타이타니아 나노막대가 포함된 블록 공중합체 박막 표면의 전기장하에서의 불안정성 거동 연구

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배준원
Bae, Joonwon

  • 투고 : 2016.02.18
  • 심사 : 2016.03.26
  • 발행 : 2016.04.10

초록

특정 온도(대부분의 고분자의 경우는 유리 전이 온도) 이상에서 균일한 전기장 내부에 존재하는 고분자 박막의 표면에는 전기장에 의한 힘이 작용하기 때문에, 표면은 항상 불안정성을 나타낸다. 즉, 고분자 박막의 표면에 전기장을 가하면 표면이 울퉁불퉁한 형태를 띄고, 이 정도가 심해져서 막대 형태로 성장하게 된다. 본 연구에서는, 타이타니아 나노막대를 포함한 블록 공중합체 박막의 표면에 나타나는 전기장에 의한 불안정성 형태에 대해서 고찰해 보고자 한다. 평균 직경 10 nm를 갖는 30 nm 길이의 타이타니아 나노막대를 제조한 뒤, 블록 공중합체(폴리스티렌-폴리(2-비닐피리딘))와 혼합한 뒤에 스핀코팅을 통해서 박막을 형성시킨다. 이 박막을 균일한 전기장 속에 넣고 공중합 고분자의 유리 전이 온도 이상에서 일정 시간 동안 유지시킨 뒤 다양한 방법으로 관찰한다. 타이타니아 나노막대의 높은 유전상수는 필름 전체의 유전상수를 증가시켜 표면 불안정성 패턴의 크기를 감소시키고, 박막의 내부에서는 타이타니아 나노막대의 엔트로피적인 이동 현상은 고찰되지 않는 것으로 밝혀졌다. 이 연구는 향후 나노입자를 적용한 박막의 전기장하에서 표면 불안정성 패턴 형성에 도움이 될 것으로 사료된다.

키워드

electrohydrodynamic instability;titania nanorods;thin film;block copolymer;dielectric constant

참고문헌

  1. A. Vrij, Possible mechanism for the spontaneous rupture of thin, free liquid films, Discuss Faraday Soc., 42, 23-33 (1966). https://doi.org/10.1039/df9664200023
  2. M. B. Williams and S. H. Davis, Nonlinear theory of film rupture, J. Colloid Interface Sci., 90, 220-228 (1982). https://doi.org/10.1016/0021-9797(82)90415-5
  3. A. Sharma and E. Ruckenstein, Finite-amplitude instability of thin free and wetting films: prediction of lifetimes, Langmuir, 2, 480-494 (1986). https://doi.org/10.1021/la00070a019
  4. G. Reiter, Dewetting of thin polymer films, Phys. Rev. Lett., 68, 75-78 (1992). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.75
  5. R. Yerushalmi-Rosen, J. Klein, and L. Fetters, Suppression of rupture in thin, nonwetting liquid films, Science, 263, 793-795 (1994). https://doi.org/10.1126/science.263.5148.793
  6. A. Sharma and R. Khanna, Pattern formation in unstable thin liquid films, Phys. Rev. Lett., 81, 3463-3466 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.3463
  7. M. Boltau, S. Walheim, J. Mlynek, G. Krausch, and U. Steiner, Surface-induced structure formation of polymer blends on patterned substrates, Nature, 391, 877-879 (2000).
  8. L. F. Pease III and W. B. Russel, Limitations on length scales for electrostatically induced submicrometer pillars and holes, Langmuir, 20, 795-804 (2004). https://doi.org/10.1021/la035022o
  9. M. D. Morariu, N. E. Voicu, E. Schaffer, Z. Lin, and T. P. Russell, Hierarchical structure formation and pattern replication induced by an electric field, Nature Mater., 2, 48-52 (2003). https://doi.org/10.1038/nmat789
  10. T. Xu, C. J. Hawker, and T. P. Russell, Interfacial energy effects on the electric field alignment of symmetric diblock copolymers, Macromolecules, 36, 6178-6182 (2003). https://doi.org/10.1021/ma034511s
  11. H. Xiang, Y. Lin, and T. P. Russell, Electrically induced patterning in block copolymer films, Macromolecues, 37, 5358-5363 (2004). https://doi.org/10.1021/ma049888s
  12. K. A. Leach, Z. Lin, and T. P. Russell, Early stages in the growth of electric field-induced surface fluctuations, Macromolecues, 38, 4868-4875 (2005). https://doi.org/10.1021/ma048157p
  13. J. Bae, E. Glogowski, S. Gupta, W. Chen, T. Emrick, and T. P. Russell, Effect of nanoparticles on the electrohydrodynamic instabilities of polymer/nanoparticle thin films, Macromolecues, 41, 2722-2726 (2008). https://doi.org/10.1021/ma702750y
  14. J. Bae, Electrohydrodynamic instabilities of polymer thin films: Filler effect, J. Ind. Eng. Chem., 18, 378-382 (2012). https://doi.org/10.1016/j.jiec.2011.11.049
  15. J. Bae and S. H. Cha, Effect of nanoparticle surface functionality on microdomain orientation in block copolymer thin films under electric field, Polymer, 55, 2014-2020 (2014). https://doi.org/10.1016/j.polymer.2014.02.054
  16. J. Bae, S. J. Park, O. S. Kwon, and J. Jang, The effect of nanoparticle on microdomain alignment in block copolymer thin films under an electric field, J. Mater. Sci., 49, 4323-4331 (2014). https://doi.org/10.1007/s10853-014-8128-0
  17. X. Chen and S. S. Mao, Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifications, and applications, Chem. Rev., 107, 2891-2959 (2007). https://doi.org/10.1021/cr0500535
  18. Y. Lin et al., Self-directed self-assembly of nanoparticle/copolymer mixtures, Nature, 434, 55-59 (2005). https://doi.org/10.1038/nature03310
  19. N. Wu, L. F. Pease III, and W. B. Russell, Toward Large-Scale Alignment of Electrohydrodynamic Patterning of Thin Polymer Films, Adv. Funct. Mater., 16, 1992-1999 (2006). https://doi.org/10.1002/adfm.200600092
  20. S. Gupta, Q. Zhang, T. Emrick, A. C. Balazs, and T. P. Russell, Entropy-driven segregation of nanoparticles to cracks in multilayered composite polymer structures, Nature Mater., 5, 229-233 (2006). https://doi.org/10.1038/nmat1582

과제정보

연구 과제 주관 기관 : 동덕여자대학교