KR20130004159A - 불소화된 구조적 유기 필름 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 절편 및 공유결합 유기 구조체로 배열된 복수의 연결체를 포함하는 불소화된 구조적 유기 필름에 관한 것으로서, 상기 구조화 유기 필름에서 불소는 패턴화된 균일한 방식으로 분포될 수 있다.

Description

불소화된 구조적 유기 필름 조성물 {FLUORINATED STRUCTURED ORGANIC FILM COMPOSITIONS}
본 발명은 유기 필름에 관한 것으로서, 불소화된 구조적 유기 필름인 것을 특징으로 하는 발명에 관한 것이다. 본 발명은 절편, 연결체(linker), 불소를 포함하는 유기 필름이다.
공유 결합으로 연결되어 연장된 구조의 분자로 이루어진 화학적 구조를 가진 물질은 두 가지로 분류될 수 있다: (1) 폴리머 및 가교 폴리머, 및 (2) 공유결합 유기 구조체(frameworks)(또한 공유 결합으로 연결된 유기 네트워크로 알려짐).
제 1 분류인 폴리머 및 가교 폴리머는 전형적으로 분자 단량체의 중합에 의해 구현되어 공유결합으로 결합된 분자의 긴 직쇄를 형성한다. 폴리머 화학 공정은 중합 사슬을 차례로, 또는 동시에 “가교되도록" 할 수 있다. 폴리머 화학의 본질은 형성된 물질의 분자-수준 구조를 잘 제어하지 못하며 즉, 폴리머 사슬의 구성 및 사슬 사이의 분자 단량체의 패터닝(patterning)은 대부분 무작위이다.
폴리머 및 가교 폴리머에 불소 함량을 도입하는 것은 그들의 유용성의 조정/향상에 대한 가능성을 열어준다. 그러나, 이것은 일반적으로 간단한 공정이 아니다: Teflon, Viton, 또는 통상의 불소 폴리머를 섞는 것은 극미량의 필름 성분과의 낮은 가용성 때문에 어려울 수 있고 그 결과 불소 함량이 균일하게 분산되게 할 수 없다. 불소화된 저분자의 도입은 일반적으로 더 용이한 선택이다; 그러나 안정한 분산의 달성(여기서 불소는 균일하게 분산된다) 및 상 분리 경향 및 필름으로부터의 침출은 제품으로 구현되는데 통상 장애가 된다.
제 2 분류인 공유결합 유기 구조체(COFs)는 고패턴화되는 목적이라는 점에서 제 1 분류(폴리머/가교 폴리머)와 다르다. COF 화학에서 분자 성분은 단량체보다 오히려 분자 빌딩 블록으로 불린다. SOF 합성 동안 분자 빌딩 블록은 이- 또는 삼-차원의 네트워크를 형성하도록 반응한다. 결과적으로, 분자 빌딩 블록은 COF 물질을 통해 패턴화되고 분자 빌딩 블록은 강한 공유결합으로 서로 연결된다.
기존의 COF는 전형적으로 높은 다공성을 가진 분말이며 매우 낮은 밀도를 가진 물질이다. 이러한 종래 COF는 유용하지만, 본 발명의 실시형태에서 소개되었듯이 불소를 쉽게 결합(예를 들어, 화학적 결합)시킬 수 있고 그들의 구조 안에서 균일 분산도 가능한 새로운 필름 물질이 요구된다. 본 발명의 불소화 SOF는 이러한 필요에 대한 것이며, 불소 함량을 논리적이고 쉽게 조정 가능케 한다.
본 발명은 적어도 제 1 절편 유형을 포함하는 복수의 절편 및 공유결합 유기 구조체(COF)로 배열된, 적어도 제 1 연결체 유형을 포함하는 복수의 연결체를 포함하는 불소화된 구조화 유기 필름(SOF)에 관한 것으로서 상기 적어도 제 1 절편 유형은 불소이다. 또한 본 발명은 (a) 적어도 제 1 절편 유형 및 많은 작용기를 포함하는 복수의 분자 빌딩 블록을 포함하는 반응 혼합물을 함유하는 액체를 제조하는 단계로서 여기서 제 1 절편 유형은 불소를 함유하는 단계; (b) 웨트 필름(wet film)으로서 반응 혼합물을 증착하는 단계; 및 (c) 웨트 필름의 변화를 촉진하여 건조 SOF를 형성하는 단계를 포함하는 불소화된 구조화 유기 필름을 제조하는 공정을 제공한다.
본 발명은 필름 물질에 불소가 잘 섞이고 균일하게 분산되도록 하며, 불소 함량에 따라 SOF의 표면 에너지를 조절할 수 있다. 불소화 SOF 조성물은 소수성일 수 있고, 분자 빌딩 블록의 선택에 따라 추가된 기능성(소수성, 친수성, 소유성, 친지성, 광변색성, 전기활성 등)을 제공할 수 있다.
도 1a-o는 대칭적인 요소(element)의 윤곽을 보여주는 예시적인 빌딩 블록(building blocks)를 도시한다.
용어 “SOF”는 일반적으로 공유결합 유기 구조체(COF)를 의미하며 육안식별 수준의 필름이다. 구문 “육안식별 수준”은 본 발명 SOF를 육안으로 보는 것을 의미한다.
용어 “불소화 SOF”는 예를 들어, SOF의 하나 이상의 절편 유형 또는 연결체 유형에 공유결합으로 결합된 불소 원자를 함유하는 SOF를 의미한다. 불소화 SOF는 SOF의 구조체에 공유결합으로 결합되지는 않지만, 불소화 SOF 조성물(즉, 불소화 SOF 복합체)에 무작위적으로 분포되는 불소화된 분자를 추가로 포함할 수 있다. 그러나, SOF는 SOF의 하나 이상의 절편 유형 또는 연결체 유형에 공유결합으로 연결된 불소 원자를 함유하지 않으며, 단지 SOF의 하나 이상의 절편 또는 연결체에 공유결합으로 결합되지 않은 불소화된 분자를 포함하며, 복합체 SOF이며, 불소화된 SOF는 아니다.
SOF 조성물에서 불소 함량을 설계 및 조정하는 것은 간단하며 통상의 폴리머 합성이 필요치 않고, 혼합/분산 공정도 필요치 않다. 또한, SOF 조성물은 불소 함량이 분자 수준에서 균일하게 분산되고 패턴화된 SOF 조성물일 수 있다. SOF에서 불소 함량은 SOF 합성에 사용된 분자 빌딩 블록을 변화시킴으로써 또는 사용된 불소 빌딩 블록의 양을 변화시킴으로써 조정될 수 있다.
불소화 SOF는 하나 이상의 적합한 분자 빌딩 블록의 반응에 의해 만들어질 수 있고, 여기서 적어도 하나의 분자 빌딩 블록 절편은 불소 원자를 포함한다.
불소화 SOF는 고도로 네트워크화된 조성물로서, 불소화 빌딩 블록의 반응으로부터 얻거나 그렇지 않을 수 있는 제 1 절편이 불소-함유 분자 빌딩 블록의 반응으로부터 얻어진 제 2 절편과 같이, 불소화 제 2 절편에 연결될 수 있다.
불소화 SOF의 불소 함량은 SOF 전체에 균일하게 분포될 수 있다. SOF 내에서 불소 함량의 균일한 분포는 SOF 형성 공정에 의해 제어될 수 있고 따라서 불소 함량은 또한 분자 수준에서 패턴화될 수 있다.
상기 패터닝은 동일한 일반적인 모(parent)분자 빌딩 블록 구조는 공유하지만 빌딩 블록의 불소화 정도(즉, 수소 원자를 불소로 대체하는 수)는 다른 분자 빌딩 블록 혼합물을 사용함으로써 수행될 수 있다.
SOF는 형성된 웨트 층의 정상(top)에서 고도로 불소화 또는 과불소화 분자 빌딩 블록을 적용함으로써 불소 함량이 이종(heterogeneous) 분포할 수 있어서, SOF의 소정의 측면 상에 더 높은 비율의 고도로 불소화 또는 과불소화 절편을 만듦으로써 SOF 두께 안에 고도의 불소화 또는 과불소화 절편의 이종 분포를 형성하여 웨트 층에서 건조 SOF로의 변화 촉진 후에 얻어진 결과물 SOF에서 선형 또는 비선형 농도 구배를 얻을 수 있다. 대다수의 고도로 불소화 또는 과불소화 절편은 건조 SOF의 위쪽 반(half)(기재 반대편)이 되거나 대다수의 고도로 불소화 또는 과불소화 절편은 건조 SOF의 아래쪽 반(기재에 인접함)이 될 수 있다.
