1. 서 론
산업의 발달도 근원적으로는 소재기술의 발달에 뿌리를 두고 있다. 소재는 전통적으로 금속, 무기소 재(세라믹), 유기소재(고분자)로 크게 구분되는데 물 질군이 다른 이들 소재들 간의 복합화 연구들이 시 도되기도 하지만 이들 간의 복합화는 비중, 용융온 도, 열적 점성거동, 표면장력 등이 너무 다르므로 근 본적으로 한계가 있다.
동일군 소재들 간의 융합은 금속합금, 무기화합 물, 고분자 브렌드 등으로 연구되어 왔고 이미 다양 한 제품들이 활용되고 있지만 이들 융합소재 분야에 서 나노소재기술이 의미가 있어 보이지는 않는다.
재료의 물질내부에서 나노와 같은 크기 개념은 이종 재료가 복합화될 때 수반되는 것이다. 나노복 합소재는 비중차이도 적고 계면에너지의 일치가 용 이한 유기소재와 무기소재간의 복합소재가 주요 대 상이며 이미 이 분야의 나노복합소재가 다양하게 연 구되어 왔다 [1].
유・무기 나노복합소재는 대부분 유기소재 매트 릭스(매질)에 세라믹이 분산되어 복합화 되는 형태 를 취하게 되므로, 유・무기 나노복합재료연구는 세 라믹 입자의 형상, 크기, 분산(응집방지), 계면제어 등이 대상이 되고 있다.
1970년대에 졸겔법에 의해 고온용융과정이 없이 도 저온에서 콜로이드상의 세라믹 졸이 형성되어 유 리같이 겔화된다는 사실이 밝혀지면서 관련연구가
활발히 진행되어 왔다 [2-7]. 세라믹이 저분자로부터 졸겔이란 과정을 거쳐 상온에서 합성되고 비교적 낮 은 온도에서 박막형태로 성형이 가능하다. 세라믹졸 의 겔화소재는 유기계 소재에 비해 경도, 광학적 투 명성, 내열성, 화학안정성 등에서 탁월한 물성을 보 이지만 박막 성형성, 저온성형성, 유연성 등에서 한 계가 있어 상업적으로 활용되는 경우는 많지 않다.
그동안 유기수지에 1-100 nm 크기의 세라믹이 보 강된 나노복합재료는 마이크론 준위의 복합재료에 비해 물리(전기・광)적・화학적・생물학적 특성에 서 혁신적 물성을 보이는 경우가 흔하게 발견되어 왔다. 그러나 세라믹의 입자를 Top-down(파쇄법)으 로 나노크기로 제조하는 것은 공정장치와 제조기술 측면에서 대단히 어렵고 입자의 재뭉침이 심하며 재 료취급도 난해하여 대량생산성과 범용성을 확보하 기가 쉽지 않은 상황이다.
또한, 세라믹입자가 나노화되어 표면적이 크게 증가하면 물리화학적 상태(표면에너지, 계면반응성, 내부결정성, 흡수성)를 제어하는 데도 어려움이 많 고 이종재료와 복합화하는 과정에 나노계면에서의 화학적 조작과 연계된 물성의 재현성 확보가 어려워 서 나노화를 통한 물성개량의 효과보다는 부정적 요 소들이 크게 부각되기도 한다.
거의 모든 세라믹들이 고분자보다는 비중이 크지 만 세라믹 표면을 분자준위에서 간단하게 조작할 수 있는 다양한 Coupling agent들이 생산되고 있고 습 식의 화학적 처리로 표면개질이 가능하여 유기용매 나 고분자 수지에 용액상태로 분산시키는 일들이 가
강동필책임연구원, 강동준선임연구원, 강영택위촉연구원 (한국전기연구원 재료응용연구본부 나노융합에너지소재연구센터)
유기수지/세라믹졸
나노하이브리드소재 제조 기술
의 하이브리드화는 쉽게 이루어지고 있다.
