KR20120100696A

KR20120100696A - 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산, 이를 적용한 하이브리드, 방오성 하이브리드 코팅 막 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120100696A
Application number: KR1020110129324A
Authority: KR
Inventors: 하창식; 최면천; 성기주; 나가빤 사르와난; 박진주
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2031-12-05
Also published as: KR101297368B1

Abstract

폴리메틸하이드로실록산(polymetylhydrosiloxane, PMHS) 분자에 불소를 포함하는 이중결합을 가진 고분자를 백금 금속촉매를 사용하여 그래프트(graft) 시켜 부분적으로 불소로 개질되어 하기의 화학식을 갖는 방오성 코팅물질용 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산이 개시된다.

Description

불소 개질 폴리메틸하이드로실록산, 이를 적용한 하이브리드, 방오성 하이브리드 코팅 막 및 그 제조방법{Hyhobic polymetylhydrosiloxane based hybrid for coating applications}

본 발명은 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산과 이를 적용한 방오성 코팅용 불소개질 폴리메틸하이드로실록산 하이브리드에 관한 것이다.

더욱이 본 발명은 방오성 하이브리드 코팅 막과 이를 제조하는 방법에 관련한다.

일반적으로 표면 특성은 물방울 접촉각에 의하여 구분되는데, 물방울 접촉각이 10도 이하를 초친수, 10도에서 40도까지를 친수, 70도에서 110도까지를 소수 (또는 발수), 110도에서 180도까지를 초소수(또는, 초발수)라 부른다.

이러한 표면 특성은 코팅 물질의 화학적 성질이나 표면 조도를 변화시켜 표면에너지를 조절함으로써 제어가 가능하다.

표면 조도나 화학적 성질을 적절히 조절함으로써 심지어 표면상에서 이동하는 소량의 물로도 부착된 먼지 입자를 세척할 수 있다(WO 96/04123, US 3,354,022). 또한, EP-A-933388로부터 이러한 종류의 자가-세척 표면을 위해서는 1 이상의 종횡비(aspect ratio, 구조물의 너비에 대한 높이의 비율) 및 20 mN/m 미만의 표면 에너지가 요구된다는 것이 알려져 있다.

이러한 예는 자연에서 연잎을 통하여 알 수 있다. 소수성 및 왁스형 물질로부터 형성된 식물의 표면은 수 ㎛의 간격으로 규칙적인 융기부를 갖고 있어서 물방울과 접촉할 경우 물방울이 융기부의 끝 부분과 접촉함으로써 대부분의 물방울 표면은 공기와 접촉하게 된다. 따라서, 물방울의 형상은 공기 중에 노출되었을 경우와 유사한 구형의 모양을 유지하게 된다. 또한, 좁은 물방울 접촉면적은 물방울의 마찰에너지를 낮춰주기 때문에 물방울이 약간의 기울기에 의해서도 쉽게 굴러가는 현상 즉 자가 세척 현상을 일으킨다. 이러한 연잎 효과는 기초연구로서의 가치뿐만 아니라, 각종 산업 분야에 큰 활용가치를 가지기 때문에 연구가 활발히 진행되고 있다.

따라서, 우수한 자가 세척 또는 방오 특성을 가진 코팅막을 형성하기 위해서는 물방울과 접촉하는 물질의 표면에너지를 낮추거나 표면 조도를 적절하게 조절하는 것이 요구된다.

이러한 기술은 대기에 둘러싸인 물체의 경우뿐만 아니라 수생 생물의 서식을 저지하기 위한 목적으로도 응용이 가능하며, 예를 들어, 벽, 컨테이너 표면, 칸막이, 플랫폼, 포스트, 또는 민물이나 바닷물과 장기간 접촉하는 구조물 등에 적용할 수 있다. 또한, 이러한 초소수 코팅을 금속, 유리 및 플라스틱 등 다양한 물질의 코팅에 적용함으로써, 선박용 방오 도료는 물론 반도체 등 전자제품의 코팅, 도로 입간판 등 다양한 산업분야에서의 응용을 확대할 수 있다.

