Interfacial study of polystyrene films on polystyrene-grafted substrates :폴리스틸렌 브러시 위에서의 폴리스틸렌 박막 계면 연구

이호연

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이호연 (연세대학교, Graduate School, Yonsei University)

지도교수: Du Yeol Ryu

발행연도: 2016

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2016

Autophobic dewetting of polystyrene films on substrates grafted with chemically identical polymers

이호연 , 이우섭 , 류두열 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 2016.04 학술대회자료

Interfacial study of polystyrene films on polystyrene-grafted substrates

이호연 Dept. of Chemical and Biomolecular Engineering 2016.01 학위논문

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고분자 브러시란 고분자의 한쪽 말단기가 표면이나 기판과 물리적 혹은 화학적의 결합한 형태를 일컫는데, 이때 결합부분이 밀접하게 집적되기 때문에 집적된 사슬들은 표면 바깥으로 늘어나는 경향을 보이게 된다. 현재 고분자 브러시는 매우 넓은 방면에서 활용되고 있는데, 이는 집적된 사슬의 길이, 집적도에 따라 다양한 표면 특성을 구현할 수 있기 때문이다. 이러한 활용에 앞서 형성된 고분자 브러시의 구조에 관한 연구가 매우 중요한데, 이는 고분자 브러시의 표면특성이 집적된 사슬의 형태에 매우 크게 영향 받기 때문이다.
일반적으로 고분자 브러시의 구조는 세가지로 구분되는데, 집적된 사슬간의 영향이 존재하지 않는 분리된 사슬 구조, 집적된 사슬간의 영향이 발생하면서 사슬의 팽창이 발생하는 구조, 그리고 완전히 팽창되는 dry brush regime 이 존재한다. 기판에 사슬이 집적되는 초기 단계에는 사슬의 성분적 특성에 의한 표면 특성이 구현되고, 이는 사슬의 집적도가 높아질수록 강해진다. 하지만 집적도가 더 높아지게 되면 사슬 간 영향이 발생하게 되고 이로 인해 매우 딱딱하면서도 팽창된 층을 형성하게 되고, 이러한 층은 다른 용매나 고분자 사슬의 침투를 허용하지 않게 된다. 이것을 문헌적으로 autophobicity 라 일컫는데, 이는 심지어 같은 성분의 고분자 사슬과도 매우 낮은 표면 특성을 가지는 형태를 의미한다.
집적된 고분자 브러시 위에서의 고분가 사슬의 계면 특성을 연구하기 위해 폴리스틸렌 브러시의 사슬길이 및 집적도를 다양하게 조절하여 연구를 진행하였다. 먼저 폴리스틸렌 브러시의 분자량을 가지고 집적도를 조절하였는데, 이는 고분자 사슬이 가지는 자체 부피 때문에 사슬의 집적에 있어 충분한 열과 시간을 가할 경우 일정한 값의 집적도를 가지는 성질을 이용한 것이다. 다음으로, 집적에 있어서의 온도와 시간을 조절하여 팽창된 고분자 브러시 외에 다양한 형태의 브러시를 제조하고자 하였다. 결과적으로, 집적된 기판 위에서의 집적된 사슬길이 및 집적도에 따른 화학적 특성이 동일한 고분자의 계면 특성을 엘립소메트리 및 Neutron Reflectivity를 통해 분석하였다.

Polymer brushes are long-chain polymer molecules attached by one end onto a surface or interface by physical absorption or chemical reaction, with a density of attachment points high enough so that the chains are stretched away from the interface. Recently, the substrates with grafted chains of polymer brushes have been used a vast expanse of research area because of the fabrication convenience of surface properties for the grafted layers by varying the chain length or component of grafted chains. For the applications of polymer grafted substrates, the understanding of conformations of grafted layer is very important due to the strong dependence of surface properties on the chain conformation of grafted layer.
In general concept, the conformations of the grafted layer are divided in three regime by the degree of grafting density, 1. separated coils regime with non-interaction between brushes, 2. transition to stretched brush regime with fully covering the substrate, and 3. dry brush regime with quite stretched brushes. When the earlier stage of grafting brushes on substrate, the chains give the particular surface properties on substrate (such as surface tension) by the component of grafted chains, and enhanced by increasing the grafting density. However, when the grafting density increased higher, the layer has very stiff brushes with highly stretched chains and starts to expel the solvent or polymer chains. In that case, the grafted layer shows autophobicity, which is referred as to the strong surface tension on grafted substrate even with the chemically identical polymer chains.
To investigate the interfacial behavior of polymer chains depending on grafted layer, the various types of grafted substrates were used with controlling the grafted density and chain length of brushes. First, the grafting density of substrate was controlled by varying the molecular weight of brushes, where the saturated grafting density of grafted substrate be settled by the chain length of brushes. Second, annealing time and temperature were controlled to adjust the grafting density and the conformation of grafted chains. Consequently, the interfacial behavior of chemically identical polymer onto the prepared grafted substrate was investigated by ellipsometry and neutron reflectivity experiment in tern of a function of grafting density and chain length of grafted substrate.

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