나노하이브리드소재의 매트릭스 물질인 고분자 는 투명성, 전기절연성, 유연성, 접착성, 가공성(필 름, 박막코팅), 인성 등이 우수하여 광범위한 분야에 서 다양하게 활용되고 있지만 내열성, 화학안정성, 표면경도, 내스크래치성, 가스투과성 등의 물성이 취약하여 고정밀/고집적 부품이나 소자에의 적용 은 어려움이 많다. 그러나 고분자 재료는 우수한 전 기절연특성을 가지고 있어 절연재료(전력기기, 반도 체, 디스플레이)로 널리 사용되고 있으며 모든 절연 재료는 표면절연내력이 내부절연내력보다 10-1000 배 정도 낮은 특성을 보인다. 전기절연재료는 절연 성 외에 기계적 강도, 접착력, 내열성, 고열전도성, 저팽창률 등이 요구되어 경화성 고분자가 주로 사용 되고 있다. 절연용 코팅재료로는 에폭시, 페놀, 폴리 에스테르, 아크릴계 수지와 이들의 변성수지가 주로 사용되고 있는데 최근 실리콘 수지 및 불소계 수지 의 사용도 늘어나고 있다.
소형 고집적화 추세인 전기전자부품이나 디스플 레이용 절연재료는 대부분 박막 형태로 사용되며 가공공정에서 재료의 고온내구성이 요구되기도 하 고 재료의 두께에 비해 걸리는 전압이 높아 전기적 스트레스로 인하여 열화가 수반되므로 신뢰성이 우 수한 새로운 재료가 요구된다. 내열성, 화학안정성, 절연성이 우수한 것으로 알려진 실리콘계/불소계 수지들은 접착력이 약하고 코팅작업성이 나쁜 한계 를 가지고 있어 새로운 재료의 출현을 필요로 하고 있다.
유・무기 나노하이브리드 소재는 나노크기의 콜 로이드 세라믹이 유기수지에 분산되고 유・무기 상 호간에 화학적으로 결합되는 분자준위의 복합체를 말한다. 유기와 무기의 이질적 소재들을 분자단위/
나노크기로 공존시킴으로서 각각의 소재에서 볼 수 없는 특성이 발현되고 단일 소재가 갖는 한계물성의 극복이 용이하다. 구성 재료의 성분변화를 통하여 특정물성의 조작제어가 용이하고 제조공정비용(대 량생산, 저온소성)이 저렴하여 다기능/고성능의 신 물질을 얻는 수단으로 사용되고 있다.
유・무기 하이브리드 용액은 점조상의 액체이기
않고는 거의 용도가 없다. 즉 유기매질 속에 나노준 위의 세라믹이 다량으로 포함되어 유・무기간의 복 잡한 화학결합이 수반되어 유기수지에서 나타나지 않는 혁신적 물성을 구현할 수가 있다. 이러한 나노 소재들은 물리적/화학적/생물학적 측면에서 특이 하고 혁신적인 물성을 보이므로 IT, ET, BT 분야의 인프라성 핵심근간기술이 될 것이다. 나노소재는 다 양한 나노구조의 형태나 표면의 특이성에 기인된 물 성이거나 분산의 정밀도 차이 등으로 인하여 동일한 물질이라도 마이크로 크기로 구성된 소재에는 없는 새로운 물성을 나타내기도 하고 기존 물성의 대폭적 향상을 통하여 고성능/고기능 제품과 신개념 제품 의 개발에 활용이 가능해지고 있다.
이렇듯 유기매질에 세라믹 나노입자를 분산시킨 유・무기 나노하이브리드 소재의 중요성과 활용도 가 크게 증가하고 있지만 비중과 표면에너지에서 차이가 큰 유・무기 이종소재간의 화학적 결합형 성을 통해 한계를 극복하고 안정된 공정조건을 확 보하기 위해서는 분산(용해) 안정성을 확보하여야 한다.
2. 국내•외 기술 동향
나노복합체는 상호 이질적인 소재를 물리적/기 계적 에너지를 이용해서 미세한 공간 내에 공존시킴 으로서 각물질 고유물성의 중간 어디에 있는 물성을 기대하면서 개발이 시작되었다. 그러나 첨가재로 사 용되는 물질이 나노화되면서 취급이 어렵고 이종소 재간의 계면이 급격히 증가되면서 계면상태가 물성 에 미치는 영향이 지대하여 재현성 확보가 쉽지 않 아 상업적 활용은 극히 제한적인 상태이다. 따라서 나노복합재료의 다른 형태인 나노하이브리드소재 가 대안으로 부각되어 기술개발이 활발히 이루어지 고 있다.
2.1 국내 나노기술동향
국내 전기전자・IT・에너지 제품의 기술력이 세
계 최고 수준에 있고, 연간 생산량도 1,000조원에 이
르고 있어 나노기술의 동분야 기여도는 국가 경제적 측면에서 대단히 중요하고 이들 분야에서 나노기술 의 시장수요도 강해지고 있다.
