KR20170011175A - 이온빔 조사에 의한 고경도 폴리머 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온빔 조사를 통한 폴리머의 물성 개질 방법 및 이를 이용한 고경도, 우수한 전도도를 갖는 폴리머 필름의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

이온빔 조사에 의한 고경도 폴리머 및 그 제조 방법 {POLYMER WITH HIGH HARDNESS BY IRRADIATING ION BEAM AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 이온빔 조사에 의한 폴리머의 물성 개질 방법 및 이를 통해 제조된 고경도 폴리머에 관한 것이다.

일반적으로 폴리머는 표면 전기 저항이 10¹⁵ 내지 10¹⁸ Ω/sq 인 부도체이고, 각종 산업용 플라스틱의 기본 원료인 유기 고분자 재료로서 탄소를 연결 고리로 한 수소, 산소, 질소, 황, 불소, 염소 등의 단위체를 기본으로 하는 결합으로 이루어져 있다.

폴리머는 다양한 산업 분야, 제품의 제조에 적용하기 유리하여 광범위하게 사용되고 있다. 특히 최근에는 다양한 제품에 적용하기 위해 고강도, 고경도의 물성을 갖는 폴리머에 대한 요구가 높아지고 있을 뿐만 아니라, 심미학적인 요소가 중시되는 트랜드에 따라 다양한 패턴, 문양 등을 부여한 폴리머에 대한 요구가 있다. 이와 함께, 부도체인 폴리머의 내, 외부 표면에 도전성 도장을 통하여 전기 전도성을 부여함으로써 휴대전화 단말기 등으로부터 발생하는 유해 전자파를 차단하는 등의 용도 등으로 다양한 적용이 요구되고 있다.

종래에는 폴리머의 경도, 강도를 향상시키거나, 패턴, 음영 등을 부여하고 컨트롤하기 위해 폴리머의 표면을 액상 수지 등으로 코팅하고 이를 열 또는 자외선으로 경화하는 방법이 이용되었다. 그러나 이와 같은 방법은 고온 등에 따른 코팅의 들뜸, 불량 등의 문제가 있을 뿐만 아니라, 화학적인 코팅 처리 방법으로 인해 인체와 접촉할 경우 유해할 수 있다는 안정성 문제가 제기되어 그 적용 분야에 한계가 있어왔다.

폴리머에 전기 전도성을 부여하기 위한 종래의 방법으로는, 부도체인 폴리머에 전도성을 갖는 탄소, 금속 가루를 일정 비율로 혼합한 후 성형 사출하는 방법, 또는 진공 증착, PVD 등의 저온 플라즈마 코팅을 이용하는 방법 등을 들 수 있다.

그러나 상기 성형 사출 방법은 물리적, 화학적 요인에 의해 제품의 내구성을 약화시켜 표면 변색, 흠집, 마모 등이 쉽게 나타나 제품의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라, 혼합 및 사출 성형시 제작이 어렵고, 배합의 불균질성으로 인해 표면에 균일한 전기 전도도 제어가 어려운 단점이 있다. 또한, 물질 자체가 혼합물이므로 재활용률이 현저히 낮기 때문에 공해 유발과 자원 낭비라는 문제가 제기되어왔다.

또한, 상기 진공 증착, PVD 등의 코팅을 이용하는 방법은 도체층과 폴리머 모재간의 부착성이 좋지 않은 문제로 실용화하기 어려운 실정이다.

이에, 폴리머의 경도, 강도를 우수한 수준으로 개질할 수 있을 뿐만 아니라, 기타 물질의 첨가나 화학적 물질의 코팅처리 없이 부도체인 폴리머에 균일한 전기 전도성을 부여할 수 있는 효과적이고 인체 친화적인 폴리머 개질 방법의 개발 필요성이 있다.

본 발명은, 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서,

폴리머(polymer) 기재에 이온빔(Ion beam)을 조사하여 폴리머의 강도, 경도, 전기 전도성을 향상시키고, 음영, 명암 등을 원하는 수준으로 조절하는 폴리머 개질 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 폴리머 개질 방법을 이용하여 원하는 물성으로 개질된 폴리머 필름을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은,

20 내지 200 keV 영역의 에너지로 가속된 불활성 기체 이온빔을 폴리머 기재 표면에 조사하는 것을 특징으로 하는 폴리머의 물성 개질 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은

상기 개질 방법으로 제조된 폴리머 필름을 제공한다.