본 발명의 목적은 코팅 막의 표면 조도를 조절함으로써 오염 물질의 부착을 어렵게 하고 기 부착된 오염 물질을 쉽게 제거할 수 있는 방오성 코팅용 불소개질 폴리메틸하이드로실록산을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기의 불소개질 폴리메틸하이드로실록산을 적용한 하이브리드를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 폴리메틸하이드로실록산(polymetylhydrosiloxane, PMHS) 분자에 불소를 포함하는 이중결합을 가진 고분자를 백금 금속촉매를 사용하여 그래프트(graft) 시켜 부분적으로 불소로 개질되어 하기의 화학식을 갖는 방오성 코팅물질용 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산이 제공된다.

바람직하게, 상기 이중결합을 갖는 고분자의 관능기로는 비닐기, 알릴기, 아크릴기, 또는 메타크릴기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 개질 과정에서, 상기 폴리메틸하이드로실록산에 포함된 Si-H 관능기 중 10 내지 90%가 개질될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기의 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산알콕시 메탈을 첨가하여 부분적으로 가교시킴과 동시에 실란 분자 간의 졸젤반응을 통하여 하기의 화학식을 갖는 방오성 코팅용 불소개질 폴리메틸하이드로실록산 하이브리드가 제공된다.

바람직하게, 상기 알콕시메탈은 하기와 같은 구조를 가질 수 있다.

여기서, R은 메틸기 또는 에틸기를 나타내며, Mt는 실리콘 또는 티타늄의 금속기를 나타낸다.

바람직하게, 상기 방오성 코팅용 불소개질 폴리메틸하이드로실록산 하이브리드에서 강도(hardness)를 결정하는 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산 대비 실리카의 비율은 10 내지 50%일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기의 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산에 물과 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS) 및 에탄올(ETOH)의 혼합액을 첨가하고 교반시켜 생성한 방오성 하이브리드 코팅 물질을 기재에 스핀 코팅되어 열처리하여 제조한 방오성 하이브리드 코팅 막이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산에 물과 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS) 및 에탄올(ETOH)의 혼합액을 첨가하고 교반하여 FMPMHS/실리카 하이브리드를 생성하는 단계; 상기 생성된 하이브리드를 유리기판, 폴리이미드 필름 또는 실리콘 웨이퍼 중 어느 하나에 스핀 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 하이브리드를 80℃ 또는 150℃에서 열처리하는 단계를 포함하는 방오성 하이브리드 코팅 막의 제조방법이 제공된다.

상기의 구성에 의하면, 개질에 도입된 불소기가 코팅 막의 표면에너지를 낮추어 주고, 알콕시실란과 같은 무기입자가 코팅 막의 기계적 물성, 특히 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라 코팅 막의 표면 조도를 부여함으로써 방오 특성을 향상시킨다.

그에 따라, 코팅 막 표면의 표면 조도를 조절함으로써 굴곡에 의한 오염물질과의 접촉면적을 줄이고 공기에 대한 노출면적을 넓혀 오염물질의 부착을 어렵게 하고 기 부착된 오염물질의 제거를 쉽게 해준다.

도 1은 폴리메틸하이드로실록산(polymetylhydrosiloxane)를 함유하는 제조 혼합물의 투명도 사진이다.
도 2는 폴리메틸하이드로실록산를 함유한 소수 코팅표면에서의 물방울 거동을 보여주는 사진이다.
도 3은 폴리메틸하이드로실록산를 포함하는 소수 코팅막의 Erasing test 결과를 나타낸다.
도 4는 개질된 폴리메틸하이드로실록산 고분자 필름의 투명성을 나타낸다.
도 5는 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산을 제조하는 과정에 있어서 에탄올의 투입량을 달리한 후 FTIR 스펙트라 분석을 한 결과이다.
도 6은 샘플 S1, S3, S5, 및 S7 하이브리드의 XPS 데이터이다.
도 7은 샘플 S3과 S5의 AFM 이미지로, 이를 통해 하이브리드의 표면 거칠기를 나타낸다.
도 8과 9는 샘플 S1 내지 S7의 양생 온도에 따른 SEM 이미지를 보여준다.
도 10은 샘플 S1, S3, S5, 및 S7의 XRD 패턴이다.
도 11은 TGA 분석을 통한 폴리메틸하이드로실록산, 불소 개질된 폴리메틸하이드로실록산, 그리고 샘플 S1, S3, S5, 및 S7 하이브리드의 열 안정성을 나타낸다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.

본 발명에 의하면, <화학식 1>의 폴리메틸하이드로실록산(polymetylhydrosiloxane, PMHS) 분자에 불소를 포함하는 이중결합을 가진 고분자를 백금 금속촉매를 사용하여 그래프트(graft) 시켜 <화학식 2>와 같이 부분적으로 불소로 개질된 불소화 폴리메틸하이드로실록산(FMPMHS)을 제조한다.