나노소재는 초기에 벤처기업들을 중심으로 세라 믹과 금속의 나노 입자・촉매 등에 대한 연구가 진 행되어 왔으며, 최근 IT 소재부품의 시장이 급격히 확대되면서 많은 대기업들이 관련 소재 및 부품 개 발에 참여하기 시작하였다.
세라믹계 습식코팅제는 졸겔 방법을 통해 오랫동 안 연구가 진행되어 왔으며 수계 실리카졸, 티타니 아졸, 틴옥사이드졸 뿐만 아니라 유기용제분산 세라 믹졸들이 국내에서도 다양하게 생산되고 있다. 그러 나 세라믹졸 자체로는 취성이 강하고 박막성형성이 부족하여 용도가 많지 않으며, 전기・전자・광 기능 성이 요구되는 고부가가치 분야의 제품에는 적용되 지 못하고 있다. 현재 주로 내열성 도료나 고온용 바 인더로 사용되고 있다.
산업계에서는 대기업을 중심으로 반도체나 디스 플레이 같은 디바이스 관련 연구를 진행하고 있으 며, 나노소재를 적용하여 미세디바이스를 가공할 공 정장비의 개발이 활발히 진행되어 많은 분야에서 현 장적용을 시도하는 단계에 이르고 있다.
유・무기 하이브리드 소재개발은 대학이나 연구 소를 중심으로 수년간 연구되고 있는데 아크릴 하 이브리드는 하드코팅재, 내후성 표면처리제, 그리 고 에폭시 하이브리드는 LED, 솔라셀, 반도체, 디 스플레이 등에의 적용을 대상으로 광법위하게 연 구되고 있다. 최근 투명한 전도성 세라믹 재료는 각 종 미세디바이스의 전극용으로 시작품 제작이 진 행 중이며, 폴리아미드이미드(PAI)와 폴리이미드 (PI) 같은 내열성 고분자용액에 세라믹졸의 하이브 리드를 통한 절연바니쉬 연구도 상업적 적용단계 에 와 있다.
2.2 해외 나노기술동향
나노 복합체 분야는 1980년대 중반에 최초로 제안 된 이후 선진 각국에서 관련기술을 선점하기 위해서 국가 및 민간 두 부분에서 과감한 연구개발 투자가 이루어지고 있다.
나노기술은 학제간 경계가 없는 전형적인 융합기
술 분야이며, 기술 선진국인 미국, 일본 및 유럽에서 는 나노 소재가 갖고 있는 특성을 인식하고 나노소 재 개발에 20년 이상 연구개발을 지속하고 있는 가 운데 원천적 근간기술에 해당되는 재산권 확보가 활 발히 진행되고 있다.
세라믹졸은 닛산, 루독스, 날코 등 세계적 기업들 이 다양한 제품들을 공급하고 있으며 유기용매분산 세라믹졸은 3배 이상의 고가로 판매되고 있으며 독 일의 나노레진에서는 아크릴수지에 실리카졸을 50% 첨가된 용액을 공급하고 있다.
제조공정의 경제성, 친환경성 등을 고려하여 나 노복합재료의 세라믹 입자는 대부분 졸겔법에 의해 콜로이드를 제조하는 방향이고 무기물의 대부분은 실리카를 대상으로 연구되고 있는데 그 중에서도 유 기수지 용액에 실리카의 전구체인에 TEOS를 첨가 하여 실리카 입자를 동시에 합성하는 연구가 가장 광범위하게 진행되고 있다. 고분자 유기반응기를 가 진 실란을 처리하고 무용매 수지, 고분자 용액, 에멀 젼 등의 형태로 하이브리드화하여 전기전자용 절연 재료를 포함하여 다양한 분야의 코팅재로 적용이 시 도되고 있다.
3. 유・무기 나노하이브리드재료 개요
탄소-탄소간 결합이 근간이 된 긴 유기사슬구조 는 고분자가 되어도 열적 유동성을 가지며 화학결합 에너지가 낮고 사슬간의 규칙적 배열도 어렵다. 따 라서 고분자는 내열성, 화학안정성(내후성), 경도(밀 도), 열전도율 등이 낮으며, 이들 사슬간을 화학적으 로 결합시킨 경화성 고체가 되면 열유동성이 없어져 내열성이 다소 향상되긴 하지만 특정온도이상에서 탄화가 일어난다. 그러나 금속이나 세라믹에 비해서 낮은 온도에서 성형이 가능하고 유연한 특성을 갖는 다. 소재가 치밀하게 배향되지 않아 수분・산소 등 의 투과가 문제가 되는 경우가 많다.