비-불소화 분자 빌딩 블록은 증착된 웨트 층의 정상 표면에 추가될 수 있고, 웨트 필름에서 변화 촉진하여 건조 SOF에 비-불소화 절편의 이종 분포를 가진 SOF가 생성된다. 대다수의 비-불소화 절편은 건조 SOF의 위쪽 반(기재의 반대쪽)이 되거나 대다수의 비-불소화 절편은 건조 SOF의 아래쪽 반(기재에 인접함)이 될 수 있다.
SOF 물질에서 불소 함량은 불소화 빌딩 블록 또는 주어진 분자 빌딩 블록의 불소화 정도를 변화시킴으로써 쉽게 변경될 수 있다. 불소화 SOF 조성물은 소수성일 수 있고, 또한 하이브리드 특성을 가진 필름을 만들기 위해 제 2 특성(예를 들어, 전하 수송)을 갖도록 조정(tailor)될 수 있다.
불소화 SOF는 하나 이상의 분자 빌딩 블록의 반응으로 만들어질 수 있고, 적어도 하나의 분자 빌딩 블록은 불소를 함유한다. 반응 혼합물에서 모든 분자 빌딩 블록은 불소를 함유할 수 있다. 염소와 같이, 상이한 할로겐이 분자 빌딩 블록 내에 선택적으로 함유될 수 있다.
불소화 분자 빌딩 블록은 탄소 또는 규소 원자 코어(core)를 함유하는 하나 이상의 빌딩 블록; 알콕시 코어를 함유하는 빌딩 블록; 질소 또는 인 원자 코어를 함유하는 빌딩 블록; 아릴 코어를 함유하는 빌딩 블록; 카보네이트 코어를 함유하는 빌딩 블록; 카보시클릭-, 카보비시클릭-, 또는 카보트리시클릭 코어를 함유하는 빌딩 블록; 및 올리고티오펜 코어를 함유하는 빌딩 블록으로부터 얻을 수 있다. 상기 불소화 분자 빌딩 블록은 하나 이상의 수소 원자를 불소 원자로 교체 또는 교환함으로써 얻을 수 있다. 하나 이상의 상기 분자 빌딩 블록은 모든 탄소에 결합된 수소 원자를 불소로 교체할 수 있다. 하나 이상의 상기 분자 빌딩 블록은 염소와 같이, 상이한 할로겐으로 교체된 하나 이상의 수소 원자를 가질 수 있다. 불소에 더하여, SOF는 또한 다른 할로겐을 포함할 수 있다.
하나 이상의 불소화 분자 빌딩 블록은 SOF 중량 100 부(parts)와 관련하여 약 5 내지 약 100중량%, 또는 적어도 약 50중량%의 퍼센트로 불소화 SOF 중에 존재할 수 있다.
불소화 SOF는 수소 원자 중 약 20% 이상, 또는 수소 원자 중 약 95% 이상, 또는 수소 원자 중 약 100%가 불소 원자로 교체될 수 있다.
불소화 SOF는 탄소-결합된 수소 원자 중 약 20% 이상, 또는 약 50% 이상, 또는 약 95% 이상, 또는 약 100%이 불소 원자로 교체될 수 있다.
예를 들어, 탄소-결합된 수소와 같이 상당한 수소 함량이 SOF 내에서 또한 존재할 수 있다. 탄소-결합된 수소 및 탄소-결합된 불소 원자의 합과 관련하여, 수소 원자의 퍼센트는 임의의 원하는 양으로 조정될 수 있다. 예를 들어, 탄소-결합된 수소 대 탄소-결합된 불소의 비율은 약 5 이하의 탄소-결합된 수소 대 탄소-결합된 불소의 비율, 약 0.1 이하의 탄소-결합된 수소 대 탄소-결합된 불소의 비율, 또는 약 0.01 이하의 탄소-결합된 수소 대 탄소-결합된 불소의 비율과 같이 약 10이하일 수 있다.
불소화 SOF의 불소 함량은 약 5 중량% 내지 약 75 중량%, 또는 약 10 중량% 내지 약 50 중량%일 수 있다. 몇 가지 불소화 SOF의 불소 함량은 약 10 중량% 이하, 또는 약 50 중량% 이하가 될 수 없고, 불소 함량의 상한은 약 75 중량%, 또는 약 60 중량%이다.
SOF에 있어서 어느 원하는 절편의 양이라도 불소화될 수 있다. 절편에 함유된 불소의 퍼센트는 약 30 중량% 이상, 또는 50 중량% 이상과 같이, 약 10 중량% 이상이 될 수 있다. 절편에 함유된 불소의 상한은 100%, 또는 약 70 중량% 이하가 될 수 있다.
본 발명에 개시된 불소화 SOF는 “내용제성” SOF, 캡을 씌운(capped) SOF, 복합체 SOF, 및/또는 주기적인(periodic) SOF가 될 수 있다. 용어 “내용제성”은 SOF가 용매에 결합되는 층의 민감성/스트래스 크래팅(cracking) 또는 분해를 증가시키는, (1) SOF 및/또는 SOF 조성물(예컨대 복합체 SOF)에 동시에 공유결합으로 연결되었던 임의의 원자 및/또는 분자의 어떠한 침출, 및/또는 (2) SOF 및/또는 SOF 조성물(예컨대 복합체 SOF) 의 일부에 동시에 존재하던 임의의 분자의 어떠한 상 분리도 실질적으로 없는 것을 의미한다.
SOF는 육안식별 수준에서, 실질적으로 핀홀(pinhole)-없는 SOF 또는 연속적인 공유결합 유기 구조체를 가진 핀홀-없는 SOF일 수 있고 예를 들어 미터와 같이 길이에 있어 밀리미터보다 훨씬 더 큰 것과 같이 더 큰 길이 규모로 확장될 수 있다.
“실질적으로 핀홀-없는 SOF” 또는 “핀홀-없는 SOF”는 기본적인 기재 표면 위에 증착된 반응 혼합물로부터 형성될 수 있다. 용어 “실질적으로 핀홀-없는 SOF”는 평방 cm마다 두 개의 인접한 절편의 중심 간의 거리보다 더 큰 핀홀, 구멍(pores) 또는 틈이 실질적으로 없는, 또는 cm2마다 지름이 약 250nm 이상의 핀홀, 구멍 또는 틈이 10개 이하인 SOF를 의미한다. 용어 “핀홀-없는 SOF”는 마이크론 제곱(micron2)마다 두 개의 인접한 절편의 중심 간의 거리보다 더 큰 핀홀, 구멍 또는 틈이 없는, 또는 마이크론 제곱마다 지름이 약 500옹스트롬(Angstroms) 이상의 핀홀, 구멍 또는 틈이 없는 SOF를 의미한다.
불소화 분자 빌딩 블록은 공지의 공정에 의한 임의의 “모(parent)” 비-불소화 분자 빌딩 블록의 불소화로부터 얻을 수 있다. 예를 들어, “모” 비-불소화 분자 빌딩 블록은 약 150℃ 이상과 같이, 상승 온도에서, 또는 다른 공지의 공정 단계에 의해 원소 불소화하여 다양한 정도로 불소화된 불소화 분자 빌딩 블록의 혼합물을 형성하고, 개개의 불소화 분자 빌딩 블록을 얻기 위해 선택적으로 정제할 수 있다. 대안으로서는, 불소화 분자 빌딩 블록을 합성하거나 및/또는 원하는 불소화 분자 빌딩 블록을 간단히 구매하여 얻을 수 있다. “모” 비-불소화 분자 빌딩 블록의 불소화 분자 빌딩 블록으로의 전환(conversion)은 단일 세트 또는 공지의 반응 조건의 범위를 사용하는 반응 조건하에서 일어날 수 있으며, 공지의 한 단계 반응 또는 공지의 다-단계 반응일 수 있다. 예시적인 반응은 추가 및/또는 교환과 같이, 하나 이상의 공지의 반응 메커니즘을 포함할 수 있다.
