Debondable and Degradable Pressure-Sensitive Adhesives under Various Stimuli for Sustainable Applications = 지속가능 응용을 위한 다양한 자극 기반 탈착 및 분해형 점착 소재 연구

국문 초록 (Abstract)

본 박사학위논문은 전자기기 및 전기자동차 배터리를 주요 대상으로, 고부가가치 제품의 지속가능한 분해와 수명 종료 관리가 가능한 두 가지 상보적인 점착 소재 전략을 제시한다. 현대 기술은 점점 더 소형화되고 다층화된 구조에 의존하고 있으며, 이 과정에서 점착제는 이종 재료를 결합하는 동시에 기계적 안정성, 광학적 투명성, 환경적 보호 기능을 제공하는 핵심 요소로 활용된다. 그러나 사용 중 요구되는 이러한 내구성은 수리, 재사용, 재활용 단계에서는 오히려 주요한 기술적 한계로 작용한다. 접착된 계면의 기계적 분리는 기판 손상, 점착제 잔여물 형성, 그리고 재활용 공정의 오염을 유발하는 경우가 많다. 따라서 사용 중에는 높은 신뢰성을 유지하면서도 수명 종료 시점에는 의도적으로 비활성화되거나 변환될 수 있는 점착 시스템의 설계가 요구된다.
본 연구의 첫 번째 전략은 이미다졸륨 기반 전해질을 저농도로 포함하는 아크릴계 전기 자극 반응형 점착제(Electrically Debondable Adhesive, EDA)이다. 이 전략의 목표는 높은 초기 점착력을 확보하는 동시에, 비교적 낮은 직류 전압 인가 조건에서 빠른 점착력 저하를 구현하는 것이다. 단량체 조성과 전해질 종류를 체계적으로 변화시킨 결과, 개발된 EDA는 접착 상태에서 10 N/cm를 초과하는 박리 강도를 나타내었으며, 전기 자극 인가 시 수 초 이내에 현저한 점착력 감소를 보였다. 중요한 메커니즘적 통찰로서, 탈착 거동은 벌크 이온 전도도보다는 전극 계면 인근에서의 국소적 전기화학 반응과 전극 선택적 이온 축적에 의해 지배됨을 확인하였다. 이러한 접근법의 실효성은 프리즘형 배터리 셀 하우징을 모사한 알루미늄 어셈블리 실험을 통해 검증되었으며, 하중이 가해진 조건에서도 전기 자극에 의해 깨끗한 분리가 가능함을 보였다.
두 번째 전략은 기존 아크릴 점착제가 사용 후 장기간 잔존하는 문제를 해결하기 위해, 비닐사이클로프로판(Vinylcyclopropane, VCP) 화학을 기반으로 한 분해형 점착제 플랫폼을 도입하는 것이다. VCP 단량체의 라디칼 개환 중합을 통해 고분자 주사슬 내에 절단 가능한 불포화 결합을 도입하였으며, VCP 기반 가교제를 사용하여 이러한 구조를 네트워크 접합부까지 확장하였다. 이 설계는 오존 분해를 통해 선형 사슬과 가교 네트워크 모두를 저분자 물질로 선택적으로 분해할 수 있도록 한다. 동시에 해당 점착제는 사용 중 PSA 수준의 점탄성 및 점착 성능을 유지하도록 설계되었다. 열적, 광화학적, 화학적 환경에 대한 안정성 평가를 통해, 분해가 실제 적용 환경이 아닌 수명 종료 조건에서 선택적으로 유도될 수 있음을 확인하였다.
이와 같이, 개발된 전략을 PSA에 적용함으로써, 본 연구는 효율적인 점착제의 탈착을 통한 전자기기의 성공적인 분해 혹은 점착제 자체의 분해까지 연계될 수 있는 지속가능성 지향적 경로를 확립하였다. 또한 다양한 외부 자극을 활용하여 PSA의 탈착 또는 분해를 유도할 수 있음을 입증함으로써, 자극 반응형 점착 소재 설계의 적용 범위를 확장하였다. 손상 최소화 분해를 가능하게 하고, 재활용 및 재사용 공정과의 호환성을 향상시킴으로써, 본 연구는 차세대 전자기기를 위한 지속가능 소재 솔루션의 발전에 기여한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation develops two complementary pressure- sensitive adhesive (PSA) strategies that enable sustainable disassembly and end of life management of high value products, with a particular focus on electronic devices and electric vehicle battery assemblies. As modern technologies increasingly rely on compact, multilayered architectures, adhesives play a critical role in joining dissimilar materials while providing mechanical integrity, optical clarity, and environmental protection. However, the same durability required during service creates major challenges for repair, reuse, and recycling. Mechanical separation of bonded interfaces often results in substrate damage, residue formation, and contamination of recycling streams. Addressing this challenge requires adhesive systems that maintain high reliability in use but can be deliberately deactivated or transformed at end of life.
