초록 ▼

□ 연구개요
본 연구자 목표는 공정 조건에 따른 경로의존적 고분자 나노콤포짓의 구조와 물성, 성능을 분석하고 그 매커니즘을 규명하는 것이다. 고분자 나노콤포짓은 주로 고분자 재료의 특성을 향상시키기 위해 다양한 형태의 무기 나노 입자를 고분자에 분산시킨 재료를 말한다. 적절한 나노 입자의 분산은 고분자의 기계적, 열적, 광학적, 통기적, 유변학적, 전기적 물성을 획기적으로 변화시킬 수 있다. 이번 연구에서는 고분자 나노콤포짓 구조와 물성이 재료의 조성에 의존하는 열역학적 요인뿐만 아니라 경로 의존적 고분자-용매 상호작용에 의해

□ 연구개요
본 연구자 목표는 공정 조건에 따른 경로의존적 고분자 나노콤포짓의 구조와 물성, 성능을 분석하고 그 매커니즘을 규명하는 것이다. 고분자 나노콤포짓은 주로 고분자 재료의 특성을 향상시키기 위해 다양한 형태의 무기 나노 입자를 고분자에 분산시킨 재료를 말한다. 적절한 나노 입자의 분산은 고분자의 기계적, 열적, 광학적, 통기적, 유변학적, 전기적 물성을 획기적으로 변화시킬 수 있다. 이번 연구에서는 고분자 나노콤포짓 구조와 물성이 재료의 조성에 의존하는 열역학적 요인뿐만 아니라 경로 의존적 고분자-용매 상호작용에 의해 극명하게 달라질 수 있음을 보이려 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
A. 경로 의존적 공정에 따른 고분자 나노콤포짓의 물성 및 구조를 분석 및 매커니즘 규명 – 실리카/PEG를 모델시스템으로 하여 수행한 결과, 초기 용매는 계면 고분자의 성질에 변화시켜 최종 고분자 나노콤포짓에까지 영향을 미치는 것을 발견하였다. 용매의 질에 따라 계면 고분자의 양이 차이가 났으며, 이 차이에 따라 계면 층 두께가 약 1-2 나노미터 정도 나는 것을 알 수 있었다. 1-2 나노미터에 불과하는 계면 층 두께 차이는 최종 고분자 나노콤포짓의 구조와 물성에도 지대한 영향을 미쳐 중요하게 고려되어야 할 요인임을 밝혀내었다.
B. 카테콜 이용 입자 표면 처리를 통한 경로 의존적 물성 변화의 매커니즘의 규명과 물성 극대화 – A단계 연구결과에서 고분자 나노콤포짓의 경로 의존적 구조 및 물성은 계면에서의 성질이 공정 조건에 따라 판이하게 달라지기 때문임을 알았다. 이에 착안하여 카테콜 분자를 이용하여 나노 입자의 표면 처리를 통해 어떤 표면 처리의 과정을 거쳤을 때 고분자 나노복합체의 물성이 극대화될 수 있는 지 알아보았다. 카테콜 분자와 같이 강한 수소 결합을 일으키는 물질로 표면 처리를 한 결과 입자 간 응집을 활발히 일으켜 계층적 입자 네트워크를 형성시킬 수 있는 것을 발견하였다. 그리고 그러한 입자 네트워크가 형성되었을 때 재료의 물성이 약 100배 이상 향상될 수 있음을 관찰하였다.
C. 고분자와 나노 입자의 상대적인 크기 비에 따른 초기 용매에 의해 유도된 비평형 효과 관찰 – 나노 입자의 크기가 고분자 사슬 크기에 준할 정도로 작아졌을 때 비평형 효과가 어떤 양상으로 나타날 수 있을지 관찰하였다. 우선, 기존에 발견했던 초기 용매의 효과는 입자 크기가 작아지더라도 정성적으로 동일하게 유지되는 것을 관찰하였다. 하지만, 입자 크기가 작아짐에 따라 초기 용매의 효과가 반전되는 fc 값이 감소하였고 또한 용매에 따른 고분자 나노콤포짓의 물성 차이를 더욱 크게 만들었다. 즉, 입자 크기가 작아질수록 공정 조건에 좀 더 민감하고 강하게 반응하는 것을 알 수 있었다.

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
첫째, 일반적으로 입자의 분산성은 입자와 고분자의 화학적 성질 및 분자량 등에 따라 결정된다고 알려져 있다. 하지만, 나노콤포짓에 도달하는 경로에 따라 최종 구조 및 물성이 달라진다는 사실은 계면에서의 kinetics가 굉장히 중요한 요인이 될 수 있다는 점을 시사한다. 초기 용매에 따라 전혀 다른 구조와 물성을 가진 콤포짓이 얻어진다는 사실은 산업으로의 도입을 생각하면 매우 중요함에도 불구하고 여지껏 간과되었다. 이를 재조명하여 제작 경로와 최종 물성 간의 상관관계를 규명하였다는 것은 해당 분야에 학문적으로 그리고 실용적으로도 중요한 결과일 것이다.
둘째, 고분자 나노콤포짓 내의 나노 입자 분산성을 조절할 수 있는 새로운 변수로서 ‘경로 의존성’ 이라는 것을 제시함으로써, 기존의 방법으로는 얻기 힘들던 향상된 물성을 얻을 수 있는 가능성을 보여줄 것이다. 결론적으로 고분자와 나노 입자의 synergistic 상호작용을 일으킬 수 있는 경로 의존적 매커니즘을 제시할 것으로 기대한다.
셋째, 단순한 혼합의 문제로 여겨 주먹구구식으로 최적 조건을 잡아 시행되었던 공정 방식의 문제에 보다 체계적으로 접근함으로써 공정 효율성에 대한 통찰력을 제공할 것이다.
이를테면 공정에 있어서 점도는 가장 중요한 문제인데, 선행연구결과는 정확히 같은 구성성분을 갖고 있다 하더라도 경로에 따라 점도가 약 1000배 이상까지 차이나는 현상을 보여주었다. 따라서, 경로를 제어함으로써 유리한 공정 조건을 확립할 수 있을 것이다

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• A. 경로 의존적 공정에 따른 고분자 나노콤포짓 구조와 물성 분석 및 매커니즘 규명 ... 6
• B. 카테콜이용 입자 표면 처리를 통한 경로 의존적 물성변화 매커니즘의 규명과 물성 극대화 ... 8
• C. 고분자와 나노 입자의 상대적인 크기 비에 따른 초기 용매에 의해 유도된 비평형 효과 관찰 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 9
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 6. 참고문헌 ... 18
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 19
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 24
• 끝페이지 ... 39