예를 들어, 모 비-불소화 분자 빌딩 블록의 불소화 분자 빌딩 블록으로의 전환은 불소화 분자 빌딩 블록을 생산하기 위해 공지의 탈할로겐화수소제와 함께 비-불소화 분자 빌딩 블록과 접촉하는 단계를 포함할 수 있다. 탈할로겐화수소 단계는 수소 원자의 적어도 약 50%를 불소 원자로의 전환, 또는 수소 원자의 약 95% 이상을 불소 원자로 전환, 또는 수소 원자의 약 100%를 불소 원자로 전환시키기에 효과적인 조건하에서 수행될 수 있다. 탈할로겐화수소 단계는 탄소-결합된 수소와 같이, 수소(hydrogens)의 적어도 약 99%를 불소로 전환시키기에 효과적인 조건 하에서 수행될 수 있다. 상기 반응은 액체 상 또는 가스 상, 또는 가스 및 액체 상의 조합으로 수행될 수 있으며, 반응은 배치식(batch wise), 연속식, 또는 그 조합으로 수행될 수 있도록 계획된다. 상기 반응은 활성화된 탄소와 같이, 촉매의 존재 하에서 수행될 수 있다. 다른 촉매는 홀로 또는 서로 조합하여 사용될 수 있고 또는 불소화되는 특정 분자 빌딩 블록의 요건에 따라, 예를 들어 팔라듐-계 촉매, 백금-계 촉매, 로듐-계 촉매 및 루테늄-계 촉매를 포함할 수 있다.
분자 빌딩 블록은 적어도 두 개의 작용기(x≥2)가 필요하며 단일 유형 또는 두 가지 이상의 유형의 작용기를 포함할 수 있다.
분자 빌딩 블록 대칭은 분자 빌딩 블록 절편의 주변부에 작용기(Fgs)의 위치와 관련된다.
대칭적 빌딩 블록의 사용은 두 가지 이유로 행해진다: (1) 규칙적인 모양의 연결은 망상 화학(reticular chemistry)에서 잘 이해된 공정이기 때문에 분자 빌딩 블록의 패터닝이 잘 예측될 수 있으며, (2) 분자 빌딩 블록 사이의 완전한 반응이 용이하게 되는데, 왜냐하면 덜 대칭적인 빌딩 블록에서는 잘못된 형태/배향이 채택될 수 있어서 SOF 안에 많은 연결 결함이 개시될 수 있기 때문이다.
도 1a-o는 대칭적인 요소의 윤곽을 보여주는 예시적인 빌딩 블록을 나타낸다. 상기 대칭적인 요소는 사용될 수 있는 빌딩 블록에서 발견된다. 상기 예시적인 빌딩 블록은 불소화되거나 되지 않을 수 있다.
예시적인 불소화된 분자 빌딩 블록은 탄소 또는 규소 원자 코어를 함유하는 불소화 빌딩 블록; 알콕시 코어를 함유하는 빌딩 블록; 질소 또는 인 원자 코어를 함유하는 빌딩 블록; 아릴 코어를 함유하는 빌딩 블록; 카보네이트 코어를 함유하는 빌딩 블록; 카보시클릭-, 카보비시클릭-, 또는 카보트리시클릭 코어를 함유하는 빌딩 블록; 및 올리고티오펜 코어를 함유하는 빌딩 블록으로부터 얻어질 수 있다. 상기 불소화된 분자 빌딩 블록은 약 150℃ 이상과 같이, 상승 온도에서, 비-불소화 분자 빌딩 블록을 원소 불소로 불소화하거나 또는 다른 공지의 공정 단계에 의해, 또는 원하는 불소화된 분자 빌딩 블록을 간단히 구매하여 얻을 수 있다.
작용기는 SOF 형성 공정 동안에 절편을 함께 연결하기 위해 화학 반응에 참여하는 분자 빌딩 블록의 반응성 화학물질의 부분이다. 작용기의 비-제한 예는 할로겐, 알코올, 에테르, 케톤, 카르복실산, 에스테르, 카보네이트, 아민, 아미드, 이민, 요소, 알데하이드, 이소시아네이트, 토실레이트, 알켄, 알킨 등을 포함한다.
절편은 작용기를 지지하고 작용기와 연관되지 않은 모든 원자를 포함하는 분자 빌딩 블록의 일부이다. 또한, 분자 빌딩 블록 절편의 조성물은 SOF 형성 후에 변하지 않는다.
SOF의 절편은 수소, 산소, 질소, 규소, 인, 셀레늄, 붕소, 및 황으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원자와 같이, 탄소가 아닌 요소의 적어도 하나의 원자를 포함할 수 있다.
연결체는 분자 빌딩 블록 및/또는 캡핑 유닛(capping unit)에 존재하는 작용기들 사이의 화학적 반응으로 SOF에 나타나는 화학적 부분이다.
연결체는 공유결합, 단일 원자, 또는 공유결합으로 연결된 원자 그룹을 포함할 수 있다. 화학적 부분인 연결체는 예를 들어, 에스테르, 케톤, 아미드, 이민, 에테르, 우레탄, 카보네이트 등, 또는 그 유도체와 같이, 잘-알려진 화학적 기일 수 있다.
SOF는 임의의 적합한 종횡비(aspect ratio)를 가진다. SOF는 예를 들어 약 30:1 이상 또는 약 100:1 이상의 종횡비를 가질 수 있다. SOF의 종횡비는 평균 너비 또는 지름(두께 다음으로 가장 큰 치수) 대 평균 두께(가장 짧은 치수)의 비율로서 정의된다. SOF의 가장 긴 치수는 길이이며 SOF 종횡비의 계산에서 고려되지 않는다.
불소화 SOF는 단일 층(단일-절편 두께 또는 다-절편 두께) 또는 다중 층(각각의 층이 단일-절편 두께 또는 다-절편 두께)일 수 있다. “두께”는 필름의 가장 작은 치수를 의미한다. 상기에서 언급한 바와 같이, SOF에서, 절편은 필름의 분자 구조체를 만들기 위해 연결체를 통해 공유결합으로 결합된 분자 유닛이다. 필름의 두께는 또한 필름의 횡단면을 볼 때 필름의 축을 따라 계산된 절편의 수로도 정의될 수 있다. “단일 층” SOF는 가장 간단한 실례이며, 예를 들어, 필름이 하나의 절편 두께인 것을 의미한다. 두 개 이상의 절편이 이 축을 따라서 존재하는 SOF는 “다-절편” 두께 SOF라고 한다.
COF는 높은 열적 안정성(전형적으로 대기 조건 하에서 400℃ 이상), 유기 용매에서 낮은 가용성(화학적 안정성), 및 다공성(가역적으로 게스트 투과가 가능함)과 같은 고유 특성을 가진다. SOF는 또한 상기 고유 특성을 가질 수 있다.
추가 기능성은 종래 COF가 본래 갖지 않고 분자 빌딩 블록의 선택에 의해 발생할 수 있는 특성을 의미하며, 분자 조성물은 결과물 SOF에 추가 기능성을 제공한다.
분자 빌딩 블록의 “경향 특성(inclined property)”이라는 용어는 특정한 분자 조성물에 대해 존재하는 것으로 알려진 특성 또는 절편의 분자 조성물을 당업자가 조사하여 합리적으로 확인 가능한 특성을 의미한다. 용어 “경향 특성” 및 “추가 기능성”은 동일한 일반적인 특성(소수성, 전기활성 등)을 의미하지만, “경향 특성”은 분자 빌딩 블록과 관련하여 사용되고 “추가 기능성”은 SOF와 관련하여 사용된다.
SOF의 소수성(초소수성), 친수성, 소유성(초소유성), 친지성, 광변색성 및/또는 전기활성(도체, 반도체, 전하 수송 물질) 본질은 SOF의 “추가 기능성”을 나타낼 수 있는 특성의 몇 가지 예이다.
용어 “소수성(초소수성)”은 물 또는 다른 극성 종류를 밀어내는(repelling) 특성을 의미한다. 소수성 물질은 접촉각 각도계 또는 관련 장치를 사용하여 측정시 90° 이상의 수접촉각을 가진다. 고도의 소수성은 약 130° 내지 약 180°의 수접촉각을 가진다. 초소수성은 약 150° 이상의 수접촉각을 가진다.
초소수성은 물의 액적이 약 1° 내지 약 30° 이하의 흐름각, 또는 약 10° 이하의 흐름각과 같이, 표면과 흐름각을 형성할 때로 표현될 수 있다.
