KR20230059548A - 금속감을 가지는 고분자 다층 구조체 및 그 제조방법 - Google Patents

금속감을 가지는 고분자 다층 구조체 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20230059548A
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송영석
정지원
이경훈
이재승
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단국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은2종 이상의 서로 다른 고분자를 각각 포함하는 고분자층이 교대로 적층된 구조를 가지며, 각 고분자층은 서로 독립적으로 95 ~ 195 nm의 범위에 속하는 임의의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체 및 그 제조방법에 대한 것이다.

Description

금속감을 가지는 고분자 다층 구조체 및 그 제조방법{POLYMER MULTILAYER STRUCTURE HAVING METAL-LIKE APPEARANCE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 색, 광택, 질감 등에서 금속 유사 특성을 나타내는 금속 감성의 고분자 소재 및 그 제조방법에 대한 것이다.
플라스틱 등 고분자 재료는 뛰어난 기능성, 성형성, 경량성, 저비용 등의 장점을 가지는 반면, 세라믹, 금속 등 다른 소재와 비교해 소재의 외관에서 감지되는 색, 질감, 감성 등이 뒤떨어져 저렴한 소재라는 인식이 널리 퍼져 있다.
이에, 고분자 재료의 색, 질감, 심미성을 향상시키는 수단으로서 표면 가식(surface decoration) 기술에 대한 관심이 점차 높아지고 있으며, 최근 들어 이러한 고분자 재료 표면 가식 기술은 최근 가식의 본래 목적인 겉보기·외관의 향상에 머물지 않고 전기·광기능, 항균 기능, 대전 기능, 내바이러스성 기능, 표면 촉각 기능 등을 부여한 '기능성 부여 가식'으로 확장 전개되고 있고, 도장 등 습식 방식의 대신 건식 방식의 가식에 관한 니즈가 높아지고 있다.
또한, 고분자에 금속, 세라믹 등의 이종 재료를 분산시켜 얻어지는 고분자 다층 구조체 또한 고분자 재료의 색, 질감, 심미성을 개선시킬 뿐만 아니라 고분자만으로 이루어진 소재에서는 구현하지 못하는 다양한 기능을 구현할 수 있는 장점을 가진다.
한편, 최근 자동차 산업을 비롯한 전 산업에서 제품 디자인에 대한 요구사항이 다변화되고 있으며, 제품 가격, 기능 등 성능 요구에서 감성, 고품질, 편리성 등의 요소로 제품 선택의 관점이 진화하고 있다. 이러한 추세 변화로 자동차 내장부품 역시 금속 질감의 포인트 부품 채용이 증가하고 있다. 금속 질감을 구현하기 위해서는 도금 및 도장 공법이 가장 많이 사용되고 있으나, 환경적인 문제로 인해 부품 사출 공정 한번으로 금속감을 구현할 수 있는 금속감 복합소재에 대한 연구가 꾸준히 증가하고 있다.
한국 공개특허 제10-2021-0012506호(공개일 : 2021.02.03)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 색, 광택, 질감 등의 외관상 금속 유사 특성을 나타내는 금속감을 가지는 고분자 다층 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 2종 이상의 서로 다른 고분자를 각각 포함하는 고분자층이 교대로 적층된 구조를 가지며, 각 고분자층은 서로 독립적으로 95 ~ 195 nm의 범위에 속하는 임의의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체를 제안한다.
또한, 상기 금속 감성의 고분자 다층 구조체의 일 실시양태로서 제1 고분자를 포함하는 제1 고분자층 및 제2 고분자를 포함하는 제2 고분자층이 교대로 적층된 구조를 가지며, 제1 고분자층 및 제2 고분자층 각각은 서로 독립적으로 95 ~ 195 nm의 범위에 속하는 임의의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체를 제안한다.
또한, 상기 2종 이상의 서로 다른 고분자 각각은, (i) 아크릴계 수지, 올레핀계 수지, 비닐계 수지, 스티렌계 수지, 불소계 수지 및 섬유소계 수지로부터 선택되는 열가소성 수지 또는 (ii) 페놀 수지, 에폭시 수지 및 폴리이미드 수지로부터 선택되는 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체를 제안한다.
