파트 1.
전기영동 방식 디스플레이에 이용할 칼라 유기안료 대전입자 제조
입자의 전기영동 특성을 이용한 전자종이(Electrophoretic display, EPD)는 일종의 반사형 플렉시블 디스플레이로서 높은 해상도, 넓은 시야각, 높은 대조 비에 의한 우수한 가독성을 가지고 있다. 또한 전기장에 의하여 화상을 구현한 후 인가된 전기장이 제거된 후에도 그 화상을 그대로 유지하는 높은 쌍안정성을 가져 아무런 추가적인 에너지 없이 화상을 유지하며 전력손실을 최소화 할 수 있어 기존의 디스플레이 매체를 대신하는 표시소자로서 전자 신문, 전자 잡지, 전자 책 등의 개념으로 응용되고 있다.
본 논문에서는 플렉시블 디스플레이 중 전기영동 특성을 이용한 전자종이에 대한 연구로, 안료를 이용하여 전기영동 특성을 가지는 입자를 만들어, 그 대전입자를 저유전율 유체에 분산시켜 prototype display 에 넣어 구동하는 실험을 진행하였다. 전기영동 디스플레이에서 유기안료는 백색입자와 반대의 구동특성을 갖는 입자로, 색상이 우수하고 다양하며 입자밀도가 낮다는 장점을 가지고 있다. 하지만 안정성이 낮고 특별한 전기영동 특성을 가지고 있지 않기 때문에 이를 이용하기 위해서 입자의 안정성을 높이고 전기영동 특성을 부여시키는 방편으로 표면 개질법을 적용하고 있다. 칼라 유기안료 입자에 고분자(PS, PMMA)와 공단량체로서 1-vinyl imidazole 과 같이 질소를 포함하는 헤테로고리 화합물을 사용하여 분산중합을 통해 칼라 대전입자를 제조하였다. 칼라 유기안료 입자에 고분자를 코팅함으로써 표면을 고르게 처리하여 균일하며 안정된 표면특성을 갖도록 하는 한편, 공단량체인 1-vinyl imidazole 의 코팅으로 칼라 유기안료 입자 표면에 전하를 띠도록 하였다. 제조된 칼라 대전 입자와 백색 입자를 분산매체에 분산시켜 분산액을 형성한 후 electrophoretic display cell 인 ITO glass 에 구동하여 그 결과로 색상의 변화를 시각적으로 관찰할 수 있으며, 이는 칼라 유기안료 대전 입자는 양의 전하를 백색 입자는 음의 전하를 갖고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 charge control agent(CCA)와 dispersant 등의 첨가제가 표면전하에 미치는 영향 등을 electrophoretic 방식의 zeta potential meter 를 통해 관찰함으로써 칼라 입자의 전기장 하에서의 거동을 밝히고 궁극적으로는 flexible display 를 위한 기초 자료를 제공하고자 보다 체계적인 연구를 수행하였다.
파트 2.
단분산성 고분자 bead 에 전도성 입자를 코팅하여 마이크로 입자의 제조와 전기유변특성
주변의 전기장에 의해 그 특성을 컨트롤 할 수 있는 스마트한 물질인 전기유변유체는 외부장의 인가에 따라 액체에서 고체로의 상전이가 가능하여 유체의 점성 및 유압을 조절할 수 있기 때문에 항공 산업, 제조 산업, 방위 산업 등 여러 산업 분야에서 ER 응용장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 자동차의 댐퍼(damper) 시스템, 충격 흡수기(shock absorber), 엔진마운트(engine mount), 유량제어용 밸브 시스템 및 그 외 위치지정함(positioning), 엑츄에이터(actuator) 등 이외에도 밸브(valve), 로봇 팔(robot arm), 인공 손(artificial hands) 등에도 널리 응용될 수 있다.
실험의 주 재료로 전도성 고분자인 Polyaniline 과 단분산성 PS 입자를 사용하여 복합재료를 제조하였다. 전도성 고분자의 종류는 polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, PEDOT 등과 같이 여러 종류가 존재하지만 이들은 공기 중에서 산화 안정성으로 인하여 활용에 제한적으로 쓰여졌다. 그러나 polyaniline 의 경우 공기 중에서 안정적이라는 장점과 다른 전도성 고분자 보다 상대적으로 가격이 낮다는 점, 또한 물질을 합성한 이후 산과 염기를 이용한 도핑, 디도핑 과정을 통해서 전도도를 조절 가능하다는 장점이 있다. 이에 core 인 PS bead 에 diffusioninterface-polymerization 과정에 의해 PANI shell 을 코팅하여 복합재료를 제조하였다. 제조된 PS/PANI 복합물을 유체에 분산시킨 후 전기장에 따른 변화를 살펴보면서 전기유변학적특성을 분석하였다. 또한 전기유변특성의 중요한 변수인 계면분극성 분석을 위해 유전상수와 유전손실을 측정함으로서 폴리아닐린/바륨타이타네이트 복합물의 유전특성을 보았다. 유전스펙트럼으로부터 복합물의 유전성능의 정보를 얻음으로 전기유변특성을 분석할 수 있었다.
파트 3.
자성입자/고분자 나노 복합재료 제조와 자기유변특성
자기유변유체는 자성을 띄지 않는 유체에 마이크론 크기의 자성을 가질 수 있는 입자들을 분산시킨 비콜로이드 용액으로, 외부 자기장에 따라 액체에서 고체로 다시 고체에서 액체로 상변이가 자유로운 가변성 유체를 말한다. 이 유체에 일반적으로 사용되는 자성물질로는 철, 니켈, 코발트와 같은 물질이 사용되며 이 중에서 현재 가장 많이 사용되고 있는 철은 큰 비중과 공기 중에서의 산화, 그리고 장치 내에서의 마찰 등의 여러 가지 문제를 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 표면에 고분자를 코팅하는 방법을 이용하였다. 철 입자인 maghemite 가 monomer 에 분산이 잘되게 하기 위하여 oleic acid 를 사용하여 분산성을 증가시킨 뒤 고분자 중합을 통하여 자성 bead 를 합성하였다. 제조된 maghemite/PS 나노입자는 밀도가 4.7 g/㎤ 에서 2.4 g/㎤ 으로 상당히 감소하였으며 이로써 자기유변유체로의 분산성 향상을 예상할 수 있다. 또한 자기유체의 유변학적 성질을 확인하게 위하여 정적 실험과 동적 실험을 수행한 결과 자기장의 세기가 증가함에 따라 항복응력과 점도가 증가하여 solid-like 한 성질이 증가하였음을 확인하였다.