본 발명의 폴리머의 물성 개질 방법을 통하여 우수한 경도, 강도를 갖는 폴리머 필름을 제공할 수 있으며, 이온빔의 에너지, 조사 시간을 컨트롤하여 폴리머의 명암, 음영 등을 원하는 수준으로 부여함으로써 다양한 산업 분야에 적용 가능한 폴리머 필름을 제공할 수 있다. 또한 화학적인 처리 없는 폴리머 개질 방법을 적용하여 인체 친화적으로 개질된 폴리머 필름을 제공할 수 있다.

도 1은 폴리머 기재 표면에 이온빔을 조사하여 폴리머 표면 경도를 향상시키는 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 질소가스 이온빔 조사 후 (조사시간: PC1-30분, PC2-60분), 폴리카보네이트 기판의 UV-Vis 흡수 스펙트럼이다.
도 3은 질소가스 이온빔 조사 전후의 폴리카보네이트 기판의 색 변화 사진이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 폴리머 기재에 각종 원소의 이온빔을 조사하여 폴리머의 색, 음영, 명암, 전기 전도성이나 강도, 경도 등의 기계적 물성을 개질하는 방법을 제공한다.

보다 상세하게 본 발명은, 20 내지 200 keV 영역의 에너지로 가속된 불활성 기체 이온빔을 폴리머 기재 표면에 조사하는 것을 특징으로 하는 폴리머의 물성 개질 방법을 제공한다.

요구되는 폴리머의 전기 전도도, 강도, 경도, 명암 또는 색 등의 특성에 따라, 이온빔의 전류량, 이온빔 에너지, 시간 등을 적절하게 조절하여 빔을 조사함으로써 정밀하게 폴리머의 물성을 제어할 수 있다. 상기 이온빔 에너지는 이온원에서 인출되는 이온 전류를 조절하여 조사함으로써 컨트롤이 가능하며, 본 발명에서는 20 내지 200 keV일 수 있으며, 100 내지 200 keV 영역의 에너지로 사용하는 것이 보다 바람직할 수 있다. 이온빔 에너지가 상기한 범위 이내일 경우 표면부터 조사 깊이까지 이온 빔의 영향을 제공할 수 있어 바람직하다.

상기 이온빔의 조사량은 특별히 한정하지 않으며, 피조사체의 종류에 따라 달라질 수 있고, 통상적으로 1×10¹⁴ 내지 1×10¹⁷ (ions/cm²)일 수 있다.

본 발명에서 이온빔의 조사 시간을 특별히 한정하지 않으며, 목적에 따라 조절할 수 있으나 바람직하게는 0.5 내지 3 시간일 수 있다. 이온빔의 조사 시간이 상기한 범위 이내일 경우 개질이 효과적이며, 효율성 측면에서도 유리하다.

상기에서 불활성 기체는 특별히 한정하지 않으나, 구체적인 예로서 질소(N₂), 산소(O₂), 아르곤(Ar), 제논(Xe) 및 헬륨(He) 등을 들 수 있으며, 요구되는 조사 이온빔의 크기 및 불활성 정도 등을 고려하여 목적에 따라 이로부터 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다.

상기 폴리머 기재는 특별히 한정하지 않으나, 구체적인 예로서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리아릴레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리메틸메타크릴레이트 등을 들 수 있으며, 이로부터 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다.

상기 폴리머 기재의 두께는 특별히 한정하는 것은 아니나, 바람직하게는 0.1 내지 5 mm일 수 있다. 예컨대, 폴리머 기재의 두께는 약 0.1 mm 이도록 얇거나, 수 mm 정도로 두꺼울 수 있다.

본 발명은 폴리머 기재에 이온빔을 조사하여 폴리머를 개질하는 방법을 제공하며, 보다 상세하게는 조사된 이온이 폴리머 분자들과 충돌 반응을 통하여 폴리머의 분자 결합 구조를 변화시킴으로써 전기 전도도 및 기계적 경도, 강도 등을 향상시키고 물성을 개질하는 방법을 제공한다.

