초록 ▼

선형 포화 고분자 polyethylene, polyvinylidenefluoride, 그리고 polytetrafluoroethylene 등의 단순한 구조식을 갖는 고분자에 1.0 keV 의 저에너지 이온을 반응성 기체 분위기에서 고분자 위에 조사하여 표면의 특성을 변화시키고 화학적 반응의 원인과 표면 물성을 조사하였다. 이온이 조사한 표면은 free radical들의 형성으로 활성화되었으며 분위기 산소와의 반응에 의해 -C-O-, -(C=O)-, -(C=O)-O- 등의 극성 작용기가 형성되었다. 극성 작용기의 형성은 표면의 극성 에

선형 포화 고분자 polyethylene, polyvinylidenefluoride, 그리고 polytetrafluoroethylene 등의 단순한 구조식을 갖는 고분자에 1.0 keV 의 저에너지 이온을 반응성 기체 분위기에서 고분자 위에 조사하여 표면의 특성을 변화시키고 화학적 반응의 원인과 표면 물성을 조사하였다. 이온이 조사한 표면은 free radical들의 형성으로 활성화되었으며 분위기 산소와의 반응에 의해 -C-O-, -(C=O)-, -(C=O)-O- 등의 극성 작용기가 형성되었다. 극성 작용기의 형성은 표면의 극성 에너지를 증가시키므로 표면의 친수성이 증진되며 금속 박막과의 접착력이 증가한다. 이온빔에 의한 분자 방출 결과로서 PE 와 PVDF 에서는 탄소 사슬은 거의 방출되어 나오지 않았으며 PTFE 는 탄소 사슬이 방출되어 나오는 것을 확인하였다. 이온에너지의 영역이 핵간 충돌 저지능에 비하여 크므로 수소, 탄소, 불소의 순서로 이온으로부터의 전이 에너지가 크고 이온빔에 의한 초기 free radical 의 형성은 이온의 에너지, 질량과 고분자 조성에 의존한다. Free radical이 반응하여 형성하는 활성화된 표면은 반응성 기체와의 결합, cross linking, radical 의 확산 등으로 주로 종결되며 탄소 사슬의 파괴에 의한 일부 사슬의 휘발, 표면 손상에 의한 탄화상 등의 결함은 상대적으로 작다. 이온 보조 반응 처리된 PE의 표면은 주로 cross linking 되거나 극성 작용기를 형성하며 PTFE 의 표면은 굳은 내부 구조와 높은 결정성에 의해 탄소 사슬의 파괴와 방출이 발생한다. 이온이 조사된 PVDF 표면은 cage effect, 이중 결합 형성에 의한 radical 의 고분자 사슬을 통한 확산, 높은 free radical yield 등의 복잡한 화학적 반응들이 혼재되어 있으며 최종적인 표면의 화학적 상태는 각 원소의 표면 결합 에너지 및 radical 반응 등의 고분자 내부의 화학적 성질에 의해 결정된다. 이온 보조 반응에 의해 변화된 표면은 우수한 내구성과 뛰어난 친수성, 화학적 안정성, 정확한 재현성 등의 우수한 특징을 가지고 있다. 특히, 극성 용매내에서 물에 대한 접촉각이 10˚ 이상 변하지 않는 화학적 안정성을 가지고 있으므로 탄소사슬의 길이가 충분히 큰 것을 확인하였고 이온 보조 반응에 의한 표면의 손상이 적다는 것을 알 수 있다. 또한, 극성 작용기에 의해서 금속 박막에 대한 donor acceptor 상호작용의 증진을 통해서 금속과 고분자 사이의 접착력이 증진되었다. 이온이 조사된 선형 고분자와 세라믹스의 계면은 극성 작용기가 형성되었으므로 접착력이 증진되었다. 이온 보조 반응을 이용하여 성공적으로 친수성 표면, 금속 접합력 증가 등의 특성 변화를 얻을 수 있었으며 이온 보조 반응에 의한 최적조건과 최종 표면 상태는 분자 구조 및 조성, 이온 조사량, 이온 에너지 등에 의존한다.

