및 투과도 특성은 적외선(열선)을 효과적으로 차단할 수 있기 때문에 고분자분산액정(polymer-dispersed liquid crystal, PDLC) 기반 스마트 윈도우 적용에 매우 유용함을 알 수 있었으며 이로 인해 에너지 절약형 스마트 유리로서의 응용도 가능할 것으로 판단된다. 제조된 ZITO/Ag/ZITO 다층막 투명전극을 적용한 2관능성 우레탄 아크릴레이트 기반 PDLC 시스템에 있어서 PDLC 층 두께 및 자외선(ultraviolet, UV) 세기 변화가 전기광학적 특성, 광중합 동력학 및 표면 형태학에 미치는 영향을 조사하였다. 15 ㎛의 PDLC 층 두께를 가지며 2.0 mW/c㎡의 UV 세기로 광경화된 PDLC 셀이 우수한 off-state 불투명도, 높은 on-state 투과도 및 양호한 구동 전압을 나타냈다. 또한, 본 연구에서 제조된 최적 조건의 PDLC 기반 스마트 윈도우는 광을 효율적으로 산란시킬 수 있는 2~5 ㎛ 크기의 양호한 마이크로 구조를 갖는 액정 droplet들이 형성되었으며, 이로 인해 우수한 최종 물성을 갖는 PDLC 셀이 제조되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

ZITO/Ag/ZITO multilayer transparent electrodes at room temperature on glass substrates were prepared using RF/DC magnetron sputtering. Transparent conductive films with a sheet resistance of 9.4 Ω/㎡ and a transmittance of 83.2% at 550 nm were obtained for the multilayer structure comprising ZITO/Ag/ZITO (100/8/42 nm). The sheet resistance and transmittance of ZITO/Ag/ZITO multilayer films meant that they would be highly applicable for use in polymer-dispersed liquid crystal (PDLC)-based smart windows due to the ability to effectively block infrared rays (heat rays) and thereby act as an energy-saving smart glass. Effects of the thickness of the PDLC layer and the intensity of ultraviolet light (UV) on electro-optical properties, photopolymerization kinetics, and morphologies of difunctional urethane acrylate-based PDLC systems were investigated using new transparent conducting electrodes. A PDLC cell photo-cured using UV at an intensity of 2.0 mW/c㎡ with a 15 ㎛-thick PDLC layer showed outstanding off-state opacity, good on-state transmittance, and favorable driving voltage. Also, the PDLC-based smart window optimized in this study formed liquid crystal droplets with a favorable microstructure, having an average size range of 2~5 ㎛ for scattering light efficiently, which could contribute to its superior final performance.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Chemical structures of (a) the monomers and cross-linker, (b) the photoinitiator, and (c) the LC mixture of E7.
그림 Figure 2. Sheet resistance values of the ZITO/Ag/ZITO multilayer films deposited on glass substrates at room temperature as a function of thickness of each ZITO/Ag/ZITO layer.
그림 Figure 3. Curves of (a) UV-vis-NIR transmittance and (b) reflectance of the ZITO/Ag/ZITO multilayer films deposited on glass substrates at room temperature as a function of the thickness of each ZITO/Ag/ZITO layer.
그림 Figure 4. Curves of transmittance versus voltage for PDLC cells according to the PDLC layer thicknesses.
표 Table 1. Electro-Optical Properties of PDLC Cells according to the PDLC Layer Thickness
그림 Figure 5. Photo-DSC exotherms for the photopolymerization of PDLC compound.
표 Table 2. Kinetics Analysis Results for the Photopolymerization of PDLC Compound
그림 Figure 6. (a) ON/OFF state images of PDLC-based smart window samples (50 × 50 mm²) with ZITO/Ag/ZITO electrodes and (b) curves of transmittance versus voltage for PDLC cells according to the UV intensities.
