A glass has played a key role providing good transparency and reliable protection of a screen for most flat-panel displays. However, the transition toward the era of flexible electronics make the glass an impractical option as a cover window due to its intrinsic stiffness and brittleness. Recently, hardware innovation for commercialization of foldable displays have focused on the development of new optically transparent protective materials as a substitute of the glass, simultaneously attaining high strength and elastic compliance known to be mutually exclusive.
In this dissertation, research for the design of innovative transparent hybrid material, exhibiting glass-like wear resistance, plastic-like compliance and large elastic recoverability resulted from the strategy to increase the chemical bonds of intra- and inter-phases at the molecular level, is conducted as follows.
First, the synthetic mechanism of epoxy siloxane molecular hybrid (ESMH) are developed using a simple, mass-producible and low-energy-consuming method based on the synergetic combination of highly condensed siloxane backbones by the sol-gel reactions that are maximally cross-linked by a cationic ring-opening polymerization of cycloaliphatic epoxide groups. In addition, by introducing the moisture annealing process, the epoxy conversion increased and the volume expansion occurred which resulted in the relaxation of residual stresses due to the volume shrinkage by the epoxy linking.
Second, the mechanical properties are characterized using nanoindentation experiments and in-situ compression and bending tests to visually and quantitatively validate the real mechanical responses under the same mode it will encounter during the actual applications, which shows that the ESMH pierces the limitation of mechanical properties for engineering materials.
Lastly, on the basis of structure-property relationships in epoxy-siloxane hybridization, we propose that these brilliant properties to intimate chemical bonds of intra- and inter-phases at the molecular level. These findings create a new selection to be applied for flexible protective coatings in flexible cover windows.
지난 수십년 동안 유리는 평면 디스플레이의 커버윈도우로 사용되어 우수한 투명성과 디스플레이 내부를 보호하는 핵심 기능을 제공하였다. 그러나 변형하기 어렵고 쉽게 깨지는 문제점으로 인해 플렉시블 디스플레이 커버윈도우로의 활용에는 어려운 실정이다. 최근, 폴더블 디스플레이의 상용화를 위해 유리 대신 광학적으로 투명하고 유연하며 동시에 높은 강도와 탄성 복원력을 갖는 새로운 재료의 개발에 많은 관심이 집중되고 있다. 하지만 일반적인 재료의 기계적 물성의 경우 높은 강도는 높은 탄성계수, 즉, 낮은 유연성으로 이어지기 때문에 강도가 높으면서 유연한 재료를 개발하는 것은 재료 과학적 난제로 인식되고 있다.
본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 유리 수준의 높은 내마모성과 플라스틱 수준의 우수한 유연성을 갖는 투명한 에폭시-실록산 분자하이브리드 재료를 개발하였으며 플렉시블 하드코팅으로의 응용 가능성을 평가하였다. 에폭시-실록산 분자하이브리드 재료는 솔-젤 반응을 이용하여 형성되는 실록산 결합과 양이온 중합 반응을 이용하여 형성되는 에폭시 결합을 최대한 증가시키는 방식을 이용하여 제조되었으며, 수분 어닐링 공정을 도입하여 에폭시 결합을 가속화 시킴과 동시에 가교중합으로 인해 수축된 부피를 다시 팽창시켜 내재된 응력을 완화시키는 방안을 고안하였다.
나노 인덴테이션과 나노 압축 및 굽힘 시험 등을 이용하여 실제 플렉시블 하드코팅으로 적용 시 보일 수 있는 기계적 특성을 시각적, 정성적, 정량적으로 분석하였으며, 그 결과 본 에폭시-실록산 분자하이브리드 재료는 기존의 일반적인 공학 재료와는 달리 플라스틱 수준의 낮은 탄성계수와 유리 수준의 높은 강도 및 우수한 탄성 복원력을 동시에 갖는다는 것을 확인하였다. 또한 이러한 기계적 특성이 분자수준에서 에폭시 (유기물)와 실록산 (무기물) 각각 및 서로간의 치밀한 화학 결합으로부터 기인한다는 것을 예증하였다.
결론적으로, 본 에폭시-실록산 분자하이브리드 재료는 쉽고 에너지가 적게 들며 대량 생산이 가능한 방식을 통해 제조되었으며, 기존에 없는 새로운 기계적 특성을 통해 플렉시블 하드코팅 소재로 응용하기에 적합하다는 것을 확인할 수 있다.