또한, 상기 금속 감성의 고분자 다층 구조체에 포함되는 1개 이상의 고분자층이, 몬트모릴로나이트(montmorilonite, MMT), 피로필라이트-탈크(pyrophylite-talc), 플루오르헥토라이트(fluorohectorite), 카올리나이트 (kaolinte), 버미큘리트(vermiculite), 일라이트(illite) 및 마이카(mica)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 판상 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체를 제안한다.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 금속 감성의 고분자 다층 구조체 제조방법의 일 실시양태로서 (a) 제1 고분자를 포함하는 필름 형상의 제1 고분자 포함 성형체 및 제2 고분자를 포함하는 필름 형상의 제2 고분자 포함 성형체를 각각 2개 이상 제조하는 단계, (b) 제1 고분자 포함 성형체 및 제2 고분자 포함 성형체를 각각 연신시켜 95 ~ 195 nm의 범위에 속하는 임의의 두께를 가지는 제1 고분자 포함 필름 및 제2 고분자 포함 필름을 제조하는 단계, 및 (c) 제1 고분자 포함 필름 및 제2 고분자 포함 필름을 교대로 적층해 다층 구조체를 제조하는 단계를 포함하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체의 제조방법을 제안한다.
본 발명에 따른 금속 감성의 고분자 다층 구조체 제조방법은, 종래 플라스틱 등 고분자 소재에 금속 감성을 부여하기 위해 고분자 소재 표면 위에 금속 입자를 도금 및 도장하는 기술에서 발생되는 금속 박막과 고분자 표면 간의 약한 접착성, 일부 금속 입자의 경우 부식성 및 독성의 문제 등을 해결함과 동시에 가시광선 파장 범위(380~780 nm)에서 80% 이상의 반사율을 가지는 금속 감성의 고분자 기반 소재를 구현할 수 있어, 심미성이 요구되는 자동차 내장재나 가전, 뷰티 패키징 등 다양한 분야에 널리 사용될 수 있는 소재의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 감성의 고분자 다층 구조체의 일례에 대한 단면 모식도이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
광학 박막은 광학 표면의 분광 특성을 빛의 간섭효과와 매질의 광학적 특성을 이용하여 반사율, 투과율, 흡수율, 편광, 위상, 색 등을 목적에 맞게 변화시킬 수 있다. 재료의 굴절률과 두께, 층수를 결정하여 설계하며 광학 박막은 anti-reflection (AR) coating, high reflection (HR) coating, short wave pass, long wave pass 등이 있으며 안경에 무반사 코팅을 진행하는 것이 대표적인 광학 박막이다.
물질의 광학적 특성은 광학상수 N으로 표현하며, N은 복소수 굴절률(complex refractive index)로 굴절률(refractive index)와 소멸계수(extinction coefficient) k를 통해
Figure pat00001
로 나타낸다. 유전체 박막의 경우 굴절률이 소멸계수보다 높으며 소멸계수는 0에 가깝다. 그 예로 유리의 굴절률은 1.5,
Figure pat00002
는 2.35,
Figure pat00003
는 1.46이다. 굴절률과 반사율의 관계식은
Figure pat00004
이며, 유전체 박막의 경우 낮은 반사율과 높은 투과율, 흡수율은 0에 가깝게 나타난다. 이에 반해 금속 박막은 반대의 경향을 띄며 은(Ag)의 경우 복소수 굴절률은
Figure pat00005
, 알루미늄(Al)의 경우에는
Figure pat00006
로 굴절률보다 소멸계수가 높은 경향을 보인다. 금속 박막에서의 반사율은
Figure pat00007
으로 나타내며 높은 반사율과 낮은 투과율을 보이며 흡수율이 존재한다. 얇은 금속 박막의 흡수계수(absorption coefficient)는 α로 나타내며
Figure pat00008
로 나타낸다. 두께 d의 금속 박막을 지나는 빛의 세기에 대해 초기 빛의 세기(
Figure pat00009
)와 박막을 지난 후 빛의 세기(
Figure pat00010
)에 관한 관계식은
Figure pat00011
이며, 흡수된 빛의 세기(
Figure pat00012
)는
Figure pat00013
이다.