표 Table 3. Electro-Optical Properties of PDLC Cells according to the UV Intensity
그림 Figure 7. SEM photographs of the surface of the polymer matrix of the PDLC composites at various UV intensities (the scale bar is 10 μm in length): (a) A (0.5 mW/cm²), (b) B (1.0 mW/cm²), (c) C (1.5 mW/cm²), (d) D (2.0 mW/cm²), and (e) E (2.5 mW/cm²).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 RF/DC 마그네트론 증착법을 이용하여 실온에서 유리 기판에 ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름을 제조하였고, 광시차주사열량 분석법(photo-differential scanning calorimetry, photo-DSC), 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM) 및 전기광학 측정 장치를 이용하여 ZITO/Ag/ZITO 다층막 전극이 적용된 2관능성 우레탄 아크 릴레이트(difunctional urethane acrylate) 기반 PDLC 시스템의 광중합 동력학, 표면 형태학 및 전기광학적 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
따라서 UV 경화형 광중합 공정에 있어서 광경화 속도를 제어하는 것은 PDLC 스마트 윈도우 제조공정에서 전반적인 물성을 결정짓는 대단히 중요한 인자라 할 수 있겠다. 이전 섹션에서 UV 세기 변화가 ZITO/Ag/ZITO 다층막 전극 적용 PDLC 기반 스마트 윈도우의 광경화 동력학 및 전기광학 특성에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. 여기서는 SEM을이용하여 UV 세기 변화에 따른 PDLC 복합체의 형태학 및 전기광학 특성과의 상관관계를 조사하였다.

가설 설정

Photo-DSC 실험은 광경화 공정에서 측정된 heat flow가 전환 속도 (rate of conversion)를 반영한다고 가정한다. 이 가정은 단일 반응이거나 휘발성 성분의 증발, 전환에 따른 열용량의 상당한 변화 또는 엔탈피 완화와 같은 다른 엔탈피 거동이 없는 물질에 적합하다.
Photo-DSC 실험은 광경화 공정에서 측정된 heat flow가 전환 속도 (rate of conversion)를 반영한다고 가정한다. 이 가정은 단일 반응이거나 휘발성 성분의 증발, 전환에 따른 열용량의 상당한 변화 또는 엔탈피 완화와 같은 다른 엔탈피 거동이 없는 물질에 적합하다. 이러한 가정 하에서 전환율 변화 속도는 다음과 같이 정의될 수 있다[30,31]:

제안 방법

둘째, UV 세기 인자가 ZITO/Ag/ZITO 다층막 투명전극 적용 PDLC 샘플 셀의 광경화 동력학 및 전기광학 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 화합물의 광중합 공정을 알아보기 위해 photo-DSC를 이용하여 광경화 동력학을 조사하였다. Photo-DSC 실험을 통해 열흐름(heat flow) 데이터가 얻어지면 이를 바로 전환율로 변환시킬 수 있으며 중합 속도로도 전환이 가능하다.
증착된 ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름의 총 두께를 150 nm로 유지하기 위해, 유리 기판상에 증착된 하부 ZITO 층막의 두께는 100 nm로고정하였고, 중간의 Ag 층막의 두께는 6~12 nm로 변화시키면서 동시에 상부 ZITO 층막의 두께는 44~38 nm로 변화시켰다. 4-point probe 측정기(NAPSON RT-3000/RG-100)를 이용하여 면저항을 측정하였고 UV-visible-NIR (near infrared light, 근적외선) 분광광도계(Varian Cary 5000)를 사용하여 필름의 광학 특성을 조사하였다.
투과된 광의 수집 각도 (collection angle)는 약 ± 3°이었다. PDLC 셀에 외부 전압을 인가함으 로써, 인가전압 대 투과도 곡선이 얻어졌다. 구동 전압(V d )은 투과도가 포화값(T s )에 도달하게 하는 전기장을 생성하는 데 필요한 전압으로 정의하였다.
Photo-DSC, SEM 및 전기광학 측정 장치를 이용하여 ZITO/Ag/ZITO 다층막 투명전극을 적용한 2관능성 우레탄 아크릴레이트 기반 PDLC 시스템에 있어서 PDLC 층 두께 및 UV 세기 변화가 전기광학 특성, 광중합 동력학 및 표면 형태학에 미치는 영향을 조사하였다. 최적의 전기광학 및 형태학적 특성을 고려할 때, 15 μm의 PDLC 층 두께를 가지며 2.
