투명 polyimide의 광분해 방지를 위한 선형 dimeric benzotriazole계 UV absorber의 linker moiety변화에 따른 특성 연구

Abstract

UV absorber의 사용은 polymer의 photodegradation을 방지하기 위한 유용한 방법이다. 그러나 상용 UV absorber의 낮은 내열성은 고온 환경에 적용하는데 있어 어려움이 있다. 따라서 이번 연구를 통해 장시간의 고온 공정이 필요한 polyimide와 같은 고분자에 적용할 수 있는 고 내구성의 UV absorber를 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 3가지의 linker moiety(phenyl, disulfide, biphenyl)을 이용하여 분자량이 증가된 새로운 dimer 형태의 hydroxyphenyl benzotriazole derivative(PBT, DSBT, DPBT)를 합성하고 특성을 분석하였다. 합성된 dimer 형태의 hydroxyphenyl benzotriazole은 Tinuvin 327 보다 높은 몰 흡광 계수를 보였다. 또한 합성된 UV absorber는 높은 내열성을 보였지만, 유기용매에 대한 용해도는 감소하였다. 이는dimer의 분자량이 증가함에 따라 pi-pi stacking과 수소결합과 같은 분자 간 상호작용이 증가하였기 때문이다. 따라서 전체적으로 dimer의 내열성은 증가하였지만 용해도는 감소하는 반비례 관계를 보였다. Dimer에 도입된 linker moiety의 종류에 따라 monomer 간의 뒤틀린 각도가 변화하였고, 뒤틀림이 커짐에 따라 용해도 감소가 최소화되었다. Phenyl linker가 도입된 PBT dimer의 경우 monomer 간의 뒤틀린 각도가 44도로 dimer 중 가장 많이 뒤틀려 있어 용해도 감소를 최소화하며 향상된 내열성을 보일 수 있었다. Hydroxyphenyl benzotriazole derivative를 혼합한 polyimide (PI) 필름을 250℃에서 0 - 4 시간 baking 동안 필름의 투과도 변화를 관찰하여 필름 내에서 hydroxyphenyl benzotriazole의 내열성을 분석하였다. 이 후 hydroxyphenyl benzotriazole이 혼합된 PI 필름에 0 - 40시간 xenon lamp를 조사하는 동안 투과도 변화를 관찰하여 필름상에서 hydroxyphenyl benzotriazole의 내광성을 분석하였다. 결과적으로 dimer 형태의 hydroxyphenyl benzotriazole이 상용 monomer인 Tinuvin 327보다 향상된 내구성을 가지며 PI 필름내에서 자외선 흡수제로써 역할을 수행하고 있음을 확인하였다. 결론적으로, 적절한 linker moiety의 도입을 통해 최적의 광학적 특성, 용해도 및 내열성을 보이는 dimer형태의 hydroxyphenyl benzotriazole derivatives를 합성할 수 있음을 확인하였다. 또한 이러한 dimer 형태의 hydroxyphenyl benzotriazole derivatives는 고온 공정을 필요로 하는 PI와 같은 고분자 필름과 혼합되어 자외선 흡수제로써 적용될 수 있음을 확인하였다.

UV absorber is useful to prevent the photodegradation of polymers. However, the poor thermal stability of commercial UV absorber is difficult to apply in a high temperature environment. Thus, we developed highly stable UV absorbers for transparent polyimide(PI), which required a lengthy high temperature process. In this study, new linear UV absorbers(PBT, DSBT, DPBT) with increased molecular weight were synthesized using hydroxyphenyl benzotriazole and linker moieties(phenyl, disulfide, biphenyl) and were characterized. Dimeric hydroxyphenyl benzotriazole derivatives had a higher molar extinction coefficient than Tinuvin 327. Also, they had high thermal stability but had low solubility in the organic solvent. As the molecular weight increased, the intermolecular interaction such as pi-pi stacking and the intermolecular hydrogen bonding enhanced. Therefore, the thermal stability of dimeric UV absorbers was increased, but the solubility was reduced by inverse proportion. The type of linker moieties which applied in dimer UV absorbers changes the distortion angle between monomers. As the distortion angle increased, the decrease in solubility minimized. In the case of PBT dimer, where phenyl linker was introduced, the distortion angle between monomers was 44 degrees, the most twisted of the dimer. Therefore, the PBT was able to show improved thermal stability with minimal solubility reduction. After baking PI film mixed with hydroxyphenyl benzotriazole derivatives for 0-4 hours at 250℃, the thermal stability of hydroxyphenyl benzotriazole in the film was analyzed by observing the transmittance of the films. The PI films baked at 250℃ were irradiated for 40 hours using xenon lamps, and the photostability of hydroxyphenyl benzotriazole in the film was analyzed by observing the transmittance of the films. As a result, it was confirmed that the dimeric hydroxyphenyl benzotriazole had improved durability than the commercial monomeric UV absorber, Tinuvin 327, and acted as a UV absorber within the PI film. Finally, the dimeric hydroxyphenyl benzotriazole derivatives showed optimal optical property, solubility and thermal stability can be synthesized by introducing appropriate linker moiety. It was also confirmed that the dimeric hydroxyphenyl benzotriazole derivatives could be mixed with polymer film such as PI, which required a high temperature process to be applied as a UV absorber.