발포폴리스티렌(EPS)의 효율적인 재활용 기술개발의 일환으로서 폐 발포폴리스티렌을 중합성 모노머인 스티렌에 용해한 고분자 용액에 가교제, 개시제, 촉진제 등을 첨가하여 상온 중합성 결합재를 개발하였으며 이를 이용한 폴리스티렌 모르타르를 제조하여 그 중요한 경화특성인 사용가능시간, 건조양생재령에 따른 발열온도 및 길이변화 거동에 미치는 폐 발포폴리스티렌 용액농도 및 TMPTMA 첨가량의 영향에 대해서 검토하였다. EPS용액을 이용한 결합재 및 폴리스티렌 모르타르의 사용가능시간은 EPS용액 농도 및 TMPTMA 첨가율의 증가에 따라서 짧아지며, 또한 폴리스티렌 모르타르의 경화에 따른 길이변화는 EPS용액 농도 및 TMPTMA 첨가율에 크게 영향을 받는데 이를 적절히 조절하여 경화특성을 제어함으로써 저수축 혹은 무수축 폴리스티렌 모르타르의 제조가 가능하다는 것을 검증하고 있다.
본 논문에서는 발포폴리스티렌 비드 (EPB)와 폐 발포폴리스티렌 (WEP)의 대체율에 따른 경량 모르타르의 기초 특성을 평가였다. EPB 및 WEP를 이용한 경량 모르타르의 기초 특성으로서 단위용적중량, 압축 강도, 휨강도, 흡수율, 열전도율 및 폴리스티렌 (EPB 및 WEP) 분포를 분석하였다. 그 결과 경량 모르타르는 WEP의 대체율이 증가할수록 단위용적중량, 압축 강도, 휨강도, 흡수율 및 열전도율은 증가하고, 폴리스틸렌 면적 분포는 감소하였다.
폴리아미드산을 안정제로 사용한 스티렌의 분산중합에 의해 core-shell 구조를 갖는 폴리스티렌-폴리이미드 core-shell 마이크로스피어를 얻었다. Iron pentacarbonyl을 마이크로스피어에 함침시킨 후 열분해하여 산화철 나노 입자를 갖는 자성 폴리스티렌-폴리이미드 마이크로스피어를 제조하였다. 자성 폴리스티렌-폴리이미드 마이크로스피어의 크기와 구조, 열적 특성 및 자성 특성을 조사하였는데, 자성 폴리스티렌-폴리이미드 마이크로스피어는 크기가 약 500 nm 정도로 균일하였으며 40%의 산화철 나노 입자를 가졌다. 산화철은 X선 회절시험에 의해 $Fe_3O_4$임이 확인되었다.
폴리스티렌 콜로이드 에멀젼 용액에서 물이 증발하게 되면 순간적으로 폴리스티렌 콜로이드 입자들이 물 표면으로 튀어나오게 되며 이러한 입자들 간의 모세관력에 의해 자기조립이 일어나게 되는데, 폴리스티렌 입자의 경우 유효밀도가 물 보다 작아 물 표면 위에 3차원 광결정을 형성하게 된다. 본 논문에서는 이러한 현상을 젖음성이 있는 제한된 공간을 가지는 구조를 가지는 유리기판 위에서 일어나도록 함으로써, 3차원의 폴리스티렌 콜로이드 결정이 고속으로 생성되고 기판위로 옮겨질 수 있도록 고안하였다. 고속으로 제작된 폴리스티렌 콜로이드 광결정은 폴리스티렌 입자의 크기 및 광결정 필름의 입사각을 조절하여 가시광 전체 영역의 빛을 선택적으로 반사하는 광필터로 적용해 보았다.
2,2'-Bis[4-(3,4-dicarboxyphenoxy) phenyl]propane dianhydride와 3,5-diamniobenzoic acid의 반응에 의해 얻어진 폴리에테르아미드산을 안정제로 사용하여 스티렌을 분산중합하여 폴리스티렌-폴리에테르아미드산 코어-셀 입자를 얻었다. 폴리에테르아미드산의 결합 효율을 증가시키기 위하여 4-vinylbenzyltrimethylammonium chloride를 공단량체로 사용하였다. 에탄올-물(7 : 3) 혼합용액을 반응매질로 사용했을 때 입자의 안정성 가장 높았고 입자의 크기도 비교적 균일하였다. 폴리스티렌-폴리에테르아미드산 코어-셀 입자의 크기는 스티렌의 양에 비례하여 증가하였다. Dimethylformamide-물 혼합용액에서 중합한 경우에는 입자의 크기 분포가 넓어졌다. 폴리스티렌-폴리에테르아미드산 코어-셀 입자의 셀을 화학적으로 이미드화 하여 폴리스티렌-폴리에테르이미드 코어-셀 입자로 변환시켰다.
Poly(AA-co-EGDMA) microgel은 시크로헥산/아세톤용액에 팽윤된 폴리스티렌겔 용액중에서 침전중합 방법으로 합성하였다. Microgel을 합성함에 있어서 폴리스티렌의 농도, 가교제의 농도, 폴리스티렌과 모노머의 비율 및 용매의 성질에 따라 $0.18{\sim}0.55{\mu}m$의 입자크기로 조절할 수 있었으며, 구형의 단분산성 microgel을 합성할 수 있었다. 또한 폴리스티렌 용액의 농도가 증가함에 따라 microgel의 입자크기는 작아졌고, 가교제의 농도가 증가할 수록 입자크기는 증가하였다.