RF/DC 마그네트론 증착 시스템(SELCOS-01)을 이용하여 ZITO/Ag/ ZITO 다층막 필름을 유리 기판에 증착시켰다. 이전 연구 결과[23,25] 를 토대로 300 W의 RF power에서 ZITO 층을 증착하기 위해 ZITO[99.
RF/DC 마그네트론 증착법을 이용하여 실온에서 유리 기판 상에 ZITO/Ag/ZITO 다층막 투명전극을 제조하였다. ZITO/Ag/ZITO (100/ 8/42 nm)로 이루어진 다층막 구조에 대해, 면저항이 9.
넣어 24 h 동안 건조시켰다. 고분자 매트릭스에 gold 증착 후, 고분자 매트릭스의 미세 구조는 SEM을 이용하여 관찰되었다.
광열량 측정 액세서리(TA 5000/DPC System)가 장착된 시차주사열 량계를 사용하여 photo-DSC 실험을 수행하였으며, 광개시를 위한 UV 광원은 365 nm 파장의 black-light 램프(ENF-240, Spectronics)를 사용 하였다. 이 때 UV 세기는 0.
기준 알루미늄 팬(reference aluminum pan)은 비워두었고, 무게 1.0 ± 0.1 mg의 PDLC시료는 뚜껑을 닫지 않은 알루미늄 팬에 적하하여 photo-DSC 장치에 거치 후 UV를 조사하여 실험을 진행하였다.
둘째, UV 세기 인자가 ZITO/Ag/ZITO 다층막 투명전극 적용 PDLC 샘플 셀의 광경화 동력학 및 전기광학 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 화합물의 광중합 공정을 알아보기 위해 photo-DSC를 이용하여 광경화 동력학을 조사하였다.
이전 연구[23,24]에서, ZITO/Ag/ZITO 다층막 전극이 UV 광경화 PDLC 기반 스마트 윈도우에 처음으로 적용되었으며 기존 ITO 투명 전극에 비해 ZITO/Ag/ZITO 다층막 투명전극 적용 PDLC 셀이 낮은 구동전압, 효과적인 적외선(infrared, IR) 및 UV 차단, 양호한 투과 특성을 나타냈다고 보고하였다. 또한, ITO 전극을 사용하여 아크릴레이트 기반 PDLC 시스템에서 아크릴레이트 모노머의 함량 비율이 전기 광학 특성에 미치는 영향을 조사하였고, 광경화 속도 및 액정 droplet 크기를 제어하여 PDLC의 전기광학 특성을 최적화하였다. 하지만 ZITO/Ag/ZITO 다층막 전극 적용 아크릴레이트 기반 PDLC 시스템의 광경화 조건에 따른 전기광학적 및 형태학적 특성 최적화 연구는 충분하게 수행되지 않았다.
셋째, ZITO/Ag/ZITO 다층막 전극 적용 UV 경화형 PDLC 기반 스마트 윈도우의 최종 성능을 최적화하기 위해 0.5~2.5 mW/cm2의 UV 세기 하에서 두께 15 μm로 고정된 PDLC 셀의 전기광학 특성을 조사 하였다.
이전 섹션에서 UV 세기 변화가 ZITO/Ag/ZITO 다층막 전극 적용 PDLC 기반 스마트 윈도우의 광경화 동력학 및 전기광학 특성에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. 여기서는 SEM을이용하여 UV 세기 변화에 따른 PDLC 복합체의 형태학 및 전기광학 특성과의 상관관계를 조사하였다.
증착된 ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름의 총 두께를 150 nm로 유지하기 위해, 유리 기판상에 증착된 하부 ZITO 층막의 두께는 100 nm로고정하였고, 중간의 Ag 층막의 두께는 6~12 nm로 변화시키면서 동시에 상부 ZITO 층막의 두께는 44~38 nm로 변화시켰다. 4-point probe 측정기(NAPSON RT-3000/RG-100)를 이용하여 면저항을 측정하였고 UV-visible-NIR (near infrared light, 근적외선) 분광광도계(Varian Cary 5000)를 사용하여 필름의 광학 특성을 조사하였다.