The first strategy explored in this work is an electrically debondable pressure sensitive adhesive (EDA) based on conventional acrylic PSA matrices containing low concentrations of imidazolium-based electrolytes. The objective is to achieve strong initial adhesion while enabling rapid, voltage triggered adhesion loss under moderate direct current bias. Through systematic variation of monomer composition and electrolyte identity, the developed EDA exhibits peel strengths exceeding 10 N/cm in the bonded state and undergo pronounced adhesion reduction within seconds upon electrical activation. A central mechanistic insight is that debonding behavior is governed by localized interfacial electrochemical reactions and electrode selective ion accumulation, rather than by bulk ionic conductivity alone. The feasibility of this approach is validated on aluminum assemblies representative of prismatic battery cell housings, where electrically triggered separation enables clean release under load bearing conditions.
The second strategy addresses the long-term persistence of acrylic adhesives by introducing a degradable PSA platform based on vinylcyclopropane (VCP) chemistry. Radical ring opening polymerization of VCP monomers installs cleavable unsaturated bonds along the polymer backbone, while VCP derived crosslinkers extend these motifs to network junctions. This design enables controlled fragmentation of both linear chains and crosslinked networks into low molecular weight products through ozonolysis. Importantly, the adhesives are engineered to retain PSA grade viscoelasticity and adhesion during service. Their stability under thermal, photochemical, and chemical exposures relevant to practical applications confirms that degradation can be reserved for designated end of life conditions.
By applying the developed strategies to PSA, this study establishes a sustainability-oriented pathway that enables successful electronic device disassembly and degradation of PSA materials. The results broaden the scope of stimuli responsive PSA design by demonstrating that diverse external triggers can be leveraged to induce debonding or degradation. By enabling damage mitigated separation, and improving compatibility with recycling and reuse workflows, this work advances sustainable materials solutions for next generation electronics.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Study Background
• 1.2. Purpose of Research
• Chapter 2. Electrically Debondable Pressure-Sensitive Adhesive with High Adhesion and Fast Release at Low Ionic Liquid Concentration for Sustainable Disassembly 4
• 2.1. Introduction
• 2.2. Experimental sections
• 2.2.1. Materials
• 2.2.2. General experimental procedures
• 2.2.3. Characterization of electrically debondable
• adhesives
• 2.3. Results and Discussion
• 2.3.1. System design
• 2.3.2. Formulation optimization for high adhesion
• 2.3.3. Fast cathode debonding using BMIM+
• 2.3.4. Rheological properties of electrically debondable
• PSA
• 2.3.5. Debonding behavior using LiTFSI
• 2.3.6. Ionic conductivity and mechanistic analysis
• 2.3.7. Application to electric vehicle battery
• disassembly
• 2.4. Conclusion
• Chapter 3. Degradable Adhesives as Sustainable Alternatives to Acrylics via Ring-Opening Radical Polymerization of Vinylcyclopropanes 37
• 3.1. Introduction
• 3.2 Experimental sections
• 3.2.1. Materials
• 3.2.2. General experimental procedures
• 3.2.3. Synthesis of VCP-based monomers and
• crosslinker
• 3.2.4. Characterization of VCP-based polymer and
• synthesized adhesives
• 3.2.5. Procedure of polymer degradation (ozonolysis)
• 3.3. Results and Discussion
• 3.3.1. System design
• 3.3.2. Radical ring opening polymerization of BuVCP
• 3.3.3. Degradation of linear VCP polymers through
• ozonolyis
• 3.3.4. Preparation of PSA
• 3.3.5. Properties of prepared PSA
• 3.3.6. Preparation of various PSAs and their properties
• 3.4. Conclusion
• Chapter 4. Conclusion of the dissertation 75
• References 77
• Abstract in Korean 88