용어 “친수성”은 물 또는 다른 극성 종류, 또는 표면을 끌어당기거나 흡착, 또는 흡수하는 특성을 의미한다.
용어 “소유성(올레오포빅(oleophobic))”은 오일 또는 알칸, 지방, 및 왁스와 같은 다른 비-극성 종류를 밀어내는 특성을 의미한다. 소유성은 접촉각 각도계 또는 관련 장치를 사용하여 측정시 90° 이상의 오일 접촉각을 가진다. 용어 “올레오포빅”은 UV 경화 잉크, 고체 잉크, 헥사데칸, 도데칸, 탄화수소 등과 약 55° 또는 그 이상의 오일 접촉각을 가지는 표면의 젖음성(wettability)을 의미한다. 고도의 올레오포빅은 탄화수소-계 액체의 액적이 약 130°, 또는 약 135° 내지 약 170°의 접촉각과 같이, 표면과 높은 접촉각을 형성할 때로 표현된다. 초올레오포빅은 탄화수소-계 액체의 액적이 150° 이상의 접촉각과 같이, 표면과 높은 접촉각을 형성할 때로 표현된다.
상기에서 설명한 바와 같이 초올레오포빅은 탄화수소-계 액체의 액적, 예를 들어, 헥사데칸이 약 1° 내지 약 30° 이하의 흐름각, 또는 약 10°이하의 흐름각을 표면과 형성할 때에도 표현될 수 있다.
용어 “친지성(친유성(oleophilic))”은 오일 또는 알칸, 지방, 및 왁스 또는 상기 종류에 의해 쉽게 젖는 표면과 같은 다른 비-극성 종류를 끌어당기는 특성을 의미한다. 친지성 물질은 전형적으로 접촉각 각도계를 사용하여 측정시 영(nil)으로 낮은 오일 접촉각을 갖는 특징이 있다. 친지성은 또한 물질을 헥산 또는 다른 비-극성 액체로 팽창(swelling)시키는 특징도 있다.
다양한 방법이 웨팅 또는 접촉각을 수량화하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 웨팅은 기재 및 접촉 지점에 액체 액적의 표면의 접선에 의해 형성되는 접촉각으로 측정될 수 있다. 특히, 접촉각은 Fibro DAT1100를 사용하여 측정될 수 있다. 접촉각은 액체 및 기재 사이의 상호작용을 측정한다. 유동체의 특정 양의 액적을 마이크로-피펫을 사용하여 표본 표면에 자동적으로 도포할 수 있다. 기재에 접촉한 액적의 모습은 특정 시간 간격으로 비디오 카메라로 포착한다. 액적 및 기재 사이의 접촉각은 포착된 이미지에 대해 이미지 분석 기술로 측정된다. 접촉각의 변화율은 시간의 함수로 계산한다.
용어 “전기활성”은 전기 전하(전자 및/또는 홀)를 수송하는 특성을 의미한다. 전기 활성 물질은 도체, 반도체, 및 전하 수송 물질(charge transport materials)을 포함한다. 도체는 전위차의 존재 하에서 쉽게 전기 전하를 수송하는 물질로서 정의된다. 반도체는 본질적으로 전하를 전도하지 않지만 전위차 및 적용된 자극, 예를 들어, 전기장, 전자기 방사선, 열 등의 존재 하에서 전도성을 가질 수 있는 물질로 정의된다. 전하 수송 물질은 전하가 전위차의 존재 하에서 예를 들어, 염료, 안료, 또는 금속과 같은 다른 물질로부터 도입되었을 때 전하를 수송할 수 있는 물질로 정의된다.
도체는 또한 약 0.1 내지 약 107S/cm의 전위차계를 사용하여 신호를 줄 수 있는 물질로 정의될 수 있다.
반도체는 또한 예를 들어 전기장, 전자기 방사선, 열 등과 같이 적용된 자극의 존재 하에서 약 106 내지 약 104S/cm의 전위차계를 사용하여 신호를 줄 수 있는 물질로 정의될 수 있다. 또한, 반도체는 예를 들어, 전기장, 전자기 방사선, 열 등과 같이 적용된 자극에 노출되었을 때, 비행시간(time-of-flight) 기술을 사용하여 측정된 전자 및/또는 홀 이동성이 10-10 내지 약 106 cm2V-1s-1 범위를 갖는 물질로 정의될 수 있다.
전하 수송 물질은 또한 비행시간 기술을 사용하여 측정된 전자 및/또는 홀 이동성이 1010 내지 약 106cm2V-1s-1 범위를 갖는 물질로 정의될 수 있다.
불소-함유 폴리머는 대응하는 탄화수소 폴리머보다 더 낮은 표면 에너지를 갖는 것으로 알려졌다. 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)는 폴리에틸렌보다 더 낮은 표면 에너지를 갖는다(20 mN/m vs 35.3 mN/m). SOF에 불소를 도입하는 것은, 특히 불소가 필름 표면에 존재할 때, 대응하는 비-불소화 SOF와 비교하여 SOF의 표면 에너지를 조절하는데 사용될 수 있다. 대부분의 경우, SOF에 불소의 도입은 필름 표면 에너지를 낮출 것이다. SOF의 표면 에너지의 정도는 예를 들어, 불소화의 정도 및/또는 SOF 표면에 및/또는 SOF의 체적(bulk) 안에 불소의 패터닝에 의존해서 조절될 수 있다. 불소화의 정도 및/또는 SOF 표면에 불소의 패터닝은 조정될 수 있는 변수이다.
고도의-불소화 절편을 포함 또는 지닌(bearing) 분자 빌딩 블록은 소수성 특성을 갖는 경향이 있고 SOF가 소수성 추가 기능성을 갖도록 할 수 있다. 고도의-불소화 절편은 절편(들)에 존재하는 불소 원자의 수를 그 보다 더 큰 절편(들)에 존재하는 수소 원자의 수로 나눈 것으로 정의된다. 고도의-불소화 절편이 아닌, 불소화 절편은 또한 SOF가 소수성 추가 기능성을 갖도록 할 수도 있다.
불소화 SOF는 어떠한 형태의 분자 빌딩 블록, 절편, 및/또는 연결체 부터로도 만들 수 있고, 상기 분자 빌딩 블록에서 하나 이상의 수소(들)가 불소로 교체된다.
상기-언급된 불소화 절편은 예를 들어, 일반적인 구조 HOCH2(CF2)nCH2OH의 불소화 알코올 및 그의 대응하는 디카르복실산 및 알데하이드; 테트라플루오로히드로퀴논; 퍼플루오로아디프산 수화물, 4,4′-(헥사플루오로이소프로필리덴)디프탈릭 안히드라이드; 4,4′-(헥사플루오로이소프로필리덴)디페놀 등을 포함할 수 있고, 상기에서 n은 1 내지 약 100, 또는 1 내지 약 60, 또는 2 내지 약 30과 같이, 1 또는 그 이상의 값을 가진 정수이다.
전기활성의 추가 기능성을 가진 SOF는 전기활성 경향 특성을 갖거나 결합된 절편 및 연결체의 어셈블리(assembly)로부터 유래되어 전기활성이 된 분자 빌딩 블록을 사용하여 제조될 수 있다. 하기에서는 홀 수송 경향 특성, 전자 수송 경향 특성, 및 반도체 경향 특성을 가진 분자 빌딩 블록을 설명한다.
불소화 SOF 제조 공정은 전형적으로 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있는 많은 활동 또는 단계를 포함하며, 또는 상기 둘 이상의 활동은 동시에 또는 근접한 시간대로 수행된다.
구조화 유기 필름을 제조하는 공정은:
(a) 각각 절편(여기서 적어도 하나의 절편은 불소를 포함할 수 있다) 및 많은 작용기를 포함하는 복수의 분자 빌딩 블록, 및 프리-SOF를 포함하는 액체-함유 반응 혼합물을 제조하는 딘계;
(b) 웨트 필름으로서 반응 혼합물을 증착하는 단계;
(c) 분자 빌딩 블록을 포함하는 웨트 필름에서 복수의 절편 및 육안식별 수준에서 필름인 공유결합 유기 구조체로 배열된 복수의 연결체를 포함하는 SOF를 포함하는 건조 필름으로의 변화를 촉진하는 단계;
(d) 선택적으로 기재로부터 SOF를 제거하여 프리-스탠딩(free-standing) SOF를 얻는 단계;
(e) 선택적으로 프리-스탠딩 SOF를 롤(roll)로 가공하는 단계;
(f) 선택적으로 벨트로 SOF를 자르고 이어 붙이는 단계; 및
(g) 선택적으로 후속하는 SOF 형성 공정을 위한 기재로서 (상기 SOF 형성 공정에 의해 제조된) SOF 위에 상기 SOF 형성 공정을 수행하는 단계를 포함한다.
