폴리머는 탄소를 주로하는 Backbone에 수소, 산소와 같은 가지들이 붙어서 구성되며 단위체 구조가 반복해서 연결된 물질이다. 이러한 폴리머는 전자빔, 이온빔과 같은 방사선에 의해 조사될 시에 유기기체를 배출하면서 Cross-linkng과 Degradation 반응을 일으키게 된다. 이러한 반응은 동시에 일어나게 되며 각각의 반응이 일어나는 확률을 나타내는 G값을 통해 Cross-linking하는 폴리머, degrading하는 폴리머로 나누게 된다. 본 논문은 이러한 반응을 이용하여 물질 내에 결함을 상대적으로 잘 일으키지 않는 전자빔 조사를 통해 Crossliking과 Degradiation을 일으키는 대표적인 폴리머인 PE와 PMMA를 탄소결정으로 변환시키고자 하는 연구이다.
조사후 변화된 폴리머의 화학적, 기계적, 결정학적 특성을 알아보기 위해 Raman spectrometer, nanoindentor, XPS, TEM을 통해 분석을 하였다. 조사전 폴리머의 Raman band는 조사후 비정질 탄소를 나타내는 $1350 cm^{-1}$ (D line)과 $1580 cm^{-1}$ (G line)을 가지는 Raman band로 변화하면서 본래의 폴리머의 특성을 읽어버렸으며 조사량이 증가함에 따라 $sp^2$ cluster가 증가하는 결과를 얻어내었다. 특히 기계적 특성의 경우 방사선에 의해 degrading하는 성질을 가진 PMMA는 그 기계적 강도가 감소한다는 기존의 결과와는 정반대되는 결과를 얻어내었다. 본 연구 결과 전자빔 조사량이 증가할수록 Hardness가 증가하였는데 그 이유는 폴리머 내부의 diamomd-like $sp^3$ carbon의 양이 조사량에 따라 증가되기 때문이라고 추측된다. 이러한 화학적, 기계적 특성 변화는 $sp^2$ 와 $sp^3$ carbon의 양이 조사량에 따라 증가하는 추세인 XPS 실험결과로 증명될 수 있다.
또한 폴리머 내부에서 폴리머가 탄소 결정으로 바뀌는 과정을 실시간으로 관측하기 위해서 TEM에서 발생되는 전자빔을 이용하여 조사 실험을 실시하는 동시에 결정구조를 분석하였다. 조사전 샘플의 회절패턴과 고분해능 격자 이미지가 전형적인 비정질 구조를 나타내었다. 반면 조사후 샘플의 회절패턴을 인덱싱하면 흑연과 잘 일치하는 것을 알 수 있었고 또한 조사전에 볼 수 없었던 (0 0 2)와 (1 0 1)의 패턴이 나타났다. 조사후 고분해능 격자 이미지에서는 (0 0 2) 결정면을 나타내는 이미지가 나타나 전자빔에 의해 폴리머가 탄소결정으로 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
실험결과를 종합하여 분석한 결과 결정 생성과정은 다음으로 추정된다. 먼저 폴리머는 전자빔 조사에 의해 탄소질의 물질로 변화하는 동시에 $sp^2$ 와 $sp^3$ 탄소구조를 생성하게 된다. 조사량이 증가하면 C-H 결합이 끊어지고 $sp^2$ 와 $sp^3$ 탄소구조의 함량이 증가한다. 실온에서는 흑연이 열역학적으로 가장 안정된 형태이기 때문에 계속적으로 폴리머에 전자빔을 조사하게 되면 $sp^2$ 탄소의 clustering이 잘 이루어지면서 탄소 결정을 생성하게 된다.