광학 어드미턴스(optical admittance)는 광학 박막의 설계, 증착 및 특성 평가에서 매우 중요한 역할을 하는 물리량으로 자기장과 전기장의 비로 정의된다. 균일하고 등방인 매질에서 각진동수가 ω이고, 전파 벡터가 K인 평면파가 진행할 때 전기장과 자기장은 각각
Figure pat00014
로 표현할 수 있으며, E와 H는 각각 전기장과 자기장의 진폭이고 r은 위치벡터이다. 평면파의 진공 중 파장이 λ일 때 복소수 굴절률이 N인 매질에서의 전파 벡터는
Figure pat00015
이며, 이 때
Figure pat00016
는 전파 방향을 나타내는 단위 벡터이다. 이와 같은 전기장과 자기장을 맥스웰 방정식에 대입할 때 연산자는
Figure pat00017
와
Figure pat00018
로 표현할 수 있으며 이를 통해 전기장과 자기장은
Figure pat00019
로 나타낼 수 있다. 등방 물질에서는
Figure pat00020
와 E가 서로 수직이므로 전기장과 자기장의 크기는
Figure pat00021
가 된다. 위의 식에서 자기장 H와 전기장 E의 비를 광학 어드미턴스로 정의한다. 따라서 광학 어드미턴스 Y는
Figure pat00022
가 되고,
Figure pat00023
는 N=1인 진공의 어드미턴스로
Figure pat00024
[siemens, S]이다. 어드미턴스의 단위는 S나 1/
Figure pat00025
로 나타낸다. 굴절률이 1.52인 유리의 광학 어드미턴스는 1.52
Figure pat00026
이며, 굴절률이 2.35인 ZnS의 광학 어드미턴스는 Y=2.35
Figure pat00027
가 되고, 복소수 굴절률이
Figure pat00028
인 Ag의 광학 어드미턴스는
Figure pat00029
가 된다.
분산 브레그 반사경 (DBR; distributed Bragg reflectors)은 일반적으로 5~50 주기의 다른 굴절률을 가지는 두 개의 물질로 구성된 다층 반사경이다. 굴절률의 차이에 기인하여 각각의 계면에서 프레넬(Fresnel) 반사가 발생한다. 대개 두 개 물질의 굴절률 차이는 작아서 한 계면에서의 프레넬 정도는 매우 작다. 그러나 수많은 DBR은 많은 계면들로 구성되고 반사된 모든 파동(all reflected waves)이 보강 간섭(constructive interference)할 수 있도록 두 물질의 두께를 선택하거나. 두 개 물질의 굴절률 차이가 커서 한 계면에서의 보강 간섭 효과가 커진다면 1에 가까운 반사도를 얻을 수 있게 된다. 이러한 조건은 수직입사(normal incidence)에 대해 두 개 물질의 두께가 빛의 1/4 파장일 때 만족된다. 수직입사일 경우 다음과 같다.
Figure pat00030
식에서 주어진 두께는 λ/4가 될 수 있을 뿐만 아니라 λ/4, 3λ/4, 5λ/4, 7λ/4 등과 같이 홀수 정수배에 대해서도 가능하다. 이러한 두께들은 반사파동들의 보강간섭을 일으킬 것이다. 그러나 3λ/4 와 같이 λ/4 보다 더 두꺼운 층 두께의 경우 고반사도 차단 대역이 더욱 좁아지게 된다. 경사진 입사각에 대해 파동벡터는 수평성분과 수직성분으로 분리될 수 있다.
경사 입사(oblique incidence)의 경우에도 수직입사와 마찬가지로 DBR층의 두께는 DBR층에 수직인 파동벡터 성분에 대해 1/4 파장이어야 한다. 경사진 입사각(θ)에 대해 고반사도를 위한 최적두께는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00031
수직입사와 마찬가지로 주어진 두께, Tl,h는 주어진 값의 홀수 정수배일 수 있다.