고분자(수지상태) 매트릭스에 나노크기의 세라믹
을 균일하게 분산시켜 계면결점을 최소화하고 이종
간의 화학결합을 유도한 유・무기 나노하이브리드
소재는 고분자의 많은 장점을 유지하면서 고분자의
단점이 크게 향상된 물성을 보이는데, 소량의 세라 믹 나노입자 첨가에도 기계적 특성, 전기적 특성, 열 적 특성, 화학안정성 등이 크게 향상되면서 광학적 특성 등의 우수성은 유지되는 특징을 갖는다(그림 1).
나노하이브리드 소재에서 매트릭스 의존적인 물 성은 유기고분자재료에 크게 영향을 받고 보강재 의 존적인 물성은 세라믹 종류, 입자크기, 형상, 첨가량 등에 영향을 받으며 정밀화학적 전기・전자・광 기 능성 물성들은 계면특성(결점/불순물, 화학결합상 태)에도 크게 영향을 받으므로 용도에 따라 이들 각 각에 대한 경중의 차이는 있지만 이들 모두를 정밀 하게 조작・제어할 수 있어야 함은 재료개발에 있어 서 중요하다.
3.1 수분산 콜로이드 세라믹
소금과 같은 무기염이 이온으로 해리되면서 물에 잘 용해되는 것과 금속산화물인 SiO
2와 같은 세라믹 이 물에 녹지 않는 것은 화학적으로 이해되는 개념 이다. 그러나 물이나 알콜에 분산되어 투명한 용액 처럼 보이는 콜로이드 상태도 표면의 Charge 특성 으로 설명이 가능하다. 즉 세라믹 표면에 특정이온 이 착체를 이루고 그 외각을 용매분자가 2차 결합으 로 Cluster화 된 것이 콜로이드상태를 잘 유지한다 면 상당히 고농도로 마치 용해된 것처럼 액상을 유 지하게 된다.
가장 흔한 세라믹인 실리카는 물에 분산된 콜로 이드 형태로 다양하게 제품화되어 있다. 세라믹 입 자가 작고 표면에 Na 이온이 고농도로 존재하면 물
에서 상당히 안정하다. 그러나 최근에는 de-ion화되 어 Na 함량이 극히 낮은 졸, 약산성의 졸, 알루미나 가 표면처리된 실리카 졸 등 다양한 졸들이 상업화 되어 있으며 유기매질에 분산된 졸들도 판매가 되고 있다. 그림 2는 20 nm의 입자크기를 가지는 콜로이 드 실리카의 TEM 사진이다.
3.2 유기용매분산 세라믹졸
물에 분산되어 Charge 반발력으로 콜로이드상을 유지하는 실리카 표면의 화학적 상태로는 유기매질 에 분산시키는 것이 불가능하기 때문에 그림 3에 제 시된 유기기를 포함하는 실란들을 이용하여 세라믹 표면을 유기물질로 개질하면서 물을 제거하면 유기 용제나 수지에 안정되게 용해되는 세라믹 졸을 제조 할 수가 있다.
이 과정에 우선 첨가된 알콕시 유기실란들의 화 학적 변화와 세라믹표면의 OH-기와 결합을 효과적
그림 2. TEM-image of Colloidal Silica.
그림 1. 유・무기 나노하이브리드 소재 개념.
그림 3. The structures of organic silanes.
으로 유도하지 못 하면 유기용매에 안정되게 분산되 는 세라믹졸의 제조가 되지 않아 입자로 침전이 되 거나 겔화가 진행되므로 세라믹표면의 화학적 개질 은 대단히 중요한 과정이다. 그림 4와 5에서 유기실 란의 가수분해반응과 이로 인해 생성된 하이드록시 실란의 실리카표면 반응을 보여준다.