최적화 실험 수행을 위해 첫째, UV 세기를 1.0 mW/cm 2 로 고정시킨 후 PDLC 층 두께 인자가 2장의 ZITO/Ag/ZITO 다층막 전극을 사용하여 제조된 PDLC 샘플 셀의 전기광학 특성에 미치는 영향을 조사 하였다. Figure 4는 PDLC 층 두께에 따른 PDLC 셀 투과도의 전압 의존성을 나타낸 그림이며, 얻어진 데이터 값은 Table 1에 정리하였다.
할로겐 램프 광원과 CCD 검출기(AvaSpec-2048, Avantes) 및 샘플 스테이지가 장착된 광학 실험 장치(AvaLight-Hal, Avantes)를 이용하여 550 nm에서 평행광 투과도가 측정되었다. 투과된 광의 수집 각도 (collection angle)는 약 ± 3°이었다.

대상 데이터

Aliphatic urethane diacrylate oligomer (EB 230, SK-CYTEC)가 수지 로서 사용되었고, 2-ethylhexyl methacrylate (EHMA, Aldrich)와 2-ethylhexyl acrylate (EHA, Aldrich)가 모노머로서 사용되었으며 1,6-hexanediol diacrylate (HDDA, Aldrich)가 가교제로서 2,4,6-trimethylbenzoyl-diphenyl-phosphineoxide (TPO, Ciba Specialty Chemicals)가 광개 시제로서 사용되었다. 네마틱(nematic) 액정으로는 Merck사의 cyanobiphenyl계 액정 혼합물인 E7을 사용하였으며, E7은 51%의 5CB (n-pentylcyanobiphenyl), 25%의 7CB (n-heptylcyanobiphenyl), 16%의 8OCB (n-octyloxycyanobiphenyl), 및 8%의 5CT (n-pentylcyanoterphenyl)로혼합되어 있다.
Prepolymer 배합은 45 wt% EB230, 25 wt% 2-EHA, 20 wt% 2-EHMA, 9 wt% HDDA 및 1 wt% TPO를 혼합하여 제조되었다. PDLC 배합물은 65 wt% E7 액정 혼합물과 35 wt% prepolymer를 실온에서 5 h에걸쳐 교반함으로써 제조되었고, UV 광경화를 위한 광반응성 혼합물로서 사용되었다. PDLC 셀 샘플은 2장의 전도성 ZITO/Ag/ZITO 투명전 극이 증착된 유리 기판(50 × 50 mm 2 ) 사이에 PDLC 배합물을 삽입하여 UV 경화시킴으로써 제조되었다.
PDLC 셀 샘플은 2장의 전도성 ZITO/Ag/ZITO 투명전 극이 증착된 유리 기판(50 × 50 mm 2 ) 사이에 PDLC 배합물을 삽입하여 UV 경화시킴으로써 제조되었다.
ZITO/Ag/ZITO (100/ 8/42 nm)로 이루어진 다층막 구조에 대해, 면저항이 9.4 Ω/m2이고 550 nm에서 투과도가 83.2%인 투명 전도성 필름이 얻어졌다.
Aliphatic urethane diacrylate oligomer (EB 230, SK-CYTEC)가 수지 로서 사용되었고, 2-ethylhexyl methacrylate (EHMA, Aldrich)와 2-ethylhexyl acrylate (EHA, Aldrich)가 모노머로서 사용되었으며 1,6-hexanediol diacrylate (HDDA, Aldrich)가 가교제로서 2,4,6-trimethylbenzoyl-diphenyl-phosphineoxide (TPO, Ciba Specialty Chemicals)가 광개 시제로서 사용되었다. 네마틱(nematic) 액정으로는 Merck사의 cyanobiphenyl계 액정 혼합물인 E7을 사용하였으며, E7은 51%의 5CB (n-pentylcyanobiphenyl), 25%의 7CB (n-heptylcyanobiphenyl), 16%의 8OCB (n-octyloxycyanobiphenyl), 및 8%의 5CT (n-pentylcyanoterphenyl)로혼합되어 있다. 모든 화학 물질은 추가 정제 없이 사용되었고, Figure 1에 본 연구에 사용된 물질들의 화학구조식을 나타내었다.
