미세·나노구조의 직접 광제작을 위한 광민감성 하이브리드재료의 제조 및 특성

Abstract

본 연구에서는 높은 광민감성 무-유기 하이브리드 재료의 제조와 그들의 우수한 물성에 대해 특성평가를 하였다. 높은 광민감성 하이브리드 재료는 무기 network과 유기물의 crosslink로 구성된다. 높은 광민감성 하이브리드 소재의 무기 network은 솔-젤 공정을 통해 제조되고 이러한 무기 network 을 통해 재료의 기계적, 화학적 내구성과 우수한 광투과도를 나타나게 되고, 높은 광민감성 하이브리드 소재의 유기 crosslink은 광조사를 통해서 형성되며 하이브리드 소재의 광민감성을 향상시켜준다. 첫번째로, 향상된 광민감성을 위해서 매우 높은 축합도를 지니는 주요 matrix가 요구되고, 이러한 축합도의 향상은 직접 광제작 시에 매우 긍정적인 영향을 미치게 된다. 그래서, 광민감성 polymerizable group 을 지니고 있는 3-methacryloxy propyltrimethoxy-silane(MPTMS) 과 perfuloroalkylsilane(PFAS) 로 이루어진 methacryl fluorinated silica HYBRIMER(MF) 와 여기에 hetero-metal(Zr) alkoxide 를 추가해서 제조한 methacryl fluorinated silica-zirconia HYBRIMER(MFZ) 를 솔-젤 공정의 주요변수인, 반응촉매 반응시간, 용매의 휘발, 이종금속 알콕사이드의 사용을 통해 광민감성 하이브리드 소재의 주요 matrix 를 제조하였고 이들 matrix의 축합도를 향상시킬 수 있었고 조절할 수 있었다. 이렇게 제조된 높은 축합도를 지닌는 MF와 MFZ는 Si NMR, FT-IR, Raman spectroscopy, MALDI-TOF, SANS를 통해서 구조분석을 실시하였다. MF와 MFZ의 무기 network의 구조와 축합 정도는 반응촉매와 반응시간에 매우 민감하게 변화하였고, 촉매의 농도가 증가하고 반응시간이 증가할수록 그들의 축합도는 향상됨을 FT-IR과 Si NMR 분석을 통해 확인할 수 있었다. 그리고 이종금속의 사용으로 인해 훨씬 짧은 시간에 매우 높은 축합도를 지니는 MFZ를 제조할 수 있음을 확인하였다. 이렇게 높은 축합도를 지니는 MF 와 MFZ는 SANS를 통하여 그들의 입자 크기가 MF는 3 nm MFZ는 7 nm 근처의 크기로 분포함을 확인할 수 있었고 그들의 분자 무게는 대략 MF가 1200, MFZ가 1700정도의 무게를 지니고 다양한 형태의 고리형 구조를 하고 있음을 MALDI-TOF와 Raman을 통해서 확인하였다. 추가로, 이들 재료의 열안정성을 TGA를 통하여 확인하였는데, 5% wt loss가 $375 ~ 390^\circ C$ 정도였고, MF와 MFZ의 무기물의 잔류는 MF와 MFZ의 축합정도에 매우 민감하게 의존함을 확인하였다. 높은 축합도를 지니는 MF와 MFZ의 제조를 통해 높은 광민감성 무-유기 하이브리드 재료의 제조가 가능함을 확인하였고 MF에 비해 MFZ가 이종 금속인 지르코늄 알콕사이드의 사용으로 인해 짧은 반응시간으로 훨씬 효율적으로 축합도를 향상시킬 수 있었고 이로 인해 MFZ가 메인 matrix로서의 가능성이 높은 재료라고 할 수 있다. 두번째로, 솔-젤 공정의 제어를 통해 제조된 높은 축합도를 지니는 메인 matrix인 MFZ에 광개시제와 각기 다른 관능기를 지니는 acrylate monomer(mono-, di-, tri-acrylate monomer)를 간단하게 혼합함으로써 높은 광민감성 하이브리드 소재를 완전하게 제조할 수 있었다. 이렇게 제조된 광민감성 하이브리드 소재의 광민감성, 즉, 광원으로 사용된325 nm He-Cd laser 와 350 ~390 nm Hg lamp의 조사를 통해 재료의 굴절률과 부피의 변화를 prism coupler method 을 통해서 확인하였고 광개시제의 농도와 사용된 acrylate monomer의 관능기와 농도의 증가를 통해서 광민성을 월등히 향상시킬 수 있었다. 또한, 광민감성 하이브리드 재료는 He-Cd laser와 Hg lamp의 광조사를 통해서 매우 높은 굴절률 $