3.3 고순도 유기용제분산 세라믹졸
물이나 알콜에 분산된 세라믹 졸에서 알칼리 토 금속(Na/K)이나 불순물 이온이 수십 ppm 이하인 것들은 상업화되어 있지 않으며 이러한 불순물을 제 거하는 정제방법도 없어 보인다. 따라서 이들 불순 물이 특성상 문제가 되는 정밀한 전기전자재료의 사 용은 불가능하다. 최근 고순도의 Precursor를 이용 하여 유기용제에서 직접 고순도 세라믹졸을 합성하 는 연구가 진행되고 있다. 그림 6에서 금속 알콕시 화합물의 전구체로부터 고순도 세라믹졸을 합성하 는 과정을 보여주고 있다. 유기용제에 고농도로 실 리카졸이 합성되는 과정에 실란이나 계면활성제의
역할이 반드시 필요하다.
3.4 유기수지(Organic Resin)
하이브리드소재 제조를 위해 유기수지 메트릭스 에 세라믹 졸이 분산된 액상 하이브리드 바니쉬가 제조되어야 하는데 여기에 사용되는 유기수지도 액 체상인 것이 바람직하다. 유기수지는 경화반응을 통 해 입체적으로 가교가 일어나면 열유동성이 없는 고 체가 되는데 세라믹 졸을 액체의 유기수지에 분산시 킨 하이브리드 바니쉬도 단독의 유기수지와 마찬가 지로 경화반응이 일어나 고체소재가 된다.
유기수지는 주로 저분자 단량체와 경화반응성을 가진 올리고머들로 구성되어 있다. 대표적인 수지들 로는 아크릴수지, 에폭시수지, 우레탄수지, 불포화 폴리에스테르수지, 우레아수지, 멜라민수지 등이 상 업적으로 폭넓게 사용되고 있다. 유・무기 하이브리 드용 수지로는 액체인 아크릴, 우레탄, 에폭시 등이 유기반응성 세라믹 졸을 다량으로 분산시키데 유리 한 것으로 밝혀지고 있다.
어느 정도의 친수성 표면을 가진 무기물 졸은 유 기수지 중에서도 아크릴수지에 쉽게 분산이 가능하 다. 아크릴수지는 경화밀도가 높은 편이라 세라믹 나노입자가 대량으로 보강되면 너무 취성이 강하여 고화된 재료가 치수변화에 대응하지 못해 크랙이 발 생할 수도 있지만 고경도/내마모성 향상에는 효과 적이다. 아크릴 수지는 화학구조변화가 용이한 장점 이 있다.
내열성, 내마모성, 전기절연성, 경화저수축성 등 의 특성을 가져 전기전자분야에 많이 사용되는 에폭
그림 4. The chemical reaction of organicsilane-hydrolysis.
그림 5. The surface treatment of hydroxy organic silane.
그림 6. Synthesis of ceramic sol.
가 쉽지 않으며 점도가 높아 희석용매를 사용하는 경우에만 적용이 가능하다.
극성이 강한 PAI나 PI 수지는 필름이나 절연바니 쉬로 사용되고 있는데 이들의 전구체 수지가 유기용 매에 용해된 고분자용액 상태에서 세라믹졸과 하이 브리드가 잘 되는 특징을 갖는다.
4. 나노하이브리드 재료별 특성 및 용도
우리나라가 세계시장을 선점하고 있는 IT 및 전기 전자 제품과 부품이 유연・경량・박막・고집적화 되는 추세에 있고 대량생산이 가능한 소재와 공정기 술 확보가 중요해지고 있다. 반도체, 디스플레이, 휴 대폰, 컴퓨터 등의 IT 제품들의 시장이 성숙단계에 접어들면서 치열한 가격경쟁이 진행 중이며 이들의 차세대 제품은 소형, 경량, 고집적, 유연화, 저가 대 량생산을 위한 습식공정화가 필연적으로 요구되고 있어 나노하이브리드 소재의 적용이 기대되는 분야 이다.
특히, 유・무기 나노하이브리드소재는 우수한 전 기적/기계적 특성을 보이며 습식인쇄나 코팅방법 으로 대량생산이 가능하여 경제성 확보가 용이하다.
프린팅이 가능한 전기기능성 잉크의 중요성이 부 각되고 있는 가운데 다양한 재료와 장비들이 선진국 을 중심으로 활발히 개발되고 있으며 국내에서도 몇 몇 기업들이 잉크와 코팅제를 생산하기 시작하고 있 다.
내마모성/내열성 코팅, 유연기판소재(디스플레 이, 솔라셀, 필름배터리, LED 면광원, 웨어러블 PC), 미세디바이스 공정소재(TFT, 유기솔라셀, 전자종이, 필름배터리), 광학용 플라스틱 렌즈소재, 건축용 플 라스틱/금속 쉬트/유리의 보호코팅재, 열(적외선) 차단 코팅재 등의 상업화가 진행되면서 습식공정성 을 만족하는 유・무기 하이브리드소재의 중요성이 크게 증대되고 있다.
