[신기술소개] 시라큐스 대 (Syracuse University): 가교 고분자 복합 재료의 원스텝 광기반 제조: 미세하게 조정된 빛의 강도와 잘 배치된 마스크로 나노 입자의 디자인된 배열

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시라큐스 대 (Syracuse University): 가교 고분자 복합 재료의 원스텝 광기반 제조:

미세하게 조정된 빛의 강도와 잘 배치된 마스크로 나노 입자의 디자인된 배열

고분자-나노입자 복합재료는 배터리, 건축 자재, 논스틱 코팅, 전자 및 의료 기기에 사용되나, 이러한 복합 재료 제작은 여러 단계 또는 많은 열과 화학 물질이 필요하다. 또한 나노 입자가 재료에서 끝나는 위치를 제어 하기가 어려우므로 재료의 기능을 제대로 구현할 수 없다. 이에 연구자들은 패턴화된 빛을 사용하여 수지-나 노입자 혼합물 경화를 통해 정밀하게 나노입자를 배열하여 이러한 복합재를 제작할 수 있는 방법을 개발했다.

시라큐스 대(Syracuse University)의 Ian D. Hosein 교수는 ACS Fall 2021 회의에서 본 연구를 발표하 며, _“ 단순히 배합하고 표면코팅 및 경화하면 충분하다 _” 고 했다.

광범위한 혼합 재료와 함께 작동하고 신중하 게 제어되는 다양한 나노 입자 패턴을 생성할 수 있기 때문에 이 저비용 기술은 다양한 응용 분야 에서 복합 재료 활용을 가능하게 할 수 있다. 연 구팀은 초소수성 필름을 만들기 위해 울퉁불퉁 한 폴리머 표면 위에 있는 조밀하고 얇은 이산화 티타늄 나노입자 층으로 구성해 제작할 수 있었다.

합성물은 일반적으로 감광성 단량체를 경화 시켜 만든다. 그러나 Hosein 교수팀은 레진이 중합되는 위치를 공간적으로 제어하기 위해 네 거티브 사진과 유사한 마스크를 사용했고, 빛의

강도를 조정해 중합 반응을 가속화하거나 느리게 했다. Hosein 교수는 “재료의 밀도가 중합에 따라 변화함 에 따라 일부 영역에 모이고 또한 나노 입자를 밀어서 응집되는 위치를 제어하므로, 재료를 합성하는 동안 나노 입자가 있는 위치를 패턴화하고 지시할 수 있다. _” 고 했다.

연구팀은 초소수성 물질의 제조를 위해 40 μm 너비의 구멍이 규칙적으로 배열된 마스킹 시트에 TiO

나노입자와 감광성 trimethylolpropane triacrylate 단량체의 혼합물을 놓고 자외선을 조사했다. 이때 빛이 구멍을 통해 단량체를 중합함에 따라 물질이 팽창해 범프 배열을 형성하고 나노 입자가 표면으로 밀려났 다. 이를 통해 제작된 마이크로미터 크기의 범프와 나노입자의 조합은 물방울을 위로 올려 표면에서 굴러 떨어지게 했고, 이는 자동 세척되는 코팅에 적용가능하다.

Hosein 교수는 “현재 본 기술을 활용해 실리콘 나노입자가 있는 실리콘-탄소 복합 기둥으로 구성된 안 정적인 고에너지 리튬 이온 배터리 음극 재료와 폴리머 매트릭스에 주기적으로 배열된 금속 나노입자로 구 성된 태양 전지용 광수확 코팅을 연구하고 있다 ”고 했다.

싱가포르 기술 및 디자인 대(Singapore University of Technology and Design)의 Hong Yee Low 교수 는 “본 기술의 실제 적용에 대한 한계점으로서 UV 경화 시간과 에너지일 수 있다” 면서도 “본 기술의 실온 프로세스와 최소 용매사용은 매우 중요한 진보”라고 했다.

연구성과는 미국화학회 출판 그룹의 ACS Applied Polymer 온라인판에 게재되었다(ACS Applied Polymer Materials 2021, DOI: 10.1021/acsapm.1c00744).

출처: 2021. 8. 31. Chemical & Engineering News APPEARED IN VOLUME 99, ISSUE 30 (https://cen.acs.org/mate rials/polymers/Crafting-polymer-composites-one-step/99/web/2021/08)

작성: 손 희 상 (광운대학교)

Figure. (a) 새로운 빛 기반 공정을 사용하여 만든 초소수성 나

노 입자 복합체로 코팅된 유리 슬라이드 (b) 원스텝 광기반 공

정을 통해 구현된 상부에 TiO

나노입자(노란색)의 조밀한 층

이 있는 구조화된 중합체 방수 코팅 필름 (Credit: Shreyas

Pathreeker)