전술한 원리에 기초해, 본 발명에서는 2종 이상의 서로 다른 고분자를 포함하는 복수의 고분자층이 교대로 적층된 구조로 이루어진 다층 고분자 구조체로서, 각 고분자층은 이웃하는 고분자층 등 다른 고분자층과 독립적으로 가시광선 파장의 1/4 즉, 95 ~ 195 nm의 범위에 속하는 임의의 광학 두께를 가지는 금속 감성의 고분자 다층 구조체를 제안한다.
즉, 본 발명에 따른 금속 감성의 고분자 다층 구조체는, 서로 다른 고분자를 포함하는 고분자층이 교대로 적층된다는 점에서는 규칙성을 가지는 반면, 각 고분자층의 두께는 다른 고분자층의 두께와 관련되지 않고 독립적으로 일정 범위(95 ~ 195 nm) 내의 임의의 값을 가지기 때문에 고분자층들의 두께는 고분자 다층 구조체의 두께 방향으로 구배를 형성하지 않고 무작위 배열을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 금속 감성의 고분자 다층 구조체의 일례에 대한 단면 모식도로서, 도 1을 참조하면 제1 고분자(P1)로 이루어진 고분자층(P11, P12, ... P1n-1, P1n)과 제2 고분자(P2)로 이루어진 고분자층(P21, P22, ... P2n-1, P2n)이 상호 교대로 배열된 구조를 가지는 한편, 각 고분자층이 서로 독립적으로 95 ~ 195 nm의 범위 내에서 임의의 두께를 가지면서 무작위의 두께 배열을 나타내는 고분자 다층 구조체를 도시한다.
한편, 도 1에 도시한 고분자 다층 구조체를 제조하기 위한 방법은 특별히 제한되지 않으며, 일례로서 (a) 제1 고분자(폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA) 등)를 포함하는 필름 형상의 제1 고분자 포함 성형체 및 제2 고분자(트리아세틸 셀룰로오스(triacetyl cellulose, TAC) 등)를 포함하는 필름 형상의 제2 고분자 포함 성형체를 각각 2개 이상 제조하는 단계, (b) 제1 고분자 포함 성형체 및 제2 고분자 포함 성형체를 각각 연신시켜 95 ~ 195 nm의 범위에 속하는 임의의 두께를 가지는 제1 고분자 포함 필름 및 제2 고분자 포함 필름을 제조하는 단계, 및 (c) 제1 고분자 포함 필름 및 제2 고분자 포함 필름을 교대로 적층해 다층 구조체를 제조하는 단계를 포함해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 금속 감성의 고분자 다층 구조체의 각 고분자층에 포함되는 2종 이상의 서로 다른 고분자는 각각 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 이루어진다.
보다 구체적으로, 상기 열가소성 수지로는 올레핀계 수지인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리-4-메틸펜텐-1, 아크릴계 수지인 폴리메타크릴산메틸, 아크릴로니트릴, 비닐계 수지인 폴리염화비닐, 폴리초산비닐, 폴리비닐알코올, 폴리비닐 부티랄, 폴리염화비닐덴, 스티렌계 수지인 폴리스티렌, ABS 수지, 불소 수지인 4불화에틸렌수지, 3불화에틸렌수지, 폴리불화비닐덴, 폴리불화비닐, 섬유소계 수지인 니트로셀루로즈, 세롤로즈아세테이트, 에틸셀룰로즈, 프로필렌 셀룰로즈 등을 들 수 있으며, 이외에도 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌부타레이트, 폴리부틸렌부타레이트, 아이오노모수지, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤, 방향족 폴리에스테르(에코놀, 폴리아릴레이트) 등이 사용 가능하다.
또한, 상기 열경화성 수지의 예로는 페놀 수지, 에폭시 수지 및 폴리이미드 수지 등을 들 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 금속 감성의 고분자 다층 구조체의 반사율 등 광학적 특성을 향상 및/또는 개선시키기 위해, 다층 구조체에 포함되는 1개 이상의 고분자층은, 몬트모릴로나이트(montmorilonite, MMT), 피로필라이트-탈크(pyrophylite-talc), 플루오르헥토라이트(fluorohectorite), 카올리나이트 (kaolinte), 버미큘리트(vermiculite), 일라이트(illite) 및 마이카(mica)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 판상 나노입자를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 금속 감성의 고분자 다층 구조체의 일 실시예로서 다층 구조체를 제조할 때 적층 방식을 세가지로 세분화하여 제조할 수 있다. 이 때 적층할 고분자 필름의 두께는 95~195 nm로 모두 동일하며, 적층하는 고분자 필름의 개수는 최소 257개이다.
a) 동일한 두께의 필름을 교호로 적층하여 제조한다.