또한, 본 연구에서 제조된 최적 조건의 PDLC 기반 스마트 윈도우는 광을 효율적으로 산란시킬 수 있는 2~5 μm 크기의 양호한 마이크로 구조를 갖는 액정 droplet들이 형성되었으며, 이로 인해 우수한 최종 물성을 갖는 ZITO/Ag/ZITO 다층막 투명전극 적용 PDLC 셀이 제조되었다.
셀 갭(cell gap) 유지를 위해 고분자볼 스페이서(polymer ball spacers)를 사용하였으며 두께는 10~25 μm까지 조절되었다.
셀 갭(cell gap) 유지를 위해 고분자볼 스페이서(polymer ball spacers)를 사용하였으며 두께는 10~25 μm까지 조절되었다. 이 때 사용된 UV 램프는 365 nm 파장의 black-light 램프(ENF-240, Spectronics)를 사용하였으며 UV 세기는 0.5~2.5 mW/cm 2이었고 UV 조사 시간은 3 min이었다.
이와 같은 임계 두께 이하에서는 두께가 증가할수록 Ag island에 의한 산란이 점차 감소하면서 광투과도는 증가하지만, 임계 두께 이상에서는 Ag layer (박막층) 로 형성되기 때문에 금속의 광반사 특성에 의해 투과도가 감소하는 경향을 나타내는 것이다. 이와 같은 경향으로 본 연구에서는 최적 임계 두께가 8 nm임을 확인하였고, 이에 따라 다층 박막의 Ag 금속 삽입층 최적 두께를 8 nm로 선정하였다. 본 연구에서 얻어진 ZITO/Ag/ ZITO 다층막 필름의 투과도 곡선은 가시광선 범위에서 우수한 투과 도를 나타냈을 뿐만 아니라 기존 ITO 전극에 비해 IR 및 UV 광선을 효과적으로 차단할 수 있기 때문에 PDLC 기반 스마트 윈도우로의 적용이 유용할 것으로 판단된다.
RF/DC 마그네트론 증착 시스템(SELCOS-01)을 이용하여 ZITO/Ag/ ZITO 다층막 필름을 유리 기판에 증착시켰다. 이전 연구 결과[23,25] 를 토대로 300 W의 RF power에서 ZITO 층을 증착하기 위해 ZITO[99.9%, 8 in., ZnO/In 2 O 3 /SnO 2 (16.1/75.5/8.4 at.%)] 증착 타겟(sputtering target)이 사용되었다. 90 sccm의 Ar 가스를 사용하여 필름 증착의 작업 압력은 0.
기판-타겟의 수직거리는 150 mm이었고 증착시 기판 홀더가 회전하였다. 중간에 삽입되는 Ag 층 증착을 위해, Ag (99.99%, 8 in.) 타겟이 사용되었다. DC 마그네트론 증착법을 이용하여 Ag 층은 DC power 200 W에서 증착되었으며, 이 때 작업 압력은 0.

성능/효과

Photo-DSC 실험결과에서 보듯 UV 세기 증가가 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 시스템의 광경화도 및 광경화 속도 모두 증가시 켰음을 알 수 있다. 이는 액정 분자와 prepolymer 사이의 상분리 속도를 증가시키는 결과를 초래하였고, 특히 2.
전반적인 광경화도의 관점에서 보면, UV 세기를 증가시키면 발열량 및 전환율이 점차적으로 증가하였는데, 이는 UV 세기가 증가할수록 광경화된 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 복합체 내부의 고분자 네트워크의 가교밀도가 증가하였음을 나타낸다. UV 광경화 속도 관점에서는, UV 세기가 커질수록 유도 시간(1%의 전환율에 도달 하는 시간, 즉 광개시제 효율과 관련이 있음) 및 최대 피크(최대 발열 피크에 도달하는 시간)는 감소하였으나 R_p,max는 증가하였는데, 이는더 높은 UV 세기가 PDLC 화합물로 하여금 더 빠른 속도의 광중합반 응을 유도하였음을 보여준다. 예상한 바와 같이, UV 세기의 증가는 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 시스템의 전반적인 광경화도및 광경화 속도 모두를 증가시켰다.