Abstract ▼

Linear saturated polymers, such as polyethylene (PE), polyvinylidenefluorlde (PVDF), and polytetrafluoroehtylene (PTFE) were modified by 1 keV low energy ion beam irradiation in an owygen gas environment in order to modify surface properties. The modified surface consisted of activated free radicals

Linear saturated polymers, such as polyethylene (PE), polyvinylidenefluorlde (PVDF), and polytetrafluoroehtylene (PTFE) were modified by 1 keV low energy ion beam irradiation in an owygen gas environment in order to modify surface properties. The modified surface consisted of activated free radicals and functional groups such as the ether [-C-O-], carbonyl [-(C=O)-], carboxyl [-(C=O)-O-] groups, etc. The formation of functional groups could be due to chemical reactions between the activated surface and oxygen gas. These surface chemical reactions can induce increments of surface polar energy and enhancement of wettability. Form in-suit molecular emission results, the fragments of carbon backbone can be emitted not form ion irradiated surface of PE and PVDF, but form that of PTFE. In this low energy range, nuclear stopping is larger than electronic stopping. Average kinetic energy transferred to fluorine atoms from the energetic ions is larger than that to hydrogen and carbon atoms. Molecular emission of PTFE backbone was occurred due to the inner dense structure, high crystallinity and rigid bond character. The formation of free radicals on the modified surface depends on the ion energy, ion dose, and polymer composition. The surface chemistry studies revealed that the activated carbon backbone can be terminated by the formation of the functional groups, crosslinking, and carbonization. The surface damage such as the volatility of backbone fragment and carbonization is much reduced on the surface irradiated by low energy ion beam comparing with the high energy ion irradiation. The chemical state of PE surface could be determined by the formation of the polar groups and corsslinking. Cage effect, radical propagation by a doubly bonded carbon, high free concentration, cross linking, and so on could be considered to result in the complex chemical state on the PVDF surface. On the modified PTFE surface, supttering and re-deposition of carbon backbone results in -CF3 termination and cross-linking. the final surface state of polymer can be determined by inner chemical properies of polymer such as surface binding energy, radical reaction, bond energy and so on. Wettability of the modified polymer were stable with immersing time in polar liquid stability measurement and the chemical stability of polymer surface can indicate that molecule length of carbon backbone is long enough not to dissolve into polar liquid due to the small carbon bond scission by IAR treatment.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...13
• 제 2 장 이론적 고찰...17
• 2-1 원자핵의 직접적 탄성 충돌...17
• 2-2 전자의 간섭에 의한 비탄성 충돌...23
• 2-3 저에너지 영역에서의 입자간 충돌 전산모사...24
• 제 3 장...31
• 3-1 실험재료...31
• 3-2 이온빔 조사 조건...31
• 3-3 표면특성분석...31
• 제 4 장 이온 보조 반응기구...33
• 4-1 이온원의 특성...33
• 4-2 방출 분자...37
• 4-2-1 이온빔 조사중의 방출 분자...37
• 4-2-2 이온빔 조사 중의 방출 분자...44
• 4-2-3 표면 결함에 의한 PE, PVDF, PTFE의 화학적 반응...57
• 4-3 이온 보조 반응법으로 처리된 고분자 표면...64
• 4-3-1 표면 형상...64
• 4-3-2 고분자 표면의 결합...69
• 4-3-3 고분자 표면의 접촉각...87
• 제 5 장 플라즈마 고분자 막 합성...99
• 5-1 DC 플라즈마 방전시 압력변화...99
• 5-2 중합된 고분자의 접촉각 변화...101
• 5-3 Anode 와 Cathode 에 중합된 고분자의 특성...104
• 5-4 기체 혼합비의 변화...107
• 5-5 열처리의 영향...109
• 5-6 XPS 분석...111
• 제 6 장 결 론...113
• 참고문헌...114