Programming the Lifetime and Functional State of Silicone Elastomers = 실리콘 일라스토머의 UV 트리거와 불소 증폭 반응을 이용한 연쇄적 분해와 초유연, 접착성 소재로의 업사이클링

국문 초록 (Abstract)

UV-트리거 분해 물질은 하드웨어 보안을 위한 자기파괴형 소프트 로봇, 일시적 전자 시스템, 데이터 보호 장치 등과 같이 원격으로 정확한 시점에 소멸되어야 하는 소프트 시스템에서 핵심적인 기술로 부상하고 있다. UV 활성화는 공간적·시간적 제어 측면에서 큰 장점을 제공하지만, 기존의 UV 분해 시스템은 자외선 침투 깊이가 제한적이고 UV 차단 기능성 필러와의 상용성이 낮아, 벌크 전체에서 분해를 유도하기 위한 반응성 종의 생성 및 전달에 한계를 보여 왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 국소적인 UV 자극으로 시작되지만 벌크 전체로 전파되는 불소 이온 증폭 메커니즘을 통해 빠르고 완전한 on-demand 분해가 가능한 실리콘 일라스토머 복합체를 설계하였다. 광반응성 불소 발생원인 디페닐요오늄 헥사플루오로포스페이트(DPI-HFP)와 자가분해형 불소 이온 증폭 분자(FIA)를 함께 도입함으로써, UV가 조사된 표면에서 시작된 불소 이온 생성이 연쇄적인 반응 네트워크를 통해 증폭 및 전파되도록 구현하였다. 분광학적, 열적, 화학적 분석을 통해 이러한 자기촉매적 불소 이온 증폭이 UV 흡수성 자성 입자가 포함된 경우에도 실리콘 내부 전반에 걸쳐 Si–O 결합 절단을 효과적으로 유도함을 확인하였다. 해당 복합체는 기존 실리콘 일라스토머 수준의 기계적 특성을 유지하여 450% 이상의 신율과 약 60 kPa의 탄성률을 나타내었으며, 자성 필러가 33 wt% 포함된 조건에서도 60분 이내에 완전 분해를 달성하였다. 또한, 이 소재로 제작된 자성 구동 소프트 로봇은 원격 자기장 하에서 다양한 움직임을 구현한 후, UV 자극을 통해 on-demand 파괴가 가능함을 입증함으로써 보안 및 일시적 소프트 시스템으로서의 활용 가능성을 보여주었다.
이러한 분해 플랫폼을 기반으로, 후속 연구에서는 단순한 분해를 넘어서는 on-demand 기능 전이를 구현하였다. UV-트리거 분해 과정은 용매를 사용하지 않는 업사이클링 경로로 재해석되었으며, 이를 통해 절단된 실리콘 사슬이 Si–OH 및 Si–F 말단기를 갖는 하이퍼브랜치형 일라스토머 네트워크로 재구성되었다. 그 결과, 10 kPa 이하의 초저탄성률, 약 80%의 탄성 변형 구간, 그리고 고유한 자기점착 특성을 동시에 갖는 초연성 소재가 구현되었다. 친수성 Si–OH와 소수성 Si–F 작용기의 공존은 건식 및 수중 환경 모두에서 강한 접착력을 제공하며, 극히 낮은 탄성률과 높은 복원력은 박리나 기계적 불일치 없이 연성 및 동적인 생체 조직과의 밀착 결합을 가능하게 한다. 더 나아가, 본 물질은 생체적합성을 나타내어 향후 소프트 및 동적 생의학 인터페이스용 기판으로서의 잠재력을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