불소화 SOF 액체-함유 반응 혼합물의 장점은 그들의 균질성(homogeneity)이다. 종래에는, 불소화 분자는 용매에서 낮은 용해성을 가질 수 있다. 본 발명은 불소화 SOF 액체-함유 반응 혼합물을 포함하며, (불소화 분자 빌딩 블록과 같은) 상기 분자 빌딩 블록은 선택적으로 프리-SOF 단계를 사용하여, 쉽게 용해된다.
반응 혼합물은 액체 중에 용해, 현탁(suspended), 또는 혼합된 복수의 분자 빌딩 블록을 포함한다. 복수의 분자 빌딩 블록은 하나의 유형 또는 둘 또는 그 이상의 유형이 될 수 있다. 분자 빌딩 블록의 하나 또는 그 이상이 액체일 때, 추가적인 액체의 사용은 선택적이다. 촉매를 상기에 설명된 활동 C 동안에, 프리-SOF 형성을 가능케 하고 및/또는 SOF 형성 속도를 조정하기 위해 반응 혼합물에 선택적으로 첨가할 수 있다. 용어 “프리-SOF”는 출발 분자 빌딩 블록보다 더 높은 분자량을 가지고 반응하며, SOF를 얻기 위해 다른 빌딩 블록의 작용기 또는 프리-SOF와 추가적 반응을 할 수 있는 다(multiple)작용기를 함유하는, 적어도 두 개의 분자 빌딩 블록을 의미하며, 실질적으로 결함-없는 또는 결함-없는 SOF, 및/또는 필름 형성 공정에 대해 강화된 또는 수정된 반응성을 부여하는 분자 빌딩 블록 작용기의 ‘활성화'를 의미할 수 있다.
반응 혼합물 성분(분자 빌딩 블록, 선택적으로 액체, 선택적으로 촉매, 및 선택적으로 첨가제)은 용기 안에서 결합된다. 반응 혼합물 성분의 추가 순서는 다양할 수 있으나, 전형적으로 SOF 제조 공정이 프리-SOF 또는 프리-SOF 형성을 포함하는 경우에는, 반응 혼합물을 웨트 필름으로서 증착하기 전에 촉매가 존재한다면 이를 반응 혼합물에 첨가할 수 있다. 반응 혼합물을 웨트 필름으로서 증착하기 전에, 제형 성분의 균등한 분포를 보장하기 위해, 반응 혼합물을 또한 혼합, 교반(stir), 분쇄(mill)할 수 있다.
반응 혼합물을 웨트 필름으로서 증착되기 전에 가열할 수 있다. 이것은 하나 이상의 분자 빌딩 블록의 용해를 도울 수 있고 및/또는 프리-SOF를 형성하기 위해 웨트 층을 증착하기 이전에 반응 혼합물의 부분적인 반응에 의한 반응 혼합물의 점도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 먼저-반응한 분자 빌딩 블록 프리-SOF에 포함된, 반응 혼합물 중의 분자 빌딩 블록의 중량 퍼센트는 약 15% 내지 약 1%, 또는 10% 내지 약 5%와 같이, 20% 미만일 수 있다. 95% 프리-SOF 분자의 분자량은 2,500달톤(daltons), 또는 1,000달톤과 같이, 5,000달톤 미만이다. 프리-SOF의 제조는 반응 혼합물에서 분자 빌딩 블록의 로딩(loading)을 증가시키는데 사용될 수 있다.
작용기 활성화를 통해 프리-SOF를 만드는 경우에는, 활성화된 작용기의 몰비(molar percentage)는 약 30% 내지 약 10%, 또는 약 10% 내지 약 5%와 같이, 50% 미만일 수 있다.
프리-SOF 형성의 두 가지 방법(분자 빌딩 블록 간의 반응에 의한 프리-SOF의 형성 또는 분자 빌딩 작용기의 ‘활성화’에 의한 프리-SOF 형성)은 혼합하여 일어날 수 있고, 프리-SOF 구조에 결합된(incorporated) 분자 빌딩 블록은 활성화된 작용기를 함유할 수 있다. 분자 빌딩 블록 간의 반응에 의한 프리-SOF 형성 및 분자 빌딩 블록 작용기의 ‘활성화’에 의한 프리-SOF 형성은 동시에 일어날 수 있다.
프리-SOF 형성의 기간은 약 30초 내지 약 12시간, 또는 약 1분 내지 6시간과 같이, 약 10초 내지 약 48시간 계속된다.
반응 혼합물의 점도는 약 25 내지 약 25,000cps 또는 약 50 내지 약 1000cps와 같이, 약 10 내지 약 50,000cps 범위이다.
분자 빌딩 블록 및 캡핑 유닛(unit) 로딩 또는 반응 혼합물에서 “로딩”은 분자 빌딩 블록 및 선택적으로 캡핑 유닛 및 촉매의 총중량을 반응 혼합물의 총중량으로 나눈 것으로 정의된다. 빌딩 블록 로딩은 약 5 내지 약 50% 또는 약 15 내지 약 40%와 같이, 약 3 내지 100%의 범위일 수 있다.
프리-SOF는 소수성 추가 기능성, 초소수성 추가 기능성, 친수성 추가 기능성, 소유성 추가 기능성, 초소유성 추가 기능성, 친지성 추가 기능성, 광변색성 추가 기능성, 및 전기활성 추가 기능성으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 추가 기능성을 가진 빌딩 블록으로부터 만들어질 수 있다.
반응 혼합물에 사용된 액체는 용매, 및/또는 용매 혼합물과 같이, 순수 액체일 수 있다. 액체는 반응 혼합물 중에 분자 빌딩 블록 및 촉매/개질제를 용해 또는 현탁시키는데 사용된다. 액체 선택은 일반적으로 분자 빌딩 블록 및 특정한 빌딩 블록 로딩의 용해성/분산의 균형, 반응 혼합물의 점도, 및 액체의 끓는점에 기반을 두고, 이는 웨트 층의 건조 SOF으로의 촉진에 영향을 준다. 적합한 액체는 약 65℃ 내지 약 250℃, 또는 약 100℃ 내지 약 180℃와 같이, 약 30℃ 내지 약 300℃의 끓는점을 가질 수 있다.
액체는 알칸, 혼합된 알칸, 측쇄 알칸, 방향족 화합물, 에테르, 환형 에테르, 에스테르, 케톤, 환형 케톤, 아민, 아미드, 알코올, 니트릴, 할로겐화 방향족, 할로겐화 알칸, 및 물과 같은 분자 류를 포함할 수 있다.
선택적으로 촉매는 웨트 층의 건조 SOF으로의 촉진을 돕기 위해 반응 혼합물에 존재할 수 있다. 선택적 촉매의 선택 및 사용은 분자 빌딩 블록의 작용기에 의존한다. 전형적인 촉매 로딩은 반응 혼합물 중의 분자 빌딩 블록 로딩의 약 0.1% 내지 약 5%와 같이, 약 0.01% 내지 약 25%의 범위이다. 촉매는 최종 SOF 조성물에 존재 또는 존재하지 않을 수 있다.
도펀트(dopants)와 같이, 선택적으로 첨가제 또는 이차적 성분은 반응 혼합물 및 웨트 층에 존재할 수 있다. 상기 첨가제 또는 이차적 성분은 건조 SOF에 또한 혼합될 수 있다. 용어 “첨가제” 또는 “이차적 성분”은 SOF에 공유결합으로 결합되지 않지만, 무작위으로 조성물 속에 분산되는 원자 또는 분자를 의미한다. 상기 첨가제는 전기적 특성(전도성, 반전도성, 전자 수송, 홀 수송), 표면 에너지(소수성, 친수성), 장력, 및 열전도성과 같이 SOF의 물리적 특성을 바꾸는데 사용될 수 있으며, 상기 첨가제는 충격 개질제, 강화 섬유, 윤활제, 대전방지제, 커플링제, 웨팅제, 항혼탁제, 난연제, 자외선 안정제, 항산화제, 살생제(biocides), 염료, 안료, 취기제(odorant), 방취제(deodorant), 핵화제 등을 포함할 수 있다.