이온빔을 조사하여 폴리머를 개질하는 본 발명은, 이온이 폴리머 내부에 주입되어 폴리머 자체의 특성을 변화시키므로, 전기 전도도, 경도 및 강도 등의 특성 개선을 가능하게 하며, 높은 빛 투과도를 나타내면서도 기체 차단 정도가 높아 수분 및 산소 등의 침투를 차단할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.

본 발명의 폴리머 개질 방법의 특징은, 폴리머 기재에서 주어진 위치, 깊이, 두께 영역에 원하는 표면 전기 전도도, 경도, 강도, 음영, 명암 등으로 개질할 수 있다는 점이다. 즉, 원하는 표면 전기 전도도 및 물성을 갖도록 정밀하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 이온빔 에너지를 조절함에 따라 개질되는 층의 깊이를 제어할 수 있다.

폴리머 기재에 대한 이온빔의 침투 깊이는 이온빔 에너지, 종류 등에 따라 달라질 수 있으나 일반적으로 표면으로부터 수 ㎛ 깊이일 수 있다. 바람직하게는 0.01 내지 3 ㎛ 깊이일 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 따라서 이온빔 조사에 의한 폴리머의 물성 개질은 폴리머 기재 표면으로부터 수 ㎛ 깊이에 발생하는 것을 특징으로 한다.

전기 전도도, 경도 및 명암 등에 관계되는 결합구조 변화량은 조사되는 이온빔의 조사량, 이온빔 종류에 따른 이온의 크기, 및 이온 개수 등으로 조절 가능하므로, 이온빔 장치의 가속 전압과 이온빔 전류를 정밀하게 제어함으로써 폴리머의 물성 조절이 가능하고, 필요 시에는 국부적으로 특정 부위만을 선별적으로 조사하여 개질할 수 있다.

이러한 폴리머에 주입된 이온빔 효과를 보다 구체적으로 설명하면, 가속된 이온을 폴리머에 조사하면 입사된 이온은 모재의 원자와 충돌 산란의 반란으로 정지점까지 감속하면서 물질과 상호작용을 한다. 즉, 입사된 이온은, 모재를 이루는 분자들을 여기(excitation) 또는 이온화(ionization)하며, 그 결과 분자의 원자간 결합 구조 파괴 및 재결합이 이루어진다. 즉, 이온빔 조사는 탄소, 산소 등과의 원자 충돌에 의한 원자 위치 변위와 열적 완화로 폴리머 막의 기계적, 화학적, 열적 성질을 향상시키고 이는 폴리머 표면에 주입된 이온과 폴리머 탄소간의 새로운 결합을 형성, 결합 및 재결합 과정을 통하여 폴리머간의 교차(Cross linking) 효과로써 표면 경화 요인으로 이해될 수 있다.

폴리머는 기본적으로 탄소-탄소간의 결합을 근간으로 하는 결합 구조에 다른 원자 또는 분자를 매개체로 하여 연결되어 있다. 이온 충돌 효과는 부차적으로 온도 상승 효과에 의한 모재의 변형, 변성, 분해 및 기체 방출 등이 일어나며, 표면 전도성을 향상시키는 탄화(Carbonization) 현상은 이온 투과 영역에서 집중적으로 발생한다. 탄화 현상은 주입된 이온이 폴리머 분자와의 상호 작용으로 이러한 매개 분자를 방출시키고, 탄소 원자끼리로만 이루어지는 재결합 현상을 말한다.

이때 폴리머에 입사된 이온은 분자 체인 근방에 존재하여 캐리어를 공급함으로써 폴리머 표면의 전기 전도성을 향상시키는 전기적 활성인 불순물로 작용한다. 그 결과 폴리머 표면 전도성이 괄목할 만한 수준으로 향상하게 될 수 있다.

본 발명의 폴리머의 물성 개질 방법을 이용하면, 폴리머 표면에 전기 전도도를 부여할 수 있으며, 이온빔을 컨트롤하여 원하는 수준으로 조절할 수 있다.