Figure 3(a)는 Ag 층 두께에 따라 실온에서 유리 기판 상에 증착된 ZITO/Ag/ZITO 다층막의 투과도 그래프(유리 기판으로 정규화 되지 않음)를 나타낸 그림이다. ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름은 550 nm에서 74% 이상의 비교적 우수한 투과도 값을 나타내는 것으로 확인되었다. ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름의 투과도 곡선은 삽입된 Ag 층의 두께에 따라 다양하게 변화하였다.
ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름의 면저항 값은 Ag 두께가 증가함에 따라 현저히 감소하였고, Ag 두께 8 nm 이상인 경우 금속 필름에 적용 가능한 충분히 낮은 저항 값(≤ 10 Ω/m 2 )이 얻어졌다.
ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름의 투과도 곡선은 삽입된 Ag 층의 두께에 따라 다양하게 변화하였다. ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름의 투과도는 NIR 영역에서 감소하였고, 또한 이들 투과도 곡선의 peak 점도 Ag 층의 두께가 증가함에 따라 단파장 영역으로 이동하였다. 이러한 거동은 Figure 3(b)와 같이 IR 영역에서 금속성인 Ag의 막 두께가 증가함에 따라 빛의 반사가 증가한 것이 원인으로 추측된다[9,10].
ZITO/Ag/ZITO 다층막 필름은 대체로 Ag 층이 8 nm 보다 두꺼울 때 적외선(열선)의 강한 차단을 나타냈다. ZITO/Ag/ZITO 다층막의 550 nm에서의 투과도 값은 Ag 층의 두께에 따라 변화하였으며, Ag두께가 6 nm일 경우 550 nm에서 투과도는 80.7%이었고, Ag 두께가 8 nm일 때 가장 높은 83.2%의 투과도를 나타냈다. Ag와 유전층 사이의 높은 굴절률은 효율적인 플라즈몬 결합(plasmon coupling)을 유도 하여 우수한 가시광 투과도를 달성할 수 있다[20,23,26].
실험을 통해 PDLC 층 두께 인자에 따른 PDLC 셀의 전반적인 전기광학 특성을 고려하면, 15 μm 두께일 때 PDLC 셀이 가장 만족할 만한 off-state 불투명도, on-state 투과도 및 Vd 를 나타냄을 알 수 있었다.
예상한 바와 같이, UV 세기의 증가는 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 시스템의 전반적인 광경화도및 광경화 속도 모두를 증가시켰다. 실험을 통해 UV 세기 변화는 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 화합물의 광경화 거동에 상당한 영향을 미쳤음을 알 수 있었으며, 분석된 광경화 동력학적 데이터는 UV 세기 조절을 통해 광경화형 PDLC 시스템의 액정 droplet 크기, 광중합 속도 및 전기광학 특성이 제어될 수 있음을 보여주는 결과이다.
UV 광경화 속도 관점에서는, UV 세기가 커질수록 유도 시간(1%의 전환율에 도달 하는 시간, 즉 광개시제 효율과 관련이 있음) 및 최대 피크(최대 발열 피크에 도달하는 시간)는 감소하였으나 R_p,max는 증가하였는데, 이는더 높은 UV 세기가 PDLC 화합물로 하여금 더 빠른 속도의 광중합반 응을 유도하였음을 보여준다. 예상한 바와 같이, UV 세기의 증가는 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 시스템의 전반적인 광경화도및 광경화 속도 모두를 증가시켰다. 실험을 통해 UV 세기 변화는 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 화합물의 광경화 거동에 상당한 영향을 미쳤음을 알 수 있었으며, 분석된 광경화 동력학적 데이터는 UV 세기 조절을 통해 광경화형 PDLC 시스템의 액정 droplet 크기, 광중합 속도 및 전기광학 특성이 제어될 수 있음을 보여주는 결과이다.