바람직하게, 이중결합을 갖는 관능기로는 비닐기, 알릴기, 아크릴기, 또는 메타크릴기를 포함한다.

상기의 과정에서, 폴리메틸하이드로실록산에 포함된 Si-H 관능기 중 10 내지 90%, 바람직하게 30 내지 80%가 개질되어 개질된 불소화 폴리메틸하이드로실록산이 생성된다.

또한, 개질된 불소화 폴리메틸하이드로실록산에 <화학식 3>과 같은 알콕시 메탈을 첨가하여 부분적으로 가교시킴과 동시에 실란 분자 간의 졸젤 반응을 통하여 <화학식 4>와 같이 방오 특성이 우수한 FMPMHS/실리카 하이브리드를 제조한다.

바람직하게, 상기 하이브리드에서 강도(hardness)를 결정하는 FMPMHS 대비 실리카의 비율은 바람직하게 10 내지 50%일 수 있다.

상기 개질에 도입된 불소기는 코팅 막의 표면에너지를 낮추어 주고, 알콕시실란과 같은 무기입자는 코팅 막의 기계적 물성, 특히 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라 코팅 막의 표면 조도를 부여함으로써 방오 특성을 향상시키는 역할을 한다. 즉, 코팅 막 표면의 표면 조도를 조절함으로써 굴곡에 의한 오염물질과의 접촉면적을 줄이고 공기에 대한 노출면적을 넓혀 오염물질의 부착을 어렵게 하고 기 부착된 오염물질의 제거를 쉽게 해준다.

상기와 같은 방법으로 제조된 자가세정 코팅 막의 우수한 방오특성을 이용하여 자가세정 코팅이나 방오코팅 소재로서 응용할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대해 상세하게 설명한다.

실시 예 1

폴리메틸하이드로실록산(PMHS) 1.2g과 2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸메탈크릴레이트(Hexafluorobutylmethacrylate, HFMA) 1.25g을 50㎖의 톨루엔에 넣어 10분간 80℃에서 교반시킨다.

<HFMA>

이어, 비닐실리콘(vinylsilicone)의 백금 디비닐테트라메톡시디실록산(divinyltetramethoxydisiloxane) 복합체 촉매를 0.02g 넣고 120℃에서 24시간 교반시키면 화학식 2와 같이 가교된 플루오르메타크릴레이트(Fluorometacrylate, FMPMHS)가 생성된다. 생성된 FMPMHS을 유리기판에 코팅하여 코팅 막을 형성한다.

실시 예 2

실시 예 1에서 생성된 FMPMHS 0.1g과 <표 1>에 나타낸 3가지(A, B, C) 조성과 같이 THS 즉, 물과 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS) 및 에탄올(ETOH)과 함께 24시간 동안 80℃에서 교반시켜 FMPMHS/실리카 하이브리드를 생성한다.

여기서, 각 조성에서 용매인 에탄올의 양은 6.0㎖로 일정하다.

이렇게 생성된 하이브리드는 유리기판에 스핀 코팅되어 24시간 동안 150℃에서 열처리를 시킨다.

샘플	FPMHS (g)	THS
샘플	FPMHS (g)	TEOS(g)	ETOH(㎖)	H₂O(g)
A	0.1	1.0	6.0	0.3456
B	0.1	2.0	6.0	0.6912
C	0.1	3.0	6.0	1.0368

비교 예

폴리메틸하이드로실록산(PMHS) 1.2g을 50㎖의 톨루엔에 넣어 교반시킨 다음, 이를 유리기판에 코팅하여 코팅 막을 형성한다.

결과 설명

<표 2>는 폴리메틸하이드로실록산를 함유하는 코팅 막의 제조 혼합물의 물방울 접촉각을 나타낸다.