상기와 같이, 폴리머 기재에 조사된 이온빔에 의해 원자간 결합 구조 파괴 및 재결합이 이루어짐으로써, 폴리머의 전기전도도, 강도, 경도 등의 물성을 우수하게 할 수 있다. 또한, 이온빔 조사를 통해 폴리머 기재의 밀도 등을 조절함으로써 이로 인한 폴리머의 명암, 색 등을 컨트롤할 수 있다. 즉 본 발명은, 이온빔 조사를 통한 폴리머의 물성 개질 방법을 이용해 제조된 고경도, 고강도, 우수한 전도도를 갖는 폴리머 필름을 제공할 수 있으며, 또한 색, 명암, 음영 등을 원하는 수준으로 컨트롤한 폴리머 필름을 제공할 수 있다.

상기와 같이 제조된 폴리머 필름은 보다 높은 강도, 경도가 요구되는 분야, 또는 인체 무해성이 요구되는 컨택트 렌즈 등의 분야에 유리하게 응용될 수 있다. 본 발명의 폴리머 필름으로 제조된 렌즈는 화학적인 처리가 없어 인체 접촉에 따른 안정성 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 표면의 강도를 증가시킬 수 있어 흠집 현상의 문제점 등을 개선할 수 있다. 또한, 특정 위치에 이온빔을 조사하여 명암을 부여함으로써 형성된 패턴, 전기 전도도를 컨트롤하여 특정 파장에만 반응하는 보안 필름 등의 분야에 적용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예를 이용하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명은 하기 실시예에 의해 한정되지 않으며, 다양하게 수정 및 변경될 수 있다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해질 것이다.

< 실시예 >

실시예 1.

0.7 mm 두께의 폴리카보네이트 기판에 이온빔을 조사하여 조사 전후의 변화를 관찰하였다. 이온빔은 경주에 소재한 국가연구소 이온빔기기(질소가스)를 이용하여 50 keV, 조사량 1×10¹⁶ 또는 1×10¹⁷ (ions/cm²)으로 0.5 시간 또는 1 시간 조사하였다. 빔 조사 30분, 60분 후의 폴리카보네이트 기판의 UV-Vis 흡수 스펙트럼을 측정하여 도 2에 나타내었다. 이온빔 조사 시간에 따른 UV-Vis 흡수 스펙트럼 결과로서 "Ion PC1" 곡선은 이온빔 1×10¹⁶ (ions/cm²) 0.5 시간 조사 결과이고, "Ion PC2" 곡선은 이온빔 1×10¹⁷ (ions/cm²) 1시간 조사 결과이다. 이온빔 조사 시간이 증가할수록 UV-Vis 흡수 스펙트럼의 세로축 변화가 나타나고 폴리카보네이트 기판의 재료 특성 변화가 관측된다.

또한, 이온빔 조사에 의한 폴리카보네이트의 개질은 표면으로부터 0.5 ㎛ 깊이까지 발생된 것을 확인하였다.

실시예 2.

상기 실시예 1과 같은 방법으로 폴리카보네이트 기재(0.7 mm 두께)에 50 keV, 조사량 1×10¹⁶ (ions/cm²), 0.5 시간 이온빔을 조사하여 빔 조사 전과 후의 폴리카보네이트 기판의 색 변화를 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.

Claims (10)

1. 20 내지 200 keV 영역의 에너지로 가속된 불활성 기체 이온빔을 유리 기재 표면에 조사하는 것을 특징으로 하는 폴리머의 물성 개질 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 불활성 기체는 질소(N₂), 산소(O₂), 아르곤(Ar), 제논(Xe) 및 헬륨(He)으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리머의 물성 개질 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 폴리머의 물성 개질은 폴리머 기재의 표면으로부터 0.01 내지 3 ㎛ 깊이에 발생하는 것을 특징으로 하는 폴리머의 물성 개질 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 폴리머는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리아릴레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리메틸메타크릴레이트로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리머의 물성 개질 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 폴리머의 두께는 0.1 내지 5 mm 인 것을 특징으로 하는 폴리머의 물성 개질 방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 이온빔의 조사량은 1×10¹⁴ 내지 1×10¹⁷ ions/cm²인 것을 특징으로 하는 폴리머의 물성 개질 방법.
7. 청구항 1의 폴리머의 물성 개질 방법으로 제조된 폴리머 필름.
8. 청구항 7의 폴리머 필름으로 제조된 렌즈.
9. 청구항 7의 폴리머 필름으로 제조된 보안 필름.
10. 청구항 7의 폴리머 필름으로 제조된 패턴.
    

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