5 mW/cm ² 의 UV 세기에서 제조된 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 복합체의 고분자 매트릭스 표면의 SEM 사진을 나타낸 그림이다. 이 그림을 통해 UV 세기가 증가할수록 PDLC 복합체의 매트릭스 내에서 액정 droplet의 크기가 점차 감소됨을 확인할수 있는데, 이는 앞에서도 설명하였듯이 UV 광경화 속도가 빠를수록 액정 분자와 prepolymer 사이의 상분리 시간이 단축되어 액정 droplet 의 크기가 작게 형성된다는 것을 의미한다. 특히, 2.
100 ℃에서 UV 경화반 응에 의해 측정된 PDLC 시료의 발열값은 109 J/g이었으며, 이 값은 완전 UV 경화된 PDLC 복합체에 대한 총 발열량(ΔH total )으로 간주하 였다. 이 측정값은 이후 모든 PDLC 시료의 발열량 측정의 비교 분석에 활용되었고, 모든 발열량은 prepolymer의 질량에 따라 정규화(normalized) 되었다. 또한, photo-DSC 실험의 모든 데이터 값은 TA Instruments 소프트웨어를 사용하여 얻어졌다.
전반적인 광경화도의 관점에서 보면, UV 세기를 증가시키면 발열량 및 전환율이 점차적으로 증가하였는데, 이는 UV 세기가 증가할수록 광경화된 2관능성 우레탄 아크릴레이트계 PDLC 복합체 내부의 고분자 네트워크의 가교밀도가 증가하였음을 나타낸다. UV 광경화 속도 관점에서는, UV 세기가 커질수록 유도 시간(1%의 전환율에 도달 하는 시간, 즉 광개시제 효율과 관련이 있음) 및 최대 피크(최대 발열 피크에 도달하는 시간)는 감소하였으나 R_p,max는 증가하였는데, 이는더 높은 UV 세기가 PDLC 화합물로 하여금 더 빠른 속도의 광중합반 응을 유도하였음을 보여준다.
5 mW/cm² 에서는 T_o가 다소 증가하는 경향을 보여주었다. 즉, off-state에서의 불투명도는 UV 세기 2.0 mW/cm² 에서 가장 우수한 특성이 나타남을 알 수 있었다. 또한, Table 3에서 UV 세기가 증가할수록 T_s 가 저하되었는데 이는 UV 세기가 증가하면 액정 분자와 prepolymer 사이의 상분리 속도가 빨라져 상대적으로 작은 액정 droplet들이 형성되었고 이로 인해 산란 특성이 증대되어 투과도가 저하된 것으로 생각된다.
이 그림을 통해 UV 세기가 증가할수록 PDLC 복합체의 매트릭스 내에서 액정 droplet의 크기가 점차 감소됨을 확인할수 있는데, 이는 앞에서도 설명하였듯이 UV 광경화 속도가 빠를수록 액정 분자와 prepolymer 사이의 상분리 시간이 단축되어 액정 droplet 의 크기가 작게 형성된다는 것을 의미한다. 특히, 2.5 mW/cm² 의 UV 세기에서 광경화된 고분자 매트릭스 내의 액정 droplet 크기가 가장 작아짐을 관찰할 수 있었는데, 이는 Table 3의 전기광학 특성에서 살펴본 바와 같이 액정 droplet 크기가 감소할수록 액정 분자를 정렬시 키는 데 더 높은 전기장이 필요하게 되어 V_d 값 상승으로도 이어졌음을 알 수 있었다. 또한 Table 3에서 UV 세기가 증가할수록 T_s가 저하 되었는데, 이는 UV 세기가 증가하면 액정 분자와 prepolymer 사이의 상분리 속도가 빨라져 상대적으로 작은 액정 droplet들이 형성됨으로 인해 산란 특성이 증대되어 투과도가 저하된 것으로 설명하였는데, Figure 7의 SEM 사진들을 통해서 이러한 설명이 뒷받침됨을 확인할수 있었다.

