KITECH 생산기술 전문지

고분자 파생 세라믹 (Polymer derived ceramics, PDCs) 소재 중 하나인 폴리실라잔 (Polysilazane)은 다양한 기재에 접착력이 우수하고 경화막 형성 후 고경도, 내열성, 내스크래치성, 내부식성이 우수하며 고투명성 및 절연성이 우수하여 태양전지, 반도체의 절연막, 포장재 산업에서의 배리어 층 등 다양한 분야에서 응용되고 있다. 그 중 무기폴리실라잔 (Perhydropolysilazane, PHPS)은 분자구조 내 탄소원자를 포함하고 있지 않아 친환경 소재로 활용이 가능하고 SiO₂ 전환 후 고밀도, 고경도, 내화학성 및 광학특성이 우수하면서 동시에 크랙 발생이 적은 박막의 형성이 가능하다. 따라서, 이를 이용하여 실리카 막으로 전환하기 위한 다양한 공정에 대한 연구가 진행되어 왔다. 기존의 고온열처리 및 암모니아수, 과산화수소를 이용하는 공정의 경우 내화학성 및 내열성에 취약한 플라스틱 필름을 기재로 하는 roll to roll 공정에는 적용이 불가능하며, 또한 vacuum DUV 공정의 경우 장시간이 소요되고 산소 농도를 조절해야 하는 단점이 있다. 본 연구에서는 상온 및 대기 상태에서 단시간 내에 실리카 막을 형성하여 기존의 공정을 대체 할 수 있는 펄스 UV를 이용한 실리카 막 형성에 대한 연구를 수행하였다. PHPS에 펄스 UV (대기, 상온 조건)를 조사하여 형성된 실리카 (SiOx) 막에 대한 화학적 거동 및 전환율을 FT-IR을 이용하여 평가하였고, 플라스틱 기재 (PET) 에 형성된 실리카 막에 대한 수접촉각, 투과율, 굴절율, 표면거칠기, 연필경도와 같은 표면 특성을 평가하였다. 펄스 UV 조사에 의해 형성된 실리카 막의 경우 600 ℃ 열처리 실리카 막과 유사한 100% 실리카 막 (SiOx) (Thickness : 160 ± 0.7nm) 으로 전환됨을 FT-IR 분석을 통해 확인하였으며 비정질 SiO₂와 동일한 굴절율 1.45 를 형성함을 확인하였다. PET 기재 상에 형성된 실리카 필름은 투과율 90.7%, 연필경도 4H, 수접촉각 32도, 그리고 낮은 표면 거칠기 (Ra) 0.330 nm 를 나타내는 것으로 평가되어 고경도, 고투명성, 친수성의 실리카 막 (SiOx)이 형성되었음을 확인하였다. PHPS는 저탄소 친환경 소재로 생분해성 필름, 멤브레인, 태양전지, 반도체 등과 같은 바이오 플라스틱, 에너지 기반 다양한 분야의 기능성 코팅 소재 및 복합소재로 응용이 가능하여 향 후 그 수요가 증가 할 것으로 생각된다. 또한, 펄스 UV 공정은 상온 공정 및 공정시간 단축으로 인해 탄소 배출량 감소에 기여할 수 있으며, 앞 서 설명한 기존의 PHPS의 실리카 막 전환 공정들의 대체 공정으로 적용이 가능하여 그 응용 범위가 넓을 것으로 판단된다.

키워드 무기폴리실라잔, 펄스 UV, 고기능성 코팅, 실리카 막