In-situ 에멀전 중합법을 이용한 실리콘 입자의 효율적 표면 개질 및 복합화 연구 = A Study on Efficient Surface Modification and Composite Formation of Silicon Particles Using In-situ Emulsion Polymerization

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 실리콘(Si) 입자의 높은 표면 자유에너지와 표면 실라놀기(Si– OH)에 기인한 응집을 완화하기 위하여, In-situ 에멀전 중합을 이용해 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 기반 흡착형 코팅층을 형성하는 표면개질 공정을 설계하고 그 효과를 평가하였다. 공정은 수계 분산상에서 과황산칼륨(K2S2O8, KPS)을 개시제로 사용하고 아크릴로니트릴(Acrylonitrile, AN)을 주입하여 자유라디칼 중합을 유도하였으며, 반응 과정에서 생성된 저분자량 PAN 사슬 또는 성장 중간체가 실리콘 산화 표면과 수소결합 및 쌍극자 상호작용 등 비공유 상호작용을 통해 흡착·정착되어 연속적인 표면층을 형성하는 것으로 해석하였다.
제조 시료의 표면층 형성은 열중량분석(Thermogravimetric Analysis, TGA) 을 통해 PAN 흡착량을 정량화하였고, FT-IR 분석으로 C≡N 신호 및 Si–O 관련 밴드 변화를 확인하여 표면 상호작용을 검증하였다. 그 결과, In-situ 개질 시료는 Ex-situ(grafting-to) 방식 대비 PAN 흡착량이 증가하였으며, 침강 거동의 지연과 재분산성 향상이 관찰되어 응집 완화 및 분산 균질화 측면에서 유의한 개선 효과를 나타내었다.
본 공정은 주 반응이 수계에서 수행되어 유기용매 사용을 저감하였고, 최종 세척 단계에서 제한적으로 유기용매를 사용하였으나 공정 구성의 단순화 및 환경부하저감 측면에서 실용적 적용 가능성을 확인하였다. 또한 제안한 In-situ 에멀전 중합 기반 흡착형 표면개질은 실리콘 입자계뿐 아니라 다양한 무기 입자의 표면 제어 및 복합화 공정으로의 확장 적용 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, an aqueous in-situ emulsion polymerization route is employed to mitigate the aggregation of silicon (Si) particles arising from their high surface energy and surface silanol groups (Si–OH). Polyacrylonitrile (PAN) is introduced as an adsorbed coating layer by initiating radical polymerization of acrylonitrile (AN) with potassium persulfate (KPS) in water (70 ℃, Ar atmosphere, 900 rpm, 2 h). During the reaction, low-molecular-weight PAN chains form in the aqueous phase and are continuously adsorbed and fixed onto the Si surface via hydrogen bonding with Si–OH groups, leading to the formation of a PAN-based adsorption layer.The characteristics of the resulting Si@PAN powders are examined by thermogravimetric analysis (TGA) to quantify the PAN uptake, and by FT-IR spectroscopy to monitor C≡N vibrations and Si–O related bands associated with surface interactions. The in-situ modified samples exhibit a significantly higher PAN adsorption amount compared with ex-situ (grafting-to) treated samples, along with delayed sedimentation and improved redispersibility, indicating effective suppression of aggregation and enhancement of dispersion homogeneity. The proposed process proceeds mainly in an aqueous medium, requiring only limited use of organic solvents in the final washing step, and is therefore advantageous in terms of process simplicity and reduced environmental burden. The in-situ emulsion polymerization-based adsorption modification strategy demonstrated here is expected to be applicable not only to silicon but also to surface control and hybridization of a wide range of inorganic particles.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적 배경 4
• 제1절 실리콘 입자 표면개질 4
• 1. 실리콘 입자의 표면 특성과 응집 거동 4
• 2. 물리적 분산 공정의 적용과 분산 상태 유지 11
• 3. 피커링 에멀전(Pickering emulsion) 정의 및 의의 13
• 4. 고분자 그래프팅(grafting)에 의한 표면개질 14
• 5. In-situ 에멀전 중합을 이용한 흡착 기반 표면개질의 원리 16
• 제3장 실리콘 입자 표면개질 실험 18
• 제1절 실험방법 18
• 1. Ex-situ 방식 (grafting to 방식) 18
• 2. In-situ emulsion polymerization 방식 22
• 3. 특성평가 26
• 제2절 실험결과 29
• 1. PAN 흡착층 형상 및 원소 분포 관찰(FE-SEM/EDS) 29
• 2. PAN 흡착층 형성 및 표면 결합 특성 확인(FT-IR) 31
• 3. PAN 흡착층 형성 보조 확인(RAMAN) 33
• 4. PAN 흡착량 정량 평가(TGA) 35
• 5. 분산 안정성 평가(중력 침강 실험) 37
• 6. 계면 흡착성 평가(Pickering emulsion stability test) 40
• 제4장 결론 44
• 참고문헌 47
• ABSTRACT 56