SOF에 존재하는 불소엘라스토머 화합물의 양은, 총 고체의 중량 퍼센트로, SOF의 약 1 내지 약 50 중량%, 또는 약 2 내지 약 10 중량%이다.
금속 입자는, 존재한다면, SOF의 약 0.25 중량% 내지 약 70 중량% 또는 SOF의 약 1 중량% 내지 약 15 중량%와 같이, 임의의 원하는 또는 효과적인 양으로 SOF 복합체에 존재할 수 있다.
존재한다면, 이차적 성분 또는 첨가제는 각각 또는 혼합하여 조성물 중량의 약 1% 내지 약 50% 또는 조성물 중량의 약 1% 내지 약 20%와 같이, 임의의 원하는 또는 효과적인 양으로 조성물 내에서 존재할 수 있다.
SOF는 이차적 성분(도펀트 및 첨가제 예컨대, 홀 수송 분자(mTBD), 폴리머(폴리스티렌), 나노입자(C60 버크민스터 플러렌), 작은 유기 분자(비페닐), 금속 입자(구리 미세분말), 및 전자 수용체(퀴논), 및 불소화 입자(폴리테트라플루오로에틸렌, PTFE))으로 개질되어 복합체 구조화 유기 필름을 제공할 수 있다.
이차적 성분은 액체 제형에 도입되어 웨트 필름을 생성하는데 사용될 수 있고, 여기서 SOF를 형성하기 위한 변화가 촉진된다. 이차적 성분(도펀트, 첨가제 등)은 반응 혼합물에서 용해 또는 용해되지 않을(현탁될) 수 있다.
반응 혼합물은 여러 액체 증착 기술을 사용하여, 프린트 헤드 전면부와 같은 다양한 기재에 웨트 필름으로서 도포될 수 있다.
기재는 예를 들어, 폴리머, 종이, 금속 및 금속 합금, 주기율표의 Ⅲ-Ⅵ족 원소의 도핑된(doped) 및 도핑되지 않은 형태, 금속 산화물, 금속 칼코게나이드, 및 이전에 제조된 SOF를 포함한다.
기재의 두께는 특히 연질(flexible) 플라스틱 기재용으로 약 50 내지 약 100μm, 및 유리 또는 실리콘과 같은 경질(rigid) 기재용으로 약 1 내지 약 10mm의 예시적인 두께로서, 약 10μm 내지 10mm 이상일 수 있다.
반응 혼합물은 예를 들어, 스핀 코팅, 블레이드 코팅, 웹 코팅(web coating), 딥 코팅, 컵 코팅(cup coating), 로드 코팅(rod coating), 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅(spray coating), 스탬핑(stamping) 등을 포함하는 여러 액체 증착 기술을 사용하여, 기재에 도포될 수 있다. 웨트 층의 두께는 약 100nm 내지 약 1mm, 또는 약 1μm 내지 약 500μm와 같이, 약 10nm 내지 약 5mm 범위일 수 있다.
캡핑 유닛 및/또는 이차적 성분은 상기 설명된 공정 활동 B의 완료에 이어서 도입될 수 있다.
캡핑 유닛 및/또는 이차적 성분은 다양한 패턴을 포함하여, 균일(homogeneous) 또는 불균일한 방식으로 형성된 웨트 층에 도포될 수 있는데, 이 때 상기 캡핑 및/또는 이차적 성분의 농도 또는 밀도는 특별한 영역에서 감소되어 웨트 층에 주어진 너비의 캡핑 유닛 및/또는 이차적 성분의 높고 낮은 농도의 교차 밴드 패턴을 형성한다.
용어 “촉진”은 빌딩 블록 및/또는 프리-SOF의 작용기의 화학적 반응과 같이, 분자 빌딩 블록 및/또는 프리-SOF의 반응을 용이하게 하기 위한 임의의 적합한 기술을 의미한다. 상기 액체가 건조 필름을 형성하기 위해 제거될 필요가 있는 경우, “촉진”은 또한 액체의 제거를 의미한다. 분자 빌딩 블록 및/또는 프리-SOF의 반응 및 액체의 제거는 순차적으로 또는 동시에 일어날 수 있다. 액체는 또한 분자 빌딩 블록 중 하나가 될 수 있고 SOF 내에서 결합될 수 있다. 용어 “건조 SOF”는 예를 들어, 실질적으로 건조 SOF, 예를 들어, SOF 중량의 약 5% 미만의 액체 함량, 또는 SOF 중량의 2% 미만의 액체 함량을 의미한다.
불소화 건조 SOF의 불소 함량은 약 5 중량% 내지 약 75 중량%, 또는 약 10 중량% 내지 약 50 중량%일 수 있다. 불소화 건조 SOF의 불소 함량은 약 10 중량% 이상, 또는 약 50 중량% 이상이며, 불소 함량의 상한선은 약 75 중량%이다.
건조 SOF를 형성하도록 웨트 층을 촉진하는 것은 임의의 적합한 기술로 달성될 수 있다. 건조 SOF를 형성하도록 웨트 층을 촉진하는 것은 전형적으로 40 내지 350℃ 및 60 내지 200℃ 및 85 내지 160℃ 범위의 온도에서, 예를 들어, 오븐 건조, 적외선(IR), 등을 포함하는 열적 처리를 수반한다. 전체 가열 시간은 1분 내지 120분과 같이, 약 4초 내지 약 24시간의 범위일 수 있다.
건조 SOF를 형성하도록 웨트 층을 촉진하는 동안에 이차적 성분은 SOF의 구조체 안에 포획(trapped)되어서, 포획된 이차적 성분이 액체 토너 또는 용매에 노출되는 동안에 SOF로부터 침출(leach from)되지 않도록 이차적 성분의 분자 크기가 선택될 수 있다.
웨트 층의 COF 필름으로의 IR 촉진은 벨트 수송 시스템의 장착된 IR 히터 모듈을 사용하여 달성될 수 있다. 탄소 IR 이미터 또는 단파 IR 이미터(Heraerus사 제)와 같이 다양한 유형의 IR 이미터(emitter)가 사용될 수 있다. 탄소 IR 이미터 또는 단파 IR 이미터에 대한 추가 예시적인 정보가 하기 표(표 1)로 요약된다.
표1: 탄소 IR 이미터 또는 단파 IR 이미터에 대한 정보
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프리-스탠딩 SOF는 적절한 낮은 접착력 기재가 웨트 층의 증착을 지지하는데 사용될 때 얻을 수 있다.
선택적으로, 프리-스탠딩 SOF 또는 연질 기재에 의해 지지되는 SOF는 롤로 가공될 수 있다.
SOF는 다-층 구조화 유기 필름을 제공하기 위해 SOF 형성 공정에서 기재로서 사용될 수 있다. 다-층 SOF의 층은 화학적 결합 또는 물리적 접촉 상태로 있을 수 있다. 화학적으로 결합된, 다-층 SOF는 기재 SOF 표면에 존재하는 작용기가 제 2 구조화 유기 필름 층을 형성하기 위해 사용된 증착된 웨트 층에 존재하는 분자 빌딩 블록과 함께 반응할 수 있는 경우에 형성된다. 물리적으로 접촉하는 다-층 SOF는 화학적으로 서로 결합할 수 없다.
SOF는 패턴화된 절편의 미세한 배열일 수 있다. 용어 “패터닝”은 예를 들어, 절편 A가 절편 B에만 연결되고 역으로 절편 B는 절편 A에만 연결되듯이, 절편들이 함께 연결된 순서를 의미한다.
필요한 패터닝의 최소 정도는 본 발명에서 설명하는 공정을 사용하여 필름을 형성하는데 필요한 정도이며, 약 20% 이상의 소정의 연결기, 또는 약 40% 이상의 소정의 연결기의 형성으로써 수량화될 수 있으며; 본 발명에 의해 구현된 패터닝의 아주 적은 정도는 약 100%의 소정의 연결기의 형성과 같이, 약 60%의 소정의 연결기의 형성이다.