샘플	스태틱 접촉각(물) θ	다이나믹 접촉각(물) θa θb
유리 표면	39.80 ± 1.0	50.26 ± 1.0	37.69 ± 1.0
PMHS	99.98 ± 1.0	100.05 ± 1.0	92.48 ± 1.0
HFMA	74.64 ± 1.0	84.03 ± 1.0	56.17 ± 1.0
FMPMHS	103.31 ± 1.0	105.88 ± 1.0	92.57 ± 1.0
FMPMHS/실리카 하이브리드 A	101.33 ± 1.0	103.39 ± 1.0	78.94 ± 1.0
FMPMHS/실리카 하이브리드 B	114.33 ± 1.0	119.20 ± 1.0	88.79 ± 1.0
FMPMHS/실리카 하이브리드 C	91.29 ± 1.0	95.66 ± 1.0	59.87 ± 1.0

비교 예와 같이, PMHS만을 유리기판에 코팅한 경우, 물방울 접촉각이 스태틱(Static) 접촉각은 99도, 다이나믹(Dynamic) 접촉각은 92도에서 100도 정도로 나타남을 알 수 있다.

이에 비해, 실시 예 1과 같이, PMHS에 HFMA를 넣어 생성한 FMPMHS를 유리기판에 코팅한 경우, 물방울 접촉각이 스태틱(Static) 접촉각은 103도, 다이나믹(Dynamic) 접촉각은 92도에서 105도 정도로 나타나 소수성이 향상됨을 알 수 있다.

또한, 실시 예 2와 같이, FMPMHS에 THS에 넣어 생성된 하이브리드는 TEOS의 양에 따라 A의 경우 스태틱 접촉각은 101도, 다이나믹 접촉각은 78도에서 103도 정도이고, B의 경우 스태틱 접촉각은 114도, 다이나믹 접촉각은 88도에서 119도 정도이며, C의 경우 스태틱 접촉각은 91도, 다이나믹 접촉각은 59도에서 95도 정도이다.

따라서, TEOS의 비율에 따라 물방울 접촉각이 매우 큰 변화를 보이는 것을 알 수 있고, B의 경우가 가장 적합한 비율을 나타내고 있음을 알 수 있다.

<표 3>은 폴리메틸하이드로실록산을 함유하는 코팅 막의 연필강도를 나타낸 것이다. <표 3>을 참조하면, A와 B는 4H, C는 3H의 강도를 나타내고 있는 것을 알 수 있다.

샘플	샘플 강도(sample hardness)
샘플	1H	2H	3H	4H
A	양호	양호	양호	양호
B	양호	양호	양호	양호
C	양호	양호	양호	불량

도 1에서 위의 사진은 샘플 A, B, 및 C 각각의 TEOS/에탄올/물 혼합액(THS)을 나타낸 사진이고, 아래의 사진은 FMPMHS/실리카 하이브리드의 분산액 사진이다.

도시된 바와 같이, TEOS/에탄올/물 혼합액은 투명한 것을 알 수 있고 FMPMHS/실리카 하이브리드 용액은 분산이 되어 있음을 확인할 수 있다.

도 2는 폴리메틸하이드로실록산을 함유한 소수 코팅표면에서의 THS의 함량에 따른 코팅 면에서의 물방울의 접촉현상을 보여주고 있다.

A, B 및 C는 각각 TEOS의 양이 1g, 2g, 그리고 3g의 함량을 가진 코팅 막에서 물방울의 모양을 보여주고 있다. 도시된 것처럼, B의 접촉각이 A와 C에 비해 큰 것으로 보아 <표 1>의 샘플 B가 가장 적합한 배합 비율임을 알 수 있다.

도 3은 수성펜과 유성펜으로 쓰고 지우고 다시 쓰고 한 것을 8회 반복한 사진이다.

A와 C의 경우 잘 지워지지 않은 것에 비해, B의 경우 수성펜과 유성펜으로 쓰고 마른 티슈로 닦아내면 쉽게 지워짐을 알 수 있다. 따라서, 폴리메틸하이드로실록산을 함유한 코팅 막은 가장 적합한 TEOS 함량에 의해 소수성과 소유성을 동시에 가져 방오성을 가지므로 쉽게 오염되지 않음을 알 수 있다.

도 4는 개질된 폴리메틸하이드로실록산 코팅 막의 투명성을 나타내는 사진이다. 도시된 것처럼, A, B, 및 C 코팅 막은 모두 매우 투명하고 소수성과 소유성을 동시에 가지고 있음을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 의하면, 상기의 하이브리드를 제조하는 과정에서, 용매(에탄올)의 양, 열처리(양생) 온도, 그리고 기판의 종류에 따라 다른 특성을 나타내는데, 이하 이에 대해서 설명한다.