후속연구

2%인 투명 전도성 필름이 얻어졌다. ZITO/ Ag/ZITO 다층막 필름의 면저항 및 투과도 특성은 적외선(열선)을 효과적으로 차단할 수 있기 때문에 PDLC 기반 스마트 윈도우 적용에 매우 유용함을 알 수 있었으며 이러한 특성으로 인해 에너지 절약형 스마트 유리로서의 응용도 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서 새롭게 개발된 투명 전도성 전극을 활용한 UV 광경화형 PDLC 기반 스마트 윈도우의 최종 물성을 최적화하기 위해서는 우선 PDLC 층 두께 및 UV 세기 변화가 어떻게 PDLC 복합체의 기계적및 전기광학 특성에 영향을 미치는지를 이해해야 하며, 또한 광중합 속도, 액정 분자와 prepolymer 사이의 상분리 속도, 액정 droplet 크기및 고분자 매트릭스의 가교 밀도에 미치는 영향에 대해서도 이해할 필요성이 있다.
이와 같은 경향으로 본 연구에서는 최적 임계 두께가 8 nm임을 확인하였고, 이에 따라 다층 박막의 Ag 금속 삽입층 최적 두께를 8 nm로 선정하였다. 본 연구에서 얻어진 ZITO/Ag/ ZITO 다층막 필름의 투과도 곡선은 가시광선 범위에서 우수한 투과 도를 나타냈을 뿐만 아니라 기존 ITO 전극에 비해 IR 및 UV 광선을 효과적으로 차단할 수 있기 때문에 PDLC 기반 스마트 윈도우로의 적용이 유용할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ITO의 단점은?	현재 ITO (indium tin oxide)는 뛰어난 광전자 특성으로 인해 스마트 윈도우 적용에 가장 널리 사용되는 투명 전도성 전극이다. 하지만 높은 비용, 비교적 낮은 일함수(~4.7 eV) 및 H 2 플라즈마에 대한 낮은 저항성이 차세대 평면 디스플레이 및 스마트 윈도우 분야에서의 응용 성을 제한시키는 요인이 되었다[15,16]. 유연 기판 상에 증착된 다결 정질 ITO 층막은 갈라짐 현상, 기판 변형, 열악한 유연성 및 에칭성 문제 등이 나타나는 것으로 보고되어 왔다[17,18].
	PDLC 기반 스마트 윈도우의 특징은?	스마트 윈도우(또는 스위칭 필름, 스위칭 글레이징) 제조기술은 고분자분산액정(polymer-dispersed liquid crystals, PDLC), 전기변색(elec-trochromic), 열변색(thermochromic), 광변색(photochromic) 및 분극입자 현탁액 소자(suspended particle device)와 같은 다양한 재료를 사용 하여 광범위하게 연구되어 왔다[1-6]. PDLC 기반 스마트 윈도우는 간단한 스위칭에 의해 빛을 조절할 수 있는 고유한 기능과 제조 공정의 편리성으로 인해 큰 관심을 받아왔으며 광학 셔터, 사생활 보호 스위칭 윈도우, 유연 디스플레이, 프로젝션 디스플레이 및 기타 조명 제어 장치와 같은 다양한 전기광학 응용분야에서 그 잠재력을 인정받고 있다[7-14]. 일반적으로 스마트 윈도우를 제조하기 위해서는 투명 전도성 산화물, 탄소 나노튜브, 전도성 고분자 및 은 나노 와이어와 같은 물질로 구성된 투명 전도성 전극의 사용이 필수적이다.
	유전체/금속/유전체 다층막 필름의 장점은?	ITO/Ag/ITO, ZITO/Ag/ZITO 및 IZO/Ag/IZO와 같은 oxide/Ag/oxide 다층막은 유망한 투명전극 물질로서 유기발광 다이오드, 염료감응 태양전지, 스마트 윈도우 및 유연 디스플레이 적용에 최근 많은 관심을 받아왔다. 왜냐하면, 유전체/금속/유전체 다층막 필름 시스템은 금속 층으로부터의 반사를 억제하고 선택적 투명 효과를 얻을 수 있으며 우수한 유연성을 제공할 수 있기 때문이다. 실제로 oxide/Ag/oxide 다층막 전극이 뛰어난 전기적, 기계적 특성을 갖는 것은 물론 연성의 Ag 층 영향으로 인해 높은 투과도, 낮은 면저항 및 필름의 우수한 유연성을 부여한다는 보고가 많은 연구진에 의해 발표되었다[19-22].

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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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