제품의 가격경쟁이 치열해지면서 설비투자비 절 감, 부품소재 저가화, 대량생산기술 확보가 주요화 두가 되고 있다. 대량생산기술의 중요성이 부각되면
다. 최근에는 저가/대량생산성을 만족하기 위해서 Roll-to-roll 공법에 적합한 Windable 소재가 주목받 고 있다.
졸겔 공정을 기반으로 하는 유・무기 하이브리드 소재는 기존 복합화 공정의 단점(이종계면의 결점, 장기신뢰성 저하)들이 상호보완 된 신개념의 혼성재 료로서 이질적인 소재를 나노준위에 공존시킴으로 써 원재료에서 찾아볼 수 없는 특성의 발현이 가능 하여 유연디바이스용 소재 및 태양전지 소재로서 활 용이 기대된다.
4.1 아크릴수지 하이브리드 특성
아크릴수지는 아크릴 관능기가 2개 이상인 다관 능기 단량체가 상당수 상업화되어 있고 여기에 아크 릴 올리고머들을 혼합하여 제조되는 아크릴수지가 수백여 종 현장에서 다양한 용도로 사용되고 있다.
아크릴수지는 투명성, 내후성, 고경도(내마모성) 특성을 가지고 있어 코팅제, 도료용 바인더, 접착제 등으로 사용되고 있으며 화학구조적으로 세라믹졸 의 용해가 가장 용이한 것으로 보인다.
세라믹 졸이 다량 함유된 아크릴수지 하이브리드 소재는 아크릴수지의 투명성, 경도, 내열성 및 투과 율 등의 장점을 그대로 유지하면서 마모성이나 열전 도율 등에서 향상이 밝혀지고 있어 다양한 응용 분 야에서 활용이 기대된다.
그림 7에서 보여지는 것처럼 20% 이상의 세라믹
그림 7. Transmittance of acryl resin and hybrid resin.
나노입자가 첨가된 아크릴 하이브리드 코팅막의 가 시광선영역 투과율이 90% 정도로 아크릴 수지와 유 사하게 나타남을 알 수 있다.
디스플레이 보호필름으로 사용되는 188 ㎛ 두께 의 PET(Polyethyleneterephtalate) 필름에 Bar-coater 를 사용하여 코팅한 후 경화한 아크릴수지 하이브리 드 코팅막의 FE-SEM사진을 살펴보면(그림 8) 하이 브리드 코팅막이 8-10 ㎛로 균일하게 코팅되어 있고 모재인 PET와의 접착성이 우수한 것을 확인할 수 있 다. 나노하이브리드소재는 50도에서 350도 정도의 저온에서 코팅 및 경화가 가능하고 고분자필름이나 사출물의 표면에 다양한 두께로 코팅이 가능하다.
표 1과 그림 9에서 세라믹 나노입자가 20% 이상 첨가된 코팅막의 특성을 확인해 보면 두께, 연필경 도, 접착력의 저하없이 Curl 특성이 현저히 향상된 결과를 확인할 수 있다. 이는 아크릴수지에 비해 상 대적으로 경화수축이 없는 세라믹입자의 첨가로 인 한 효과로 추정하고 있다.
그림 10은 세라믹 나노입자가 20% 이상 첨가된 아크릴 하이브리드 소재를 스핀코터를 이용하여 코 팅 후 UV를 이용하여 Positive-type으로 패턴형성이 가능함을 보여준다.
아크릴수지의 적용시의 장점은 UV조사에 의해 코팅막이 수초이내에 급속경화가 가능하다는 것인 데 이 경우에는 용매가 없는 것이 바람직하다. 무용 매 상태의 아크릴수지와 실리카졸이 하이브리드화
가 가능하고 UV 경화특성에 차이가 없이 급속경화 가 가능함이 확인되고 있다.
4.2 에폭시수지 하이브리드소재 특성
에폭시수지는 에폭사이드 반응성기를 가진 주재 와 경화제(산무수물, 아민 ...)간의 화학적 반응에 의 해 경화가 되는 수지인데 기계적 특성(강도, 접착력) 이 우수하고 경화 시에 휘발성 배기물질이 없으며, 경화수축이 적고, 절연특성이 우수하고 내열성도 일 반수지에 비해 우수한 편이어서 전기전자용 절연재 료로 사용되는 대표적인 수지이다.