실시 예 3

실시 예 1에서 생성된 FMPMHS에 THS(TEOS/에탄올/물 혼합액)을 <표 4>의 배합비로 섞는다. 여기서, THS에서 용매인 에탄올의 비율만을 다양하게 변화시켰다.

배합된 혼합물을 70 내지 80℃에서 24시간 교반시켜 FMPMHS/실리카 하이브리드를 생성한다. 이렇게 생성된 하이브리드는 유리기판에 스핀 코팅되어 24시간 동안 열처리한다.

이때, 기판의 종류는 유리기판 이외에 폴리이미드 필름과 실리콘 웨이퍼를 함께 적용하며, 열처리(양생) 온도는 80℃와 150℃ 두 종류로 한다.

샘플	FPMHS(g)	TEOS(mmol)	ETOH(mmol)	H₂O(mmol)
S1	0.1	9.6	43.41	38.4
S2	0.1	9.6	86.82	38.4
S3	0.1	9.6	130.24	38.4
S4	0.1	9.6	173.65	38.4
S5	0.1	9.6	217.06	38.4
S6	0.1	9.6	325.59	38.4
S7	0.1	9.6	434.12	38.4

<표 5>는 실시 예 3에서 만들어진 하이브리드를 각기 다른 세 종류, 즉 유리기판, 폴리이미드 필름 및 실리콘 웨이퍼에 코팅한 후, 두 종류의 다른 양생 온도, 즉 80℃와 150℃를 가하였을 때, 물과 에틸렌글리콜의 접촉각에 관해 설명한 표이다.

S1의 친수적인 성질은 낮은 에탄올의 농도로 하이브리드 겔화가 일어났기 때문이다. 에탄올의 양이 증가할수록 하이브리드의 분산이 좋아지고, 그로 인해 만들어진 물질의 접촉각이 증가하며, 안정한 소수성의 물질이 만들어진다. 이러한 소수성 또한 실리카 네트워크 구조의 우수한 표면특성 때문이다.

또한, 양생 온도에 따른 소수특성을 살펴보면, 80℃로 가열했을 때가 150℃로 가열했을 때에 비해 더 우수한 소수성을 나타낸다. 이로 인하여 친수성에서부터 안정한 소수성의 특성을 나타내는 하이브리드가 다양한 양생 온도, 용매의 양, 기판의 종류에 따라 결정됨을 알 수 있다.

샘플

샘플의 긁힘 강도

1H

2H

3H

4H

5H

6H

80℃

150℃

80℃

150℃

80℃

150℃

80℃

150℃

80℃

150℃

80℃

150℃

S1

P

F

P

F

S2

P

F

S3

P

F

P

F

S4

P

F

S5

P

F

S6

P

F

S7

P

F

P

F

<표 6>은 각기 다른 양생 온도에 따른 유리 기판 위에서의 연필 강도 테스트 결과이다.

폴리메틸하이드로실록산과 2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸메타아크릴레이트 및 TEOS의 반응에 의해 실리카 물질들은 응축되고 고분자 사슬 위에 하이브리드 네트워크를 형성한다.

<표 6>을 통해 에탄올의 양과 양생 온도를 증가시키는 것이 기계적인 강도를 증가시킨다는 결과를 얻을 수 있다.

그러나, 샘플 S7의 경우에서는 에탄올의 양을 증가시켰음에도 불구하고 기계적인 강도는 감소하였다. 그 이유는 실리카 하이브리드 네트워크가 기판 위에 잘 있지 않고 가장자리로 다 퍼져버렸기 때문이다. 샘플 S4, S5, 및 S6의 경우에는 두 가지 양생 온도에서 모두 5H 이상의 강도를 견뎌내었다. 이는 고분자 골격 위에 형성된 하이브리드 네트워크 내의 실리카와 불소 개질된 알킬 사슬이 잘 결합하여 형성되었기 때문이다.

도 5는 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산을 제조하는 과정에 있어서 에탄올의 투입량을 달리한 후 FTIR 스펙트라 분석을 한 결과이다.

(a)는 기본 폴리메틸하이드로실록산의 경우로, 2170㎝^-1에서 나타나는 강한 피크와 910㎝^-1에서 나타나는 약한 피크는 폴리메틸하이드로실록산 기본사슬에서의 Si-H 결합의 존재를 말해주며, 1010-1095㎝^-1에서의 피크는 Si-O-Si 결합을 보여준다. 800㎝^-1과 1260㎝^-1에서 나타나는 강한 피크와 2960㎝^-1에서의 약한 피크는 Si-CH 결합과 SiCH₃ 그룹 안의 CH₃ 중에서 C-H 결합을 나타낸다.

