저온에서 Polycarbonate(PC) 기판상의 지르코니아 박막 제조.

서임선, 장종관, 조규진, 문일식

순천대학교 공과대학 화학공학과, 전남 순천시 매곡동 315번지.

Preparation of Zirconia thin film on Polycarbonate(PC) plate

at low temperature.

Imseon Seo, Jongkwan Jang, Gyoujin Cho, Ilshik Moon

Department of Chemical Engineering, Sunchon National University

315 Maegok, Sunchon Chonnam 540-742 Korea.

서론

Zirconia는 강도가 높고 굴절률과 내식성이 강하다. 또한 녹는점이 높고 열팽창계수가 작으며, 열전도성이 매우 안정하여 플라스틱으로 대체 가능한 자동차 부품의 Coating재, 보호막 등으로 이용될 수 있고 또한, 도가니, 내화재료, Oxygen sensor 등으로도 응용되고 있다.1,2,3 이러한 ZrO2박막을 제조하는 방법은 Plasma, Thermal spraying, Physical vapor deposition 그리고 Sol-gel deposition등이 있다. 그러나, 종전에 사용된 지르코이아 박막제조 기술들은 제조 공정이 복잡하고 어려워 산업적으로 이용하는데 문제점이 있으나, Sol-gel 방법은 비교적 이러한 단점들을 보완할 수 있기 때문에 널리 이용되고 있다. 이것은 비교적 저온에서도 균일한 막을 제조할 수 있고, 또한 미세구조로의 조절이 용이하며, 복합체 위에 박막을 증착 할 수 있는 장점을 가지고 있는 반면에 이 방법에 의해 제조되어진 박막은 결정성을 나타내기 위해서는 높은 온도의 열처리가 요구되어지는 단점을 가지고 있다. 따라서, 열처리 공정을 거치지 않고도 결정성을 나타내는 박막을 제조할 수 있다면 ZrO2 박막의 응용범위는 보다 폭넓고, 다양하게 확산될 수 있을 것이다.4 기존의 방법들을 이용하여 상온에서 결정성 세라믹 박막을 제조하는 것은 기술적으로 어려운 일이지만, 실제로 자연상태에서는 상온 상압 하에서 양질의 고 결정성 세라믹들이 성장하는 것을 볼 수 있다.

본 연구에서는 이러한 자연 상태의 Biomineralization을 응용한 Biomimectic 공정을 도입하여 Engineering 플라스틱의 일종인 Polycarbonate(PC) 기판상에 ZrO2 박막을 제조하여 자동차 부품 소재로 활용하고자 한다.5,6,7.8 전번 발표10에서 유리 및 세라믹 기판을 3-(trimetoxisilyl) propyl metacrylate로 개질 한 후 Polyacrylic acid(PAA)를 도입 grafting 시켜 표면을 PAA 자기 집합 막으로 만든 후 지르코니아 전구체가 들어있는 모액에 넣어 62℃의 온도와 상압에서 성장시켜서 지르코니아 박막을 제조한 바 있다. 금번 연구에서도 실제 공정에 응용성을 높이기 위해 플라스틱의 일종인 PC 위에 전번 결과를 바탕으로 지르코니아 박막 제조하는 연구를 수행하고 있다.

실험방법

Fig. 1. Scheme of Zirconia Thin Film on Substrate.

Fig. 1은 Zirconium 박막 제조과정을 나타내는 반응 sheme이다. 사용되는 기판은 Polycarbonate(PC, 세화폴리텍) Plate로 두께는 1mm, 1cm×2cm 정도로 가공하여 실험하였다.

-OH group은 plasma를 이용하는 물리적인 방법과 기판을 Bromination 후 Chlorination을 하여 -Cl group을 -OH group으로 치환하는 화학적인 방법을 이용하여 PC 기판에 도입하였다. 이 plate는 앞서 발표한 것처럼 3-(trimetoxisilyl) propyl metacrylate(aldrich)로 modify하고9, 이것에 acrylic acid(aldrich)를 중합시키면서 성장시켰으며 Zirconia 전구체가 들어있는 모액을 만들어서 이곳에 PAA로 자기 집합된 판을 투입하여 62℃에서 48시간동안 반응시켜서 ZrO2 박막을 제조하였다.10

다른 방법으로는 모액 속에서 Zirconia 박막이 성장하는 가를 알아보기 위해서  -OH로 개질 된 것과 개질 되지 않은 PC 기판을 Zirconia 모액에 담구어 Zirconia 박막을 만드는데 시도하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2. FT-IR Spectra Data on Plasma Treating PC.

Fig. 3. SEM Image of Zirconia Thin Film.

PC 기판에 -OH기를 도입하는 방법 중에서 화학적인 방법은 도입 공정 중 몇 가지 문제점이 있어 계속 연구 중에 있으며 플라즈마 처리한 PC판은 개질 후 FT-IR분석으로 Fig. 2에 나타난 바와 같이 3000∼3500(cm-1)정도에서 broad하게 나타나는 Peak로부터 -OH group의 존재를 확인하였다.

Fig. 3은 PC 기판을 -OH로 개질 한 후 Zirconia 전구체가 함유된 모액에서 2일간 성장시킨 Zirconia 박막의 SEM 사진이다. 사진에 나타난바와 같이 박막이 균일하게 성장되었음을 알 수 있었다.

이 결과를 바탕으로 PAA로 자기 집합시킨 PC기판을 이용한 지르코니아 박막 제조에 관하여 현재 연구 중에 있다.

감 사

본 연구는 과학 재단 지정 순천대학교 자동차 부품 및 소재 연구 개발 센터의 일부 지원에 의한 것입니다.

참고문헌

1. Melissa J. Paterson, Peter J. K. Paterson, Besin Ben-Nissan, J. Mater. Res., 13, 2, 1998

2. E. O. Bensadon, P. A. P. Nascente, P. Olivi, L. O. S. Bulhoses, and E. C. Pereira,     Chem. Mater. 11, 277. 1999.

3. Monika Agarwal, Mark R. De Guire, and Arthur H. Heuer J. Am. Ceram. Soc.     80, 12, 2967, 1997.

4. Krisanu Bandyopadhyay and K. Vijayamohanan, Langmuir, 14, 6924, 1998.

5. 문일식, 조규진, 51st Pacific coast regional, basic science division and             electronics division meeting of the american ceramic society, S6, 011, 46, 1999.

6. 조규진, 문일식, 설용건, 51st Pacific coast regional, basic science division and      electronics division meeting of the american ceramic society,  S6, 011, 17, 1999.

7. 조규진, 박명원, 문일식, 이재석, 설용건, 조영선, The 8th APCCHE Congress,       3, 1997-2000, 1999.

8. 조규진, 문일식, 손진수, 특허 출원번호 제 10-1999-0056331호, 1999.

9. Gyoujin Cho, JongKwan Jang, Ilshik Moon, Jae-Suk Lee and Daniel T. Glatzhofer,     J. Mater. Chem, 9, 1999.

10. 박명원, 서임선, 문일식, 조규진, 이재석, 화학공업과 기술과 응용, 1999.