UV-triggered degradable materials are emerging as an essential technology for soft systems that require remote, precisely timed disappearance, including self-destructive soft robots for hardware security, transient electronic platforms, and data-protection devices. Although UV activation offers unmatched spatial and temporal selectivity, previously reported UV-degradable systems remain limited by shallow penetration depth and poor compatibility with UV-blocking fillers, which prevent the generation and transport of reactive species needed for bulk degradation. To address these limitations, a silicone elastomer composite was engineered to undergo rapid, complete, and on-demand degradation through a locally initiated yet bulk-propagating fluoride-amplification mechanism. Incorporation of a self-immolative fluoride-amplifying molecule (FIA) together with a photoresponsive fluoride generator, diphenyliodonium hexafluorophosphate (DPI-HFP), enables a cascading network of fluoride-releasing reactions triggered at the UV-exposed surface. Spectroscopic, thermal, and chemical analyses confirm that autocatalytic fluoride amplification drives efficient Si–O bond scission throughout the elastomer, even when UV-absorbing magnetic particles are embedded. The composite retains the mechanical integrity of conventional silicone elastomers, showing over 450 % elongation and a modulus near 60 kPa, and achieves full degradation within 60 minutes under UV illumination, despite containing 33 wt% magnetic fillers. A magnetically actuated soft robot fabricated from this composite demonstrates complex remote motions and on-demand destruction, highlighting the platform’s utility in secure and transient soft systems.

A subsequent development builds on this degradable platform to enable on-demand functional transition that goes beyond decomposition. The UV-triggered cleavage is repurposed as a solvent-free upcycling route that reconstructs the fragmented silicone chains into a hyper-branched elastomer with Si–OH and Si–F terminal groups. This reconfigured network yields a super-soft (< 10 kPa), elastic (≈ 80 % strain window), and intrinsically self-adhesive material. The coexistence of hydrophilic Si–OH and hydrophobic Si–F groups enables strong dry and wet adhesion, while the extremely low modulus and resilience allow conformal, fatigue-free coupling to soft and dynamically moving biological tissues without delamination or mechanical mismatch. The material exhibits biocompatibility, positioning it as a promising substrate for future soft and dynamic biomedical interfaces.

Together, these advances establish a UV-triggered fluoride-amplified degradation strategy for silicone elastomers and a complementary upcycling pathway that transforms degradation products into a mechanically compliant and adhesive biomaterial, enabling sustainable and functionally adaptive silicone systems for robotics, electronics, and biomedical technologies.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 On-demand functional transition of silicone elastomers 2
• 1.2 Demand for super-soft, elastic and self-adhesive elastomers 3
• 1.3 Controlled full-life cycle engineering of silicone elastomers 4
• Chapter 2. UV-triggered bulk cascading degradation of slicone elastomer 7
• 2.1 Motivation 8
• 2.2 Mechanism of UV-triggered cascading degradation 11
• 2.2.1 Overview of UV-triggered cascading silicone degradation
• 2.2.2 Mechanism of UV-triggered fluoride ion amplification
• 2.2.3 Effect of FIA on UV-triggered silicone elastomer degradation
• 2.3 Analytical characterization of amplification and degradation 24
• 2.3.1 Spectroscopic and chemical analysis of amplification
• 2.3.2 Rheological and spectroscopic analysis of degradation
• 2.3.3 Kinetics and thermodynamic analysis of degradation
• 2.4 Mechanical properties of FD-Ecoflex composite 43
• 2.5 UV-triggered degradation in magnetically actuated soft robots 47
• 2.6 Chapter summary 51
• Chapter 3. UV-triggered upcycling into soft, widely elastic and self-adhesive silicone-based elastomer 52
• 3.1 Motivation 53
• 3.2 Mechanism and characterisation of upcycled silicone elastomer 55
• 3.2.1 Mechanism of UV-triggered silicone elastomer upcycling
• 3.2.2 Analytic characterization of chemical structure
• 3.3 Mechanical property of upcycled silicone elastomer 70
• 3.4 Self-adhesion property of upcycled silicone elastomer 76
• 3.4.1 Mechanism and overview of self-adhesion property
• 3.4.2 Adhesion strength and reversibility analysis
• 3.4.3 Wet adhesion property of upcycled silicone elastomer
• 3.5 Biocompatibility and repositionable tissue adhesion 86
• 3.6 Chapter summary 92
• Chapter 4. Conclusion 94
• Reference 96
• Abstract in Korean 112
• Acknowledgement 114