그림 11에서 처럼 일반적인 에폭시 주재는 BPA, Novolac, 지환족 등이 있는데 수지상태에서 고체인 경우가 많으며 전기절연용으로는 경화제를 산무수 물을 주로 사용하는데 이들 유기매질에 세라믹졸을
그림 8. PET에 코팅된 아크릴 하이브리드 필름.표 1. 아크릴수지와 하이브리드수지의 경도.
Hybrid
Properites Acryl resin Hybrid resin
Thickness (㎛) 8 8
Pencil hardness 4 H 4 H
Curl (mm) 9.7 1
그림 9. 아크릴수지와 하이브리드 수지의 Curl 특성 비교.
그림 10. 패턴된 아크릴 하이브리드소재의 SEM 사진.
안정하게 분산시키는 것은 상당히 어려운 상황이다.
즉, 고함량으로 분산도 잘 안되고 저장성도 나쁘며 고점도로 성형도 어려운 한계들을 가지고 있지만 세 라믹 표면의 선택적 개질을 통해 세라믹졸을 20~30% 정도 분산은 대체로 어려움이 없으며 기판 의 함침바니쉬, 반도체/LCD 접착제, LED 봉지제 등의 재료로 사용이 기대된다.
특히, 고굴절성 세라믹 나노졸과 지환족 에폭시 하이브리드소재는 굴절률이 높으면서 방향족고리 화합물을 포함하고 있지 않아 높은 투과율과 내황변 성을 나타내므로 내열성 고굴절 투명재료로의 응용 이 가능하다.
4.3 PAI/PI 하이브리드소재 특성
전력기기(전동기/변압기/발전기/변성기) 금속 코일(Cu, Al)용 액상수지 절연바니쉬, 유연기판 (FCCL, Display, 반도체, 필름배터리, 솔라셀, Embedded capacitor)의 코팅절연/필름, 고출력 기 판(LED, 파워모듈, 박판히터)의 하드코팅재 등으로
(PAI), 폴리이미드(PI), 불소수지 등을 사용하여도 열 열화에 대한 내구성이 부족한 경우가 발생하고 있 다. PAI와 PI 용액에 세라믹 졸을 하이브리드화하면 열내구성, 마찰내구성, 코로나내구성이 등이 크게 향상되는 것으로 밝혀지고 있다.
PI 필름은 듀퐁에 의해 1960년대 Kapton이라는 이름으로 세계 최초로 상업화하여 전기절연용 내열 성 필름으로 모터, 변압기, 발전기 등에 사용되고 있 다. 필름은 전구체인 Polyamide 상태에서 Casting하 여 제조한 뒤 가열하여 Polyimide 형태로 전환시킨 다.
PAI 수지용액은 Wire 코팅용 바니쉬로 사용되고 있으며 절연성, 내열성, 내마모성 등이 특히 우수하 다. 듀퐁社는 PI/PEI 중심으로 다양한 절연재료를 생산 중인데 전기차용 전동기의 PD억제용으로 나 노무기필러를 강화한 에나멜 필름을 생산하고 있으 며, Solvay社는 PAI계 바니쉬 절연재를 생산하고 있 다.
PAI/PI계 수지는 NMP나 DMF 등의 용매에 용해 가 잘 되는데 동일한 용매에 분산된 세라믹졸은 이
그림 11. General epoxy resins.그림 12. PAI의 화학적 구조.
들 수지용액과 하이브리드가 원만하게 잘 되며 저장 성과 Solution casting도 쉽게 할 수가 있다. 그러나 그림 12에 제시되었듯이 이들 수지들도 Amic acid 비율과 터미널의 화학적 구조에 따라 하이브리드 특 성이 크게 차이가 난다.
하이브리드 절연바니쉬로 절연코팅된 코일은 서 지내구성이 크게 향상되는 것으로 밝혀지고 있다.
절연특성/아크내구성(그림 13), 내열성/열확산성 등이 크게 향상되어 이런 코일을 적용하면 소형경량 화하는데 기여하게 된다.