검사 절차 및 표면 자유 에너지 계산은 샘플을 이중 블레이드 커터로 15mm x 50-145mm로 절단하는 것을 포함한다. 샘플 두께는 표준 홀더를 사용하여 1.5mm 미만 및 홈메이드 특수 홀더를 사용하여 5.0mm 미만이어야 한다. 샘플을 이중 측면 테이프를 가진 샘플 홀더 위에 올려놓았다. 세 가지 검사 액체인 물, 포름아미드 및 디요오드메탄이 접촉각 측정에 사용되었다. 샘플의 입수가능성에 따라 약 8 액적을 만들어, 접촉각을 측정했다. 0.1s, 1s 및 10s 데이터에 대한 평균 접촉각이 기록되었다. 표면 자유 에너지, 극성 표면 에너지의 분산 성분 뿐만 아니라 산 및 염기 성분도 루이스 산-염기 방법을 사용하여 계산하였다.
루이스 산-염기 이론은 고체-액체 계면 에너지에 대해 하기의 식으로 주어진다.
Figure pat00002
상기에서 (LW), (+), (-)는 SFE 색인의 분산, 산 및 염기 성분이며, j는 액체 1, 2, 3을 의미하고;
Figure pat00003
는 기재 위 j번째 액체의 접촉각이며;
Figure pat00004
는 액체 j의 표면 장력이고; 아래 첨자 s는 고체를 가리킨다.
실시예 1
(활동 A) 반응 혼합물을 함유하는 액체의 제조.
다음 성분을 혼합했다: 빌딩 블록 옥타플루오로-1,6-헥산디올[절편=옥타플루오로-1,6-헥실; Fg=수산기(-OH);(0.43g, 1.65mmol)], 제 2 빌딩 블록 N4,N4,N4',N4'-테트라키스(4-(메톡시메틸)페닐)비페닐-4,4'-디아민[절편=N4,N4,N4',N4'-테트라-p-톨릴비페닐-4,4'-디아민; Fg=메톡시 에테르 (OCH3); (0.55g, 0.82mmol)], 반응 혼합물을 함유하는 액체를 얻기 위해, 20중량%의 Nacure XP-357의 용액 0.05g으로 제공된 산 촉매, 25중량%의 Silclean 3700 용액 0.04g으로 제공된 레벨링 첨가제(leveling additive), 및 1-메톡시-2-프로판올 2.96g. 혼합물을 흔들고 85℃에서 2.5시간 동안 가열한 다음, 0.45 마이크론 PTFE 멤브레인을 통해 여과했다.
(활동 B) 웨트 필름으로서 반응 혼합물의 증착.
반응 혼합물을 10mil 간격을 가진 버드 바(bird bar)를 갖춘 일정한 속도의 드로우-다운 코터(draw-down coater)를 사용하여 금속화(TiZr) MYLARTM 기재의 반사 측면에 도포했다.
(활동 C) 웨트 필름의 건조 SOF으로의 변화 촉진.
웨트 층을 지지하는 금속화 MYLARTM 기재를 155℃로 예열된 활발하게 통풍되는(vented) 오븐으로 빠르게 옮기고 40분 동안 가열했다. 상기 활동에 의해 단일 프리-스탠딩 필름으로서 기재로부터 박리될(delaminate) 수 있는 6-8 마이크론 두께를 가진 SOF가 제공됐다. SOF의 색깔은 호박색(amber)이었다.
실시예 2
(활동 A) 다음 성분을 혼합했다: 빌딩 블록 도데카플루오로-1,8-옥탄디올[절편=도데카플루오로-1,8-옥틸; Fg=수산기(-OH); (0.51g, 1.41mmol)], 제 2 빌딩 블록 N4,N4,N4',N4'-테트라키스(4-(메톡시메틸)페닐)비페닐-4,4'-디아민[절편=N4,N4,N4',N4'-테트라-p-톨릴비페닐-4,4'-디아민; Fg=메톡시 에테르(-OCH3); (0.47g, 0.71mmol)], 반응 혼합물을 함유하는 액체를 얻기 위해, 20중량%의 Nacure XP-357의 용액 0.05g으로 제공된 산 촉매, 25중량%의 Silclean 3700 용액 0.04g으로 제공된 레벨링 첨가제, 및 1-메톡시-2-프로판올 2.96g. 혼합물을 흔들고 85℃에서 5시간 동안 가열한 다음, 0.45 마이크론 PTFE 멤브레인을 통해 여과했다.
(활동 B) 실시예 1과 같다.
(활동 C) 실시예 1과 같다. 상기 활동에 의해 단일 프리-스탠딩 필름으로서 기재로부터 박리될 수 있는 6-8 마이크론 두께를 가진 SOF가 제공됐다. SOF의 색깔은 호박색이었다.
실시예 3
(활동 A) 다음 성분을 혼합했다: 빌딩 블록 헥사데카플루오로-1,10-데칸디올[절편=헥사데카플루오로-1,10-데실; Fg=수산기(-OH); (0.57g, 1.23mmol)], 제 2 빌딩 블록 N4,N4,N4',N4'-테트라키스(4-(메톡시메틸)페닐)비페닐-4,4'-디아민[절편=N4,N4,N4',N4'-테트라-p-톨릴비페닐-4,4'-디아민; Fg=메톡시 에테르(-OCH3); (0.41g, 0.62mmol)], 반응 혼합물을 함유하는 액체를 얻기 위해, 20중량%의 Nacure XP-357의 용액 0.05g으로 제공된 산 촉매, 25중량%의 Silclean 3700 용액 0.04g으로 제공된 레벨링 첨가제, 및 1-메톡시-2-프로판올 2.96g. 혼합물을 흔들고 85℃에서 2.5시간 동안 가열한 다음, 0.45 마이크론 PTFE 멤브레인을 통해 여과했다.
(활동 B) 실시예 1과 같다.
(활동 C) 실시예 1과 같다. 상기 활동에 의해 단일 프리-스탠딩 필름으로서 기재로부터 박리될 수 있는 6-8μm 두께를 가진 SOF가 제공됐다. SOF의 색깔은 호박색이었다.
실시예 4
(활동 A) 다음 성분을 혼합했다: 빌딩 블록 옥타플루오로-1,6-헥산디올[절편=옥타플루오로-1,6-헥실;Fg=수산기(-OH);(1.98g, 7.55mmol)], 제 2 빌딩 블록 N2,N2,N4,N4,N6,N6-헥사키스(메톡시메틸)-1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민[절편=N2,N2,N4,N4,N6,N6-헥사키스(메틸)-1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민; Fg=메톡시 (-OMe); (0.99g, 2.54mmol)], 반응 혼합물을 함유하는 액체를 얻기 위해, 30중량%의 p-톨루엔술폰산의 용액 0.10g으로 제공된 산 촉매, 및 1,4-디옥산 6.93g. 혼합물을 흔들고 75℃에서 1시간 동안 가열한 다음, 0.45 마이크론 PTFE 멤브레인을 통해 여과했다.
(활동 B) 반응 혼합물을 20mil 간격을 가진 버드 바를 갖춘 일정한 속도의 드로우-다운 코터를 사용하여 금속화(TiZr) MYLARTM 기재의 반사 측면에 도포했다.
(활동 C) 웨트 층을 지지하는 금속화 MYLARTM 기재를 155℃로 예열된 활발하게 통풍되는 오븐으로 빠르게 옮기고 40분 동안 가열했다. 상기 활동에 의해 단일 프리-스탠딩 필름으로서 기재로부터 박리될 수 있는 4-5μm 두께를 가진 SOF가 제공됐다. SOF는 투명하였다.
실시예 5
(활동 A) 다음 성분을 혼합했다: 빌딩 블록 옥타플루오로-1,6-헥산디올[절편=옥타플루오로-1,6-헥실;Fg=수산기(-OH);(1.49g, 5.68mmol)], 제 2 빌딩 블록 N2,N2,N4,N4,N6,N6-헥사키스(메톡시메틸)-1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민[절편=블록 N2,N2,N4,N4,N6,N6-헥사키스(메틸)-1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민; Fg=메톡시 (-OMe); (1.48g, 3.79mmol)], 반응 혼합물을 함유하는 액체를 얻기 위해, 30중량%의 p-톨루엔술폰산의 용액 0.10g으로 제공된 산 촉매, 및 1,4-디옥산 6.93g. 혼합물을 흔들고 75℃에서 1시간 동안 가열한 다음, 0.45 마이크론 PTFE 멤브레인을 통해 여과했다.