나노-스피어 리소그래피는 기존 리소그래피 방법에 비해 나노 크기의 패턴을 저비용에 공정이 간단하고, 대면적 패터닝이 가능하다는 장점이 있다. 본 논문에서는 나노-스피어 리소그래피 공정을 이용하여 실리콘 기판 위에 2차원 광자결정 구조를 제작하였다. 실리콘 기판 위에 직경이 500 nm 인 폴리스티렌 나노-스피어를 스핀 코팅 방법으로 단일막을 형성하였다. 스핀코팅 조건은 스핀속도와 시간을 조절하여 1단계는 400 rpm에서 10초, 2단계는 800 rpm에서 120초, 3 단계는 1400 rpm 에서 10초로 공정하였다. 그리고 산소 플라즈마를 이용한 반응성 이온 식각공정으로 폴리스티렌 나노-스피어의 크기를 조절할 수 있었으며, 이때 실리콘 기판 위에 형성된 다양한 크기의 폴리스티렌 나노-스피어 단일막은 금속막 증착시 마스크의 역할을 하게 된다. 금속막의 증착은 RF 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하였으며, 공정 조건은 RF power를 100W, 공정 압력을 5 mTorr, Ar 유량을 10sccm으로 하였다. 스퍼터링 공정 후 폴리스티렌 나노-스피어를 제거함으로써 2 차원 광자결정 구조를 제작할 수 있었다. 실험 결과 단일막으로 형성된 폴리스티렌 나노-스피어의 크기를 조절함으로써 다양한 2차원 광자결정 구조 제작이 가능함을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 중공형 나노 입자의 구조체가 되는 구형 폴리스티렌을 조절된 유화중합법으로 여러 크기의 구형 폴리스티렌을 제조하는 연구를 수행하였다. 유화중합에 사용되는 유화제의 농도를 조절하여 구형 폴리스티렌의 크기를 임의로 조절하였다. 이 폴리스티렌을 구조체로 이용하여 중공형 중간세공 실리카를 합성하였으며, 합성 과정 시 반응속도의 조절을 위해 에탄올을 넣어 실리카 전구체의 가수분해 속도를 조절하고, 실리카 전구체의 투여량을 조절하여 중공형 중간세공 실리카의 벽 두께를 조절하였다.
ZnO 반도체가 넓은 에너지띠와 큰 엑시톤 결합에너지를 가지기 때문에 가진 투명 전극, 태양전지, 발광소자 및 메모리와 같은 다양한 전자 및 광전자 소자의 응용에 대한 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 절연성 고분자인 폴리스티렌 박막에 분산되어 있는 ZnO 나노 입자를 기억 매체로 사용하는 write-once-read-many times (WORM) 메모리 소자를 제작하고 전기적 성질과 안정성에 대하여 관찰하였다. 화학적 방법으로 형성한 ZnO 나노입자와 폴리스티렌을 N,N-dimethylformamide 용매에 녹인 후 초음파 교반기를 사용하여 나노 복합 소재를 형성하였다. 하부 전극으로 indium-tin-oxide가 증착되어 있는 유리 기판 위에 나노 복합 소재를 스핀코팅 방법으로 도포한 후 열을 가해 잔류 용매를 제거하였다. ZnO 나노입자가 분산되어 있는 폴리스티렌 나노 복합 소재로 구성된 박막위에 상부 전극으로 Al을 열증착하여 메모리 소자를 제작하였다. 전류-전압 측정 결과에서 저전압에서는 전도도가 낮은 OFF 상태를 유지하다 약 1.5 V에서 전도도가 갑자기 증가하여 높은 전도도의 ON 상태로 전이되는 쌍안정성이 관찰되었다. 전류의 ON/OFF 비율은 약 103이며 ON 상태에서 OFF 상태로 전환되지 않는 전형적인 WORM 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타났다. 두 전극 사이에 폴리스티렌 박막으로만 제작된 소자를 제작하여 전류-전압 측정을 하였으나 메모리 특성이 나타나지 않았다. 그러므로 WORM 메모리 특성은 폴리스티렌 박막안의 ZnO 나노입자에 기인함을 알 수 있었다. 제작된 소자에 대해 기억 시간 측정 결과는 ON과 OFF 상태의 전류가 장시간에도 변화가 거의 없는 소자의 안정성을 보여주었다. 이 실험 결과는 ZnO 나노입자가 분산된 폴리스티렌 나노 복합 구조체를 사용하여 안정성을 가진 WORM 메모리 소자를 제작할 수 있음을 보여주고 있다.
폴리스티렌 시료의 표면을 플라즈마 이온주입(PSII) 기술로 처리하여 친수성을 향상시켰다. 친수성이 향상된 표면은 시간이 지남에 따라 원래 성질인 소수성으로 되돌아가려는 특성 (aging effect)이 있는데 본 연구에서는 각각 분자량이 다른 폴리스티렌 필름을 이용하여 분자량에 따른 에이징 효과를 살펴보았다. 무게평균 분자량이 각각 $M_w$ = 760, 2430, 31600, 115700, 280000, 903600 인 폴리스티렌을 가스종류와 펄스전압 등의 PSII 실험 변수에 따라 표면 친수성 변화를 측정하였고 PSII 처리 후 보관온도를 달리하여 분자량에 따른 에이징 정도를 관찰하였다. 분자량이 큰 폴리스티렌이 시간에 따른 에이징 현상이 적게 일어났으며 펄스전압과 보관온도가 높은 조건에서도 사슬이 긴 폴리스티렌이 에이징이 덜 되었다. 물 접촉각을 측정하여 표면 친수성을 나타내었으며 처리 후 표면 구조 변화를 관찰하기 위하여 SEM과 AFM을 이용하였고, TOF-SIMS와 XPS를 통하여 표면에 생성된 작용기들을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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