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유무기 하이브리드 나노입자를 이용한 고굴곡·내충격 나노복합소재 개발에 대한 연구

Flexible and High Damping Polymer Nanocomposite with Organic-Inorganic Hybrid Nanoparticles for Flexible Display

초록/요약

글로벌화, IT의 생활화 등으로 인하여 언제 어디서나 디스플레이를 접할 수 있게 되면서 보다 휴대하기 편한 모바일 기기에 대하여 사회적으로 디스플레이의 수요가 크게 증가하고 있다. 현재까지, 평판 디스플레이에 사용되는 재료 특성의 한계 때문에 플렉서블 디스플레이를 접할 기회가 많지 않았지만, 세계적인 동향 및 시장에 따라 향후에 수많은 플렉서블 디스플레이를 접할 것으로 전망된다. 플렉서블 디스플레이는 물리적인 충격을 받을 경우가 잦기 때문에, 이러한 충격을 흡수하여 패널을 보호해야 한다. 본 연구에서는 높은 투명도와 굴곡성, 그리고 내충격성과 밀접히 연관된 댐핑 특성을 가지는 점탄성 고분자로 폴리우레탄 (PU)을 선정하였고, 1 - 2 nm 크기의 나노입자인 POSS를 첨가하여 댐핑 특성을 향상시키고자 하였다. 90% 이상의 투과도와 높은 유연성을 유지하는 조건 하에서, PU의 최적 반응 조건을 성립하고 두 종류의 polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS)을 첨가하여 댐핑 특성을 높이고자 하였다. 점탄성 고분자는 고무 영역에서 유리 영역에 비해 상대적으로 높은 댐핑 특성을 갖는다. 고분자의 고무 영역을 넓혀서 댐핑 특성을 향상시키기 위해서 말단기에 -PEG13.3-CH3를 가지는 비반응성 POSS (POSS-CH3)를 사용하였다. POSS의 가소제 역할로 고분자 사슬간의 자유 부피를 증가시켜서 고분자의 유리전이온도를 감소시켜 고무 영역을 넓혔다. 또한, 고무영역에서 나노입자 말단기의 활발한 분절 운동 때문에 높은 점성 거동을 보였다. 결과적으로, 10 wt%의 POSS-CH3를 첨가한 나노복합막은 유리전이온도에서 나타나는 tan δ 피크의 면적을 약 22% 향상시켰을 뿐만 아니라, POSS와 고분자의 높은 호환성덕분에 모든 나노복합막의 투과도는 90%이상 유지되었다. 한편, -OH 그룹을 가지는 Octa(3-hydroxy-3-methylbutyldimethylsiloxy) POSS (POSS-OH)를 첨가하여 수소결합 세기를 증가시켰다. 수소결합은 외부 충격을 흡수하면서 깨지지만 충격이 제거된 후에 다시 결합을 이루기 때문에 높은 내충격성을 기대할 수 있었다. 게다가 POSS가 가소제 역할을 하여, 수소 결합에 의한 상당한 유리전이온도 상승을 막아서 높은 유연성을 유지시켰다. 최적 댐핑 특성은 3.4 wt%의 POSS-OH를 첨가했을 때 도달되었고, tan δ 피크 높이와 tan δ 면적이 29%와 45%만큼 향상되었다.

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초록/요약

Damping is considered as a prominent property to protect electronic devices such as foldable phones and smartwatches. To improve damping property, we introduced 2-types of polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS). One of them is PEG13.3-CH3 functionalized POSS (POSS-CH3) which was incorporated into polyurethane (PU) matrix. The nanoparticle, POSS had a great compatibility with PU matrix which induced very little loss of transmittance for all films. Besides, area under tan δ (TA) was improved by 22% at 10.0 wt% of POSS-CH3 with increasing viscous behavior. However, the nanocomposite films had so low Tg that they were vulnerable at high temperature. To improve good mechanical properties at high temperature as well as damping property, hydrogen bonds (H-bonds) were utilized as intermolecular interaction. Hydroxyl-functionalized POSS (POSS-OH) was incorporated into PU matrix. H-bonds could be broken by absorbing external energy, and then recovered quickly upon removal of force. Additional H-bonds between POSS-OH and urethane linkages (C=O···H-O) were strongly formed, thereby damping property of the nanocomposite was significantly enhanced. The optimized damping performance was achieved at 3.4 wt% of POSS-OH with improvement by 29% and 45% for tan δ height and area under tan δ, respectively. At this concentration, POSS-OH was uniformly distributed without POSS aggregates, which formed effective and strong H-bonds. Besides, a high compatibility of POSS-OH induced very little loss of transmittance. All nanoocomposite films were highly transparent with more than 90% of transmittance.

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