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광 경화에 의한 실리카계 코팅막 성형기술 개발
-광 sol-gel 반응에 의한 실리카계 코팅막 성형기술-
竹內浩史(타께우찌 히로시) 외 3인/三菱레이온
三菱(미쓰비시)레이온의 타께우찌 히로시 주임연구원 외 3인은 실온에서의 광 경화반응에 의한 실리카계 코팅막(이하 실리카 막)을 형성할 수 있는 기술을 개발하였다. 이 실리카막은 투명성과 내구성이 우수하고 저온 형성이 가능하기 때문에 내열성이 낮은 플라스틱의 손상을 방지하기 때문에 hard coat와 높은 투명성, 내열성을 요구하는 광학 device 재료로 응용을 기대할 수 있다.
Silica는 규소와 산소가 교차 결합한 기본구조로, 유기성분이 도입된 것으로 구성되어 있다. 이 기분구조는 유리의 구성성분인 이산화규소에 유사해, 투명성이 높고 내구성과 전기절연성이 우수하다는 것 외에 성질도 유리와 유사한 점이 많다. 이러한 특성을 살린 실리카 막은 플라스틱 등 손상이 쉬운 재료의 표면보호를 위한 hard coat, 건재료용 방오 coat, 반도체의 층간 절연막 등 넓은 분야에 사용할 수 있다.
실리카막을 얻는 방법으로 대표적인 것으로 sol-gel 법이 있다. Silicone alkoxide라고 하는 원료를 가수분해 반응시켜, 올리고머(용액)을 만든다. 이 올리고머를 기재 등에 도포한 후 건조, 경화시키면 실리카 막을 얻을 수 있다. 그러나 경화할 때 통상 100~200℃, 1~2시간의 가열이 필요하기 때문에 기재는 내열성이 높은 것에 한정되고, 또 경화 시 방대한 열에너지를 필요로 해 생산성이 낮다고 하는 문제점이 있었다.
여기서 竹內 연구팀들은 기존의 sol-gel 법의 문제점을 해결, 실온 부근에서의 경화가 가능하면서도 기존의 제조장치와 설비 등을 그대로 활용할 수 있는 새로운 경화기술 개발에 주목하였다. 본 기술에 대해서 우선 생각한 것으노, 기존의 가열에 의한 경화방식이 아닌 광에 의한 경화 가능성에 대해 생각하였다. 광 경화는 반응성 화합물에 광중합 개시제라고 하는 화합물을 혼화시킨 것으로, UV 광이 닿으면 광중합 개시제가 분해해 활성종이 생성되고, 이 활성종이 반응성 화합물의 중합을 이끌어 내어 경화되는 것이다.
광경화는 통상 실온에서 실시되어, 경화에 필요한 시간은 겨우 수분이기 때문에 성에너지, 고 생산성 공정으로, 코팅을 시작으로 폭넓은 분야에서의 응용이 진행되고 있다. 그러나 sol-gel 법에서의 광경화반응으로 내구성이 높은 실리카 막을 형성하는 기술은 거의 없는 것으로 알려져 있다.
연구팀들은 sol-gel 반응이 산에 의해 촉매되는 것에 착안, 다양한 광산 발생제(UV 광 조사에 의해 산성이 발생되는 화합물)을 시험할 결과, 극히 유효하게 기작하는 광산 발생제를 발견, UV 광 조사에 의한 sol-gel 반응을 진행, 실리카 막을 얻는데 성공하였다. 광산 발생제로부터 생성하는 산은 극히 강해서, 그 강력한 촉매작용이 실온에서의 광경화를 가능하게 하는 요인 중 하나라고 추정된다. 또한 올리고머의 화학구조를 연구한 결과 우수한 경화막 물성을 실현하는데 성공하였다.
현재 이 광 sol-gel 반응을 이용한 자동차용 수지 grazing(hard coat한 수지제 창 glass)과 광통신장치용 재료 연구개발을 추진하고 있다.
실리카막은 매우 우수한 특성을 갖고 있음에도 불구하고 그 형성에 고온과 장시간이 필요하기 때문에 적용분야가 한정되었으나, 이번에 개발한 광 sol-gel 반응은 실온에서도 단시간으로 실리카막을 쉽게 형성할 수 있기 때문에 지금까지 적용이 어려웠던 내열성이 낮은 재료의 표면 기능화나 저온 플로세스의 특성을 살린 신규 광학장치재료 설계 등에 널리 적용이 기대된다. 또 성에너지, 고생산성 공정이기 때문에 기존의 열경화 공정으로부터 광경화 공정으로의 전환도 기대된다.
출처: 한국섬유소재연구소 손성군 위원
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