PDMS란 무엇인가?

PDMS란 무엇인가?

 

PDMS란 무엇인가요?

 

PDMS란 Polydimethylsiloxane, 또는 dimethylpolysiloxane라고 불리는 유기규소 화합물로 화학식은 CH₃[Si(CH₃)₂O]_nOSi(CH₃)₃로 표현됩니다. 가장 간단한 형태이면서도 가장 널리 사용되는 규소계 고분자로, 우리가 흔히 이야기하는 '실리콘(Silicone)'이 바로 이 물질을 지칭합니다. PDMS는 투명하면서도 독성이 낮고 불연성이기 때문에 일상 생활뿐 아니라 산업적으로도 널리 사용되는 중요한 물질입니다.

 

 

실리콘(Silicone)이란 무엇인가?

 

PDMS의 화학구조

 

PDMS는 Muller-Rochow 반응에 의해 고순도 실리카(SiO₂)와 CH₂Cl₂의 반응에서 생성되는 Me₂SiCl₂를 가수분해하여 제조합니다. 이렇게 만들어진 물질은 1901년 화학자 F.S. Kipping이 Silicone이라 명명하며 '실리콘(Silicone)'이라는 이름으로 통용되기 시작하였습니다.

 

nSi(CH₃)₂Cl₂ + (n+1)H₂O -> HO[-Si(CH₃)₂O-]_nH + 2nHCl

 

PDMS의 용도

 

PDMS의 물성은 PDMS의 분자량, 가교도, 표면특성 등에 의해 좌우됩니다. 저분자량의 PDMS는 액체와 같이 행동하기 때문에 윤활유, 소포제나 유압장치의 유체로 사용됩니다. 특히 샴푸 또는 콘돔의 윤활제로 광범위하게 사용되는 친숙한 물일입니다. 또한 과거에는 성형수술의 보형물로도 널리 사용되었으나 현재는 이보다 더 생체 적합성이 우수한 소재가 개발되어 예전만큼 많이 사용되지는 않습니다.

 

고분자량의 PDMS는 우리가 흔히 알고있는 말랑말랑하고 투명한 고무와 같은 특성을 가집니다. 이로 인해 접착이나 제품의 유지보수를 위한 실란트나 코크(caulk)로 널리 사용됩니다. 고분자량의 PDMS는 산업적으로도 널리 사용되는데, 특히 반도체 또는 바이오 미세전기전자시스템(Bio-MEMS)의 핵심 공정인 소프트 리소그래피 공정에도 사용됩니다.

 

PDMS 제품 중 하나인 Sygard 184

 

PDMS의 물리적, 화학적 특성

 

PDMS는 대표적인 점탄성(viscoelastic) 특성을 보이는 재료로, 고온에서는 꿀과 같이 높은 점성을 가지는 액체처럼 행동하지만 저온에서는 고무와 같은 탄성을 가지는 고체처럼 행동합니다. 이러한 점탄성 거동은 비결정성 폴리머 재료에서 흔히 관찰되는 특성입니다. 또한, PDMS에 응력을 가한 후 다시 제거하면 변형된 형태가 바로 원래대로 돌아오는 것이 아니라 천천히 회복되는데, 이러한 탄성 변형의 거동은 PDMS 중합체의 긴 사슬에 의해 나타나는 현상입니다. 다만 PDMS를 중합하는 과정에서 cross-link, 즉 가교가 되어있지 않다면 원래의 형태로 복원되지 않는 소성 변형(plastic deformation)이 일어나게 됩니다. 다만 대부분 PDMS를 만들때에는 경화제를 첨가하며, 이 경화제가 PDMS 단량체들을 경화시키기 때문에 대부분의 PDMS는 항상 고무처럼 변형이 일어나도 다시 원래의 형태로 돌아올 수 있게 됩니다.

 

PDMS는 표면개질을 통해 다양한 특성을 가지게 만들 수 있습니다. 일반적으로 PDMS는 소수성(hydrophobic) 표면을 가지며 특히 고체 상태의 PDMS는 수분 또는 수용성 용매가 침투하지 못하게 합니다. 따라서 만약 물이나 알코올과 같은 용매와 함께 사용하여도 팽윤과 같은 수분에 의한 변형을 막을 수 있습니다. 하지만 PDMS의 표면에 플라즈마 처리와 같은 추가적인 공정을 통해 PDMS 표면에 존재하는 실라놀(silanol, Si-OH)기를 추가하면 친수성(hydrophilic)으로 만들 수 있습니다.

 

실리콘의 독성과 유해성

 

참고

 

1. Molecular of the Week Archive - Polydimethylsiloxane