(b)는 불소 개질된 폴리메틸하이드로실록산의 경우로, 폴리메틸하이드로실록산 내의 반응성이 좋은 Si-H 기와 2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸메타아크릴레이트가 가수분해 과정에 의해 반응을 하면, 2170㎝^-1과 910㎝^-1에서의 피크의 세기가 감소한다. 이것은 2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸메타아크릴레이트가 폴리메틸하이드실록산의 Si-H 자리에 그래프트 되어 불소가 개질된 폴리메틸하이드로실록산이 형성되었다는 증거이다.

(c) 내지 (f)는 각각 샘플 S1, S3, S5 및 S7의 경우로, 불소 개질된 폴리메틸하이드로실록산은 TEOS와 물, 그리고 각기 다른 량의 에탄올이 섞인 용액과 가수분해 반응을 더 진행하여 가교된 실리카 네트워크를 구성하는데, 이를 하이브리드로 볼 수 있다.

(c)~(f)의 그래프에서 1010-1095㎝^- ¹와 478㎝^-1에서 보이는 강하고 넓은 피크는 TEOS와 불소 개질된 폴리메틸하이드로실록산의 반응에 의해 관찰되는 Si-O-Si 피크로, 이것은 앞서 말하였듯이 반응이 더 진행되었다는 점을 말해준다. 3450㎝^-1에서 보이는 넓은 피크와 951㎝^-1에서의 약한 피크는 TEOS와 물, 그리고 에탄올의 반응에 의해 생긴 Si-OH 기를 말한다.

도 6은 샘플 S1, S3, S5, 및 S7 하이브리드의 XPS 데이터이다.

화학적인 구성은 모두 동일하게 C, F, O, 및 Si로 이루어져 있으며, 투입되는 에탄올의 양이 증가할수록, C의 원자 질량 분율은 증가하고, O와 Si의 원자 질량 분율은 감소하는 것을 알 수 있다. 이것은 용매 내에서의 하이브리드의 분산 때문이다.

도 7은 샘플 S3과 S5의 AFM 이미지로, 이를 통해 하이브리드의 표면 거칠기를 알아볼 수 있다. 도 7의 이미지에서 볼 수 있듯이, 이 물질들은 매끈한 표면에 거친 입자들을 가지고 있는데, 이는 불소 개질된 알킬 사슬과 실리카 입자들이 뭉쳐서 얇은 층을 이루고 있기 때문이며, 이로 인하여 하이브리드의 소수성이 실현된다. 이러한 불소를 포함하는 실리카 하이브리드는 소수성 및 유기 용매 저항성을 높여준다.

도 8과 9에서는 샘플 S1 내지 S7의 양생 온도에 따른 SEM 이미지를 보여준다.

에틸렌의 투입량이 증가할수록, 실리카 입자들이 뭉쳐있는 표면 형상에서 가교된 실리카 네트워크를 가지는 거친 표면으로 바뀌었다.

양생 온도를 150℃까지 올리게 되면, 80℃에서 열 처리를 한 샘플에 비하여 부드러운 층의 표면이 관찰되었다.

도 10은 샘플 S1, S3, S5, 및 S7의 XRD 패턴이다. 모든 하이브리드 샘플들은 ~25-35°에 이르는 넓은 피크를 공통으로 가지고 있다. 이것은 실리카 골격에서 비롯된 무정형의 성질을 말해준다. 이러한 무정형은 불소 개질된 폴리메틸하이드로실록산/실리카 하이브리드가 가교된 네트워크 구조로 형성되어 있기 때문이다.

도 11은 폴리메틸하이드로실록산, 불소 개질된 폴리메틸하이드로실록산, 그리고 샘플 S1, S3, S5, 및 S7 하이브리드의 열 안정성을 TGA 분석을 통해 알아본 것이다.

(a) 본래의 폴리메틸하이드로실록산은 미반응 모노머와 물, 그리고 다른 불순물질에 의해 100℃ 부근에서 무게의 감소가 시작되며, 온도를 400 ~ 500℃까지 올리게 되면 폴리메틸하이드로실록산의 [MeHSiO] 부분이 감소하면서 남는 무게는 20wt%에 이르게 된다.