선진국의 경우 고성능 하이브리드 절연코팅 (Hybrid insulation coating)을 적용한 고효율 전동기 개발이 활발히 이루어지고 있으며 최근 전기자동차 용 모터제작에 PAI/PI 나노하이브리드 바니쉬로 절 연된 코일을 사용하여 모터의 수명(장기신뢰성)을 크게 개선한 결과들이 보고되고 있다(그림 14). 일본 후루가와/히다찌케이블 등에서 최근 나노컴포지트 기술을 사용하여 인버터구동 전동기의 코로나 억제
형 코일을 생산하고 있으며, 미쓰비시케이블은 서브 모터용 내열성 폴리이미드계 하이브리드 필름을 생 산하고 있다.
유・무기 나노하이브리드 절연바니쉬는 전기기 기(모터, 변압기, 발전기)용 코일절연재료로 사용될 것이며 특히 인버터로 제어하는 모터(전기차, 고속 절차, 엘레베이트, 이송장치)는 고주파에 의한 서지 내구성이 장기수명에 크게 영향을 줄 것으로 예상되 어 신뢰성 확보를 위한 적용연구가 필요하다.
파워모듈과 같이 사용전력량이 커서 열발생이 많은 제품들의 수요가 크게 증가할 것으로 예상되 고 박판유연히터 등의 절연재료로도 적용이 기대된 다.
5. 결 론
자연 중에 존재하는 고분자(동식물 유기체), 세라 믹, 금속 소재들과는 개념이 다른 탄소구조체(CNT ...), 불소화합물 등이 합성기술로 생겨나기도 하였 고, 유기금속화합물이나 실리콘화합물 등과 유사한 이종 소재군의 원자들 간의 화학결합을 통해 새로운 소재들이 새롭게 생겨날 수도 있겠지만 상당히 힘들 고 긴 시간을 필요로 할 것이다.
정교한 분자준위 혼성체인 나노하이브리드 소재 는 유・무기 간에 화학적 친화성이 좋아 상온조건에 서 큰 분자들의 대규모 응집체(나노크기)의 계면에 서 화학반응이 진행되는 특징을 가지므로 간단한 방 법으로 대량생산과 적용이 가능하고 요구하는 재료 물성을 손쉽게 구현할 수 있는 장점이 있다.
고출력 전기에너지의 사용 분야가 새롭게 생겨나 면서 Power module용 소재의 수요가 증가되고 있 고, 기존의 미세디바이스들 제조를 위해서 습식인쇄 공정이란 혁신적 생산방식이 도입되고 있으며, 이들 이 적용된 시스템은 고집적・소형・경량화 방향으 로 가면서 고분자소재만으로 물성을 만족하기가 어 려운 분야가 많이 생겨나고 있다. 열적/화학적 고내 구성과 재료특성의 조작성이 우수한 유・무기 나노 하이브리드 소재는 전기전자 및 에너지환경 분야의 제품혁신에 크게 기여할 것이다.
그림 13. PAI 및 하이브리드 바니쉬 내아크성.
그림 14. 하이브리드 바니쉬절연 코일 내구성.
참고 문헌
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[6] X. Q. Feng, Y. M. Hov, J. Z. Liu, Eur. Poly. J. 40, 720(2004)
[7] Schubert U, Husing N. Weinheim Wiley- VCM(2000)
저|자|약|력|
성 명：강동필
◈ 학 력
・1980년
경상대학교 화학과 이학사
・1982년
부산대학교 대학원 화학과 이학석사
・1989년
부산대학교 대학원 고분자공학과 공학박사
◈ 경 력
・1982년 - 1985년 경남대학교 화학과 강사
・1998년 - 2000년 창원대학교 화학과 겸임교수
・2005년 - 2006년 인제대학교 나노공학부 겸임교수
・1986년 - 현재 한국전기연구원 재료응용연구본부 나노융합에너지소재연구센터 책임연구원
◈ 학 력
・2001년
부산대학교 공과대학 무기재료공학과 공학사
・2003년
KAIST 대학원 재료공학과 공학석사
・2006년
KAIST 대학원 신소재공학과 공학박사
◈ 경 력
・2006년 - 2007년 일본 AIST TSPS-fellow
・2007년 - 현재 한국전기연구원 재료응용연구본부 나노융합에너지소재연구센터 선임연구원
성 명：강영택
◈ 학 력
・2005년
부경대학교 공과대학 고분자공학과 공학사
・2007년
부산대학교 대학원 고분자공학과 공학석사
・현재
부산대학교 대학원 고분자공학과 박사과정
◈ 경 력
・2005년 - 현재 한국전기연구원 재료응용연구본부 나노융합에너지소재연구센터 위촉연구원
