KITECH 생산기술 전문지

사다리형 폴리실세스퀴옥산 (LPSQ)는 우수한 기계적 특성과 열 안정성을 바탕으로 고분자 수지의 첨가제 또는 필러로 활용되어, 다양한 산업 분야에서 기계적 강화 및 기능성 부여에 기여하고 있으며, 특히 기능성 하드코팅, 게이트 유전체, 배터리 분리막, 이온성 액체 겔화제, 가스 분리 멤브레인 등의 분야에 응용되고 있다. 최근에는 LPSQ 구조에 디엔 (diene) 기능기를 도입하고, 열처리에 의해 Diels–Alder 반응을 유도함으로써 자가치유 (self-healing) 기능을 구현한 하드코팅 소재가 개발되었다. 이러한 자가치유 기능은 코팅의 내구성과 수명을 연장시킬 뿐 아니라, 유지보수 비용 절감과 환경적 부담 경감 측면에서 지속가능한 소재 설계 전략으로 각광받고 있다. 특히 폴더블 및 롤러블 디스플레이의 확산과 함께, 반복적인 굽힘 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있는 표면 보호 코팅의 중요성이 커지고 있어 기계적 강도와 치유 효율 간의 trade-off 관계를 극복하기 위한 복합 메커니즘 기반의 소재 설계가 중요한 과제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 사다리형 폴리실세스퀴옥산 (LPSQ) 기반의 고경도 하드코팅 시스템에 티올–이황화 결합 기반의 동적 공유결합 메커니즘을 도입하여, 우수한 기계적 강도와 자가치유 기능을 동시에 확보하였다. 무기 Si–O–Si 이중 사슬 구조 특유의 강직성을 유지하는 동시에, 알킬 실란 치환기를 도입해 자유부피 (free volume)를 제어함으로써 고경도 코팅막 내부에서 국소적 분절 운동성을 확보하였다. 이를 통해 기존 소재의 한계였던 경도와 자가 치유 효율 간의 상충관계 (trade-off)를 효과적으로 극복하였다. 개발된 하이브리드 네트워크는 90% 이상의 투과율과 1% 이하의 탁도 (Haze)를 나타낼 뿐만 아니라, 연필 경도 3H 및 10,000회의 반복 굴곡 테스트를 견디는 등 차세대 플렉시블 전자소자 보호막의 핵심 요구 성능을 만족하였다. 특히 자외선 조사 시 활성화되는 가역적 이황화 결합 재형성 메커니즘은 손상된 표면의 광산란을 억제하고 시각적 투명성을 복원하며, 최대 손상 깊이의 약 65%까지 실질적인 치유가 가능하였다. 이러한 내재적 자가치유 (Intrinsic self-healing) 방식은 별도의 외부 치유제 없이도 반복적인 재사용을 가능하게 하여 소재 수명 연장 및 유지보수 비용 절감 등 지속가능한 기술로서의 이점을 제공한다. 본 연구는 고경도, 고투명성, 유연성, 자가치유성을 동시에 구현하는 하이브리드 소재 설계 전략을 제시함으로써, 향후 플렉시블 디스플레이, 웨어러블 및 생체 소자 등 다양한 고기능성 전자 산업 분야의 지속가능한 소재 개발에 핵심적인 기틀을 마련할 것으로 기대된다.

키워드 폴리실세스퀴옥산, LPSQ, 자가치유, 유연성, 하드코팅