Molecular Dynamics Study of Inhomogeneous Polymer Systems

Abstract

화학적 혹은 구조적으로 서로 다른 단량체들로 구성된 공중합체 혹은 서로 다른 고분자들로 구성된 고분자 블렌드와 같은 비균질성 고분자 시스템은 하나의 단량체로 구성된 균질성 고분자 시스템과 다르게 비균질성으로 인해 발생하는 특이한 성질을 갖는다. 본 박사과정 졸업 논문에서는 이와 같은 공중합체와 고분자 블렌드 물질의 비균질성이 계의 열역학적 특성에 미치는 영향을 분자 동역학을 이용하여 규명하고자 한다.<br/> 첫째로, 분자 동역학을 이용한 비균질성 고분자 시스템 연구에서 가장 큰 걸림돌이 되는 고분자의 느린 동적 특성을 극복하여 공중합체의 자기조립 현상에 대한 연구를 매우 효율적으로 수행할 수 있는 새로운 접근법에 관한 연구를 진행하였다. 널리 알려진 바와 같이, 공중합체를 구성하고 있는 서로 다른 단량체들의 비율 및 그 단량체들 간의 비상용적 상호작용의 세기에 따라 블록 공중합체는 용융 상태에서 다양한 자기조립 구조체를 형성한다. 이와 같은 블록 공중합체의 비균질성으로 인한 자기 조립체 형성에 관한 연구는 분자 동역학을 이용하여 연구될 수 있지만, 다른 시뮬레이션 기법들과의 유기적 연계를 통하지 않고 오로지 분자 동역학만을 이용하여 무작위로 섞여진 초기 조건에서 자기 조립체 연구를 위한 자기 조립체의 초기 형태를 만드는 것은 고분자의 구조적 제한 특성으로 인해 나타나는 느린 동적 특성으로 인해 매우 많은 계산 시간이 필요하다는 근본적 어려움이 존재한다. 게다가, 분자 동역학을 통하지 않고 직접 자기 조립체의 초기 형태를 구성하는 것은 공중합체와 자기 조립체가 가진 본연의 구조적 복잡성에 의해 3차원 이중연결 구조를 갖는 자이로이드 구조는 물론, 매우 기본적인 조기조립 구조체인 라멜라 형태조차도 매우 많은 노력과 시간이 필요함은 자명하다. 이러한 어려움은 고분자의 느린 동적 특성을 유발하는 배제 체적 효과를 무시하여 고분자의 움직임을 효율적으로 촉진할 수 있는 코사인 형태의 부드러운 포텐셜을 이용하여 극복하였다. 우선 부드러운 포텐셜 하에서 블록 공중합체의 자기 조립체가 얻어지고 나면, 정확한 동적/물성 특성을 표현할 수 있는 일반적인 포텐셜로 복구를 하여 부드러운 포텐셜 사용으로 인해 왜곡되었던 힘 장을 복구하여 올바른 물리적 특성을 나타낼 수 있도록 하였다. 본 논문에서 소개한 새로운 접근법을 통해 라멜라(L), 육각 구조(H), 구형(S), 및 자이로이드(G) 형태를 포함한 다양한 형태의 자기조립 형태를 성공적으로 얻을 수 있었고, 이전에 보고 된 지금까지 일반적으로 사용되었던 방법을 이용하여 얻어진 블록 공중합체의 라멜라 자기 조립체의 물리적 특성과 직접 비교를 통해 이러한 포텐셜 교환을 통해서도 올바른 물리적 특성을 나타낸다는 것을 입증하였다.<br/> 둘째로, 고분자 블렌드 제조에 사용되는 상용화제의 구조적 특징이 고분자 블렌드의 계면 특성에 미치는 영향에 대한 분자 동역학적 연구를 진행하였다. 일반적으로 비상용적 고분자의 혼합으로 얻어지는 고분자 블렌드 물질들은 고분자의 비 상용성으로 인해 기계적 혹은 열적 불안정성을 나타낸다. 이와 같은 불안정성을 극복하고 우수한 특성을 갖는 고분자 블렌드 물질을 얻기 위해 서로 다른 고분자들에 친화성을 모두 가진 공중합체가 상용화제로써 사용되곤 한다. 본 연구에서는, 이와 같은 상용화제로써 사용되는 공중합체의 구조적 차이와 한쪽 블록의 강직도의 정도가 고분자 블렌드 물질의 계면 특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 분자 동역학을 이용하여 규명하였다. 본 연구를 위해, 구조적 차이를 갖는 대표적인 공중합체인 이중 블록 공중합체와 2개의 팔을 갖는 그라프트 공중합체를 모형화하였고 다양한 강직도를 갖는 공중합체를 모사하기 위해 하모닉 포텐셜을 이용하여 강직도를 조절해주었다. 이와 같은 모델을 이용하여 고분자 블렌드 물질의 계면 에너지 감소 정도에 대한 계산을 통해, 모든 조건에서 그라프트 공중합체가 블록 공중합체보다 우수한 계면 에너지 감소 효과를 보임을 규명하였다. 또한, 한쪽 블록의 강직도 변화는 그라프트 공중합체의 경우 그라프트 되어 있는 고분자 사슬들의 방해 효과로 인해 그라프트 공중합체의 뼈대 사슬끼리의 다발 형성을 방지하여 균일하게 계면을 덮는 것에 반해, 블록 공중합체의 경우 블록 공중합체들 사이의 다발 형성으로 인해 계면을 비균질적으로 덮게 되어 비상용적인 고분자 사이의 상용성을 꾀하지 못하여 눈에 띄는 계면 에너지 효과를 보이지 못함을 밝혔다. 결론적으로, 고분자 블렌드 물질의 계면 에너지 감소는 상용화제가 얼마나 균질적으로 계면을 덮는지에 따른 비상용적 고분자 사이의 접촉의 감소와 큰 연관성이 있으며 같은 맥락에서 그라프트 공중합체가 블록 공중합체보다 더욱 우수한 상용화제로 사용될 수 있는 구조적 특징을 지녔음을 규명하였다.<br/>