(b) 2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸메타아크릴레이트와 폴리메틸하이드로실록산의 반응은 폴리메틸하이드로실록산 표면의 불소기에 의해 그 열적 안정성이 상당히 개선되었음을 알 수 있다. 불소 개질된 고분자의 경우에는 약 550℃ 부근에서 약 55wt%정도가 남아있다. 이렇게 열적 안정성이 향상된 것은 전구체 표면의 실리카 물질이 존재하기 때문이다.

(c)~(f) 불소 개질된 고분자와 TEOS의 반응으로 인해 더 가교된 고분자 네트워크가 하이브리드 위에 형성된다. 제조된 하이브리드(샘플 S1, S3, S5, S7)는 강한 실리카 결합(Si-O-Si)과 불소 곁가지가 존재함으로 인해서 그 열적 특성이 향상되었다.

만들어진 하이브리드는 550℃ 이상에서도 60wt% 가량이 남아있는 매우 우수한 열적 특성을 가진다. 샘플 S3가 다른 물질들에 비해 우수한 열적 특성을 보이는 이유는 실리카 네트워크가 견고하게 형성되어 있기 때문이다.

위의 결과는 2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸메타아크릴레이트와 TEOS에 의해 하이브리드의 열적 안정성이 향상되었음을 확인시켜주는 결과이다. 또한, 남아있는 량이 증가한 것은 실리카와 불소기들이 남아있기 때문이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 특징은 이에 한정되지 않으며, 당업자의 수준에서 다양한 변경과 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기의 실시 예에 한정되어 해석되어서는 안 되며 이하에 기재된 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.

Claims

폴리메틸하이드로실록산(polymetylhydrosiloxane, PMHS) 분자에 불소를 포함하는 이중결합을 가진 고분자를 백금 금속촉매를 사용하여 그래프트(graft) 시켜 부분적으로 불소로 개질되어 하기의 화학식을 갖는 것을 특징으로 하는 방오성 코팅물질용 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산.
청구항 1에 있어서,
상기 이중결합을 갖는 고분자의 관능기로는 비닐기, 알릴기, 아크릴기, 또는 메타크릴기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방오성 코팅물질용 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산.
청구항 1에 있어서,
상기 개질 과정에서, 상기 폴리메틸하이드로실록산에 포함된 Si-H 관능기 중 10 내지 90%가 개질되는 것을 특징으로 하는 방오성 코팅물질용 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산.
하기의 화학식 1의 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산에 알콕시 메탈을 첨가하여 부분적으로 가교시킴과 동시에 실란 분자 간의 졸젤반응을 통하여 하기의 화학식 2를 갖는 것을 특징으로 하는 방오성 코팅용 불소개질 폴리메틸하이드로실록산 하이브리드.
<화학식 1>

<화학식 2>
청구항 4에 있어서,
상기 알콕시메탈은 하기와 같은 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 방오성 코팅용 불소개질 폴리메틸하이드로실록산 하이브리드.

(여기서 R은 메틸기 또는 에틸기를 나타내며, Mt는 실리콘 또는 티타늄의 금속기를 나타냄)
하기의 화학식을 갖는 불소 개질 폴리메틸하이드로실록산에 물과 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS) 및 에탄올(ETOH)의 혼합액을 첨가하고 교반시켜 생성한 방오성 하이브리드 코팅 물질을 기재에 스핀 코팅되어 열처리하여 제조한 것을 특징으로 하는 방오성 하이브리드 코팅 막.
청구항 6에 있어서,
상기 코팅 물질은 유리기판, 폴리이미드 필름 또는 실리콘 웨이퍼 위에 코팅되는 것을 특징으로 하는 방오성 하이브리드 코팅 막.
청구항 6에 있어서,
상기 열처리는 80℃ 또는 150℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방오성 하이브리드 코팅 막.
불소 개질 폴리메틸하이드로실록산에 물과 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS) 및 에탄올(ETOH)의 혼합액을 첨가하고 교반하여 FMPMHS/실리카 하이브리드를 생성하는 단계;
상기 생성된 하이브리드를 유리기판, 폴리이미드 필름 또는 실리콘 웨이퍼 중 어느 하나에 스핀 코팅하는 단계; 및
상기 코팅된 하이브리드를 80℃ 또는 150℃에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방오성 하이브리드 코팅 막의 제조방법.