(활동 B) 실시예 4와 같다.
(활동 C) 실시예 4와 같다. 상기 활동에 의해 단일 프리-스탠딩 필름으로서 기재로부터 박리될 수 있는 10-11μm 두께를 가진 SOF가 제공됐다. SOF는 투명하였다.
실시예 6
(활동 A) 반응 혼합물을 함유하는 액체의 제조.
다음 성분을 혼합했다: 빌딩 블록 도데카플루오로-1,6-옥탄디올[절편=도데카플루오로-1,6-옥틸; Fg=수산기(-OH);(2.18g, 8.32mmol)], 제 2 빌딩 블록 N2,N2,N4,N4,N6,N6-헥사키스(메톡시메틸)-1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민[절편=블록 N2,N2,N4,N4,N6,N6-헥사키스(메틸)-1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민; Fg=메톡시 (-OMe); (0.79g, 2.02mmol)], 반응 혼합물을 함유하는 액체를 얻기 위해, p-톨루엔술폰산의 용액 30중량% 0.10g으로 제공된 산 촉매, 및 1,4-디옥산 6.93g. 혼합물을 흔들고 75℃에서 1시간 동안 가열한 다음, 0.45 마이크론 PTFE 멤브레인을 통해 여과했다.
(활동 B) 실시예 4와 같다.
(활동 C) 실시예 4와 같다. 상기 활동에 의해 단일 프리-스탠딩 필름으로서 기재로부터 박리될 수 있는 4-5μm 두께를 가진 SOF가 제공됐다. SOF는 투명하였다.
실시예 7
(활동 A) 반응 혼합물을 함유하는 액체의 제조.
다음 성분을 혼합했다: 빌딩 블록 도데카플루오로-1,6-옥탄디올[절편=도데카플루오로-1,6-옥틸; Fg=수산기(-OH);(2.18g, 8.32mmol)], 제 2 빌딩 블록 N2,N2,N4,N4,N6,N6-헥사키스(메톡시메틸)-1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민[절편=블록 N2,N2,N4,N4,N6,N6-헥사키스(메틸)-1,3,5-트리아진-2,4,6-트리아민; Fg=메톡시 (-OMe); (0.79g, 2.02mmol)], 반응 혼합물을 함유하는 액체를 얻기 위해, 30중량% 의 p-톨루엔술폰산의 용액 0.10g으로 제공된 산 촉매, 및 1,4-디옥산 6.93g. 혼합물을 흔들고 75℃에서 1시간 동안 가열한 다음, 0.45 마이크론 PTFE 멤브레인을 통해 여과했다.
(활동 B) 실시예 4와 같다.
(활동 C) 실시예 4와 같다. 상기 활동에 의해 단일 프리-스탠딩 필름으로서 기재로부터 박리될 수 있는 4-5μm 두께를 가진 SOF가 제공됐다. SOF는 투명하였다.
실시예 8
(활동 A) 다음 성분을 혼합했다: 빌딩 블록 도데카플루오로-1,6-옥탄디올[절편=도데카플루오로-1,6-옥틸; Fg=수산기(-OH);(0.80g, 2.21mmol)], 제 2 빌딩 블록(4,4',4'',4'''-(비페닐-4,4'-디일비스(아잔트리일))테트라키스(벤젠-4,1-디일))테트라메탄올[절편=블록 (4,4',4'',4'''-(비페닐-4,4'-디일비스(아잔트리일))테트라키스(벤젠-4,1-디일))테트라메틸; Fg=수산기(-OH); (0.67g, 1.10mmol)], 반응 혼합물을 함유하는 액체를 얻기 위해, 20중량%의 Nacure XP-357 용액 0.08g으로 제공된 산 촉매, 25중량%의 Silclean 3700 용액 0.02g으로 제공된 레벨링 첨가제, 1-메톡시-2-프로판올 6.33g, 및 시클로헥산올 2.11g. 혼합물을 흔들고 85℃에서 2.5시간 동안 가열한 다음, 0.45 마이크론 PTFE 멤브레인을 통해 여과했다.
(활동 B) 실시예 4와 같다.
(활동 C) 실시예 4와 같다. 상기 활동에 의해 단일 프리-스탠딩 필름으로서 기재로부터 박리될 수 있는 5-6μm 두께를 가진 SOF가 제공됐다. SOF의 색깔은 호박색이었다.
실시예 9
(활동 A) 다음 성분을 혼합했다: 빌딩 블록 도데카플루오로-1,6-옥탄디올[절편=도데카플루오로-1,6-옥틸; Fg=수산기(-OH);(0.64g, 1.77mmol)], 제 2 빌딩 블록(4,4',4'',4'''-(비페닐-4,4'-디일비스(아잔트리일))테트라키스(벤젠-4,1-디일))테트라메탄올[절편=블록 (4,4',4'',4'''-(비페닐-4,4'-디일비스(아잔트리일))테트라키스(벤젠-4,1-디일))테트라메틸; Fg=수산기(-OH); (0.54g, 0.89mmol)], 반응 혼합물을 함유하는 액체를 얻기 위해, 20중량%의 Nacure XP-357 용액 0.06g으로 제공된 산 촉매, 25중량%의 Silclean 3700 용액 0.05g으로 제공된 레벨링 첨가제, 1-메톡시-2-프로판올 2.10g, 및 시클로헥산올 0.70g. 혼합물을 흔들고 85℃에서 2.5시간 동안 가열한 다음, 0.45 마이크론 PTFE 멤브레인을 통해 여과했다.
(활동 B) 실시예 4와 같다.
(활동 C) 실시예 4와 같다. 상기 활동에 의해 단일 프리-스탠딩 필름으로서 기재로부터 박리될 수 있는 6-8μm 두께를 가진 SOF가 제공됐다. SOF의 색깔은 호박색이었다.
SOF는 스테인리스 강철 및 폴리이미드 기재 위에 코팅될 때 높은 품질의 필름이 되었다. SOF는 기재로부터 임의의 손상/박리됨이 없이, 만지고 문지르고(rubbed), 구부릴(flexed) 수 있었다.
표 2는 제조된 불소화 SOF의 추가 세부사항을 제공한다. 모든 경우에, 필름은 Mylar 위에 코팅되고 155℃에서 40분 동안 경화시켰다.
표 2: 예시적인 불소화 SOF 코팅 제형
Figure pat00005
웨팅 실험에서 불소화 SOF가 불소를 전혀 함유하지 않는 대조 SOF와 비교하여 현저히 큰 발수성을 보이는 것으로, 명확히 나타났다. 불소화 SOF의 초기 수접촉각은 80°이상이었다.

Claims (10)

  1. 적어도 제 1 절편 유형을 포함하는 복수의 절편 및 공유결합 유기 구조체(covalent organic framework, COF)로 배열된 제 1 연결체(linker) 유형을 포함하는 복수의 연결체를 포함하며, 상기 적어도 제 1 절편 유형은 불소를 포함하는 불소화된 구조적 유기 필름(SOF).
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 절편은 제 1 절편 유형과 구조에 있어서 상이하며, 불소를 함유하는 제 2 절편 유형을 추가로 포함하는 SOF.
  3. 청구항 1에 있어서, SOF 절편의 약 30 중량% 내지 약 70 중량%가 불소화된 SOF.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 SOF의 불소 함량이 SOF의 약 5 중량% 내지 약 65 중량%인 SOF.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 SOF가 실질적으로 핀홀이 없는(pinhole-free) 필름인 SOF.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 SOF가 복합체 SOF인 SOF.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 SOF가 전기 활성의 추가 기능성을 갖는 SOF.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 절편 유형이 2,2,3,3,4,4,5,5-옥타플루오로-1,6-헥산디올, 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-도데칸플루오로-1,8-옥탄디올, 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9-퍼플루오로데칸-1,10-디올, (2,3,5,6-테트라플루오로-4-히드록시메틸-페닐)-메탄올, 2,2,3,3-테트라플루오로-1,4-부탄디올, 2,2,3,3,4,4-헥사플루오로-1,5-펜탄디올, 2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8-테트라데카플루오로-1,9-노난디올로 이루어진 군으로부터 선택되는 SOF.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 SOF가 결함-없는(defect-free) SOF인 SOF.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 SOF 표면 위의 수접촉각이 적어도 80°인 SOF.
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