Figure pat00032
b) 서로 다른 필름의 두께를 연신비로 조절하며 각 재료의 연신비는 동일하게 하여 두께가 다른 각 재료를 교호로 적층하여 제조한다.
Figure pat00033
c) 재료의 연신비를 다양하게 하여 각 재료의 연신비를 다르게 주어 두께가 다른 각 재료를 교호로 적층하여 제조한다. (해당 케이스가 랜덤성이 제일 큰 경우이고, 이 경우에 모든 층의 두께가 다 다를 필요는 없음.)
Figure pat00034
　
전술한 본 발명에 따른 금속 감성의 고분자 다층 구조체는, 종래 플라스틱 등 고분자 소재에 금속 감성을 부여하기 위해 고분자 소재 표면 위에 금속 입자를 도금 및 도장하는 기술에서 발생되는 금속 박막과 고분자 표면 간의 약한 접착성, 일부 금속 입자의 경우 부식성 및 독성의 문제 등을 해결함과 동시에 가시광선 파장 범위(380~780 nm)에서 80% 이상의 반사율을 가지는 금속 감성의 고분자 기반 소재를 구현할 수 있어, 심미성이 요구되는 자동차 내장재나 가전, 뷰티 패키징 등 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (5)

  1. 2종 이상의 서로 다른 고분자를 각각 포함하는 고분자층이 교대로 적층된 구조를 가지며,
    각 고분자층은 서로 독립적으로 95 ~ 195 nm의 범위에 속하는 임의의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 고분자를 포함하는 제1 고분자층 및 제2 고분자를 포함하는 제2 고분자층이 교대로 적층된 구조를 가지며,
    제1 고분자층 및 제2 고분자층 각각은 서로 독립적으로 95 ~ 195 nm의 범위에 속하는 임의의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2종 이상의 서로 다른 고분자 각각은,
    (i) 아크릴계 수지, 올레핀계 수지, 비닐계 수지, 스티렌계 수지, 불소계 수지 및 섬유소계 수지로부터 선택되는 열가소성 수지 또는 (ii) 페놀 수지, 에폭시 수지 및 폴리이미드 수지로부터 선택되는 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    1개 이상의 고분자층이,
    몬트모릴로나이트(montmorilonite, MMT), 피로필라이트-탈크(pyrophylite-talc), 플루오르헥토라이트(fluorohectorite), 카올리나이트 (kaolinte), 버미큘리트(vermiculite), 일라이트(illite) 및 마이카(mica)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 판상 나노입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체.
  5. (a) 제1 고분자를 포함하는 필름 형상의 제1 고분자 포함 성형체 및 제2 고분자를 포함하는 필름 형상의 제2 고분자 포함 성형체를 각각 2개 이상 제조하는 단계;
    (b) 제1 고분자 포함 성형체 및 제2 고분자 포함 성형체를 각각 연신시켜 95 ~ 195 nm의 범위에 속하는 임의의 두께를 가지는 제1 고분자 포함 필름 및 제2 고분자 포함 필름을 제조하는 단계; 및
    (c) 제1 고분자 포함 필름 및 제2 고분자 포함 필름을 교대로 적층해 다층 구조체를 제조하는 단계;
    를 포함하는 금속 감성의 고분자 다층 구조체의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210012506A (ko) 2019-07-25 2021-02-03 주식회사 엘지화학 산무수물 화합물, 이를 이용한 폴리이미드계 고분자, 고분자 필름, 및 광학 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210012506A (ko) 2019-07-25 2021-02-03 주식회사 엘지화학 산무수물 화합물, 이를 이용한 폴리이미드계 고분자, 고분자 필름, 및 광학 장치

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