액체 상태의 젤이 자외선 램프 아래에서 굳는 원리는 무엇인가요?

Question

액체 상태의 젤이 자외선 램프 아래에서 굳는 원리가 무엇인지, 젤 속의 광개시제가 빛을 흡수하여 라디칼을 형성하고 이것이 아크릴레이트 단량체들의 연속적인 부가 중합 반응에 관련하여 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

젤 네일이나 산업용 젤이 자외선 램프 아래에서 순식간에 딱딱한 고체로 변하는 현상은 광중합이라는 정교한 화학 반응의 결과입니다. 젤 안에는 아직 고분자가 되지 않은 작은 단위인 아크릴레이트 단량체들과 반응의 방아쇠 역할을 하는 광개시제가 혼합되어 있습니다. 평상시 액체 상태를 유지하던 젤이 자외선 에너지를 받으면, 가장 먼저 광개시제가 특정 파장의 빛을 흡수하며 에너지가 고양된 상태가 됩니다.

​에너지를 흡수하여 불안정해진 광개시제는 분자 결합이 끊어지면서 강력한 반응성을 가진 라디칼을 형성합니다. 라디칼은 홀전자를 가지고 있어 주변의 다른 분자와 결합하려는 성질이 매우 강한데, 이들이 주변에 포진한 아크릴레이트 단량체의 이중 결합을 공격하기 시작합니다. 라디칼 공격을 받은 단량체는 이중 결합이 풀리면서 스스로가 다시 새로운 라디칼이 되어 옆에 있는 다른 단량체를 공격하는 연쇄적인 부가 중합 반응을 일으킵니다.

​이 과정은 마치 도미노가 쓰러지듯 눈깜짝할 사이에 수만 개의 단량체를 하나의 거대한 사슬 구조로 연결합니다. 액체 속에 흩어져 있던 작은 분자들이 서로 단단히 얽히며 거대한 그물망 구조의 고분자 네트워크를 형성하게 되고, 그 결과 흐물거리던 액체는 물리적으로 매우 단단한 고체로 변하게 됩니다. 결국 젤이 굳는 원리는 자외선이라는 에너지가 광개시제를 통해 화학적 신호로 변환되어, 분자들을 순식간에 한 덩어리로 묶어버리는 고속 조립 과정이라고 할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

처음에는 액체 또는 점성이 있는 젤 상태였다가 자외선 램프 아래에 두면 단단하게 굳는 것은 내부에서 일어나는 광중합 반응으로 인한 것입니다. 젤 내부에는 보통 아크릴레이트 계열의 단량체 또는 올리고머가 들어 있는데요, 이러한 분자들은 탄소-탄소 이중 결합을 가지고 있는데, 이 이중 결합이 서로 연결되면서 긴 고분자 사슬을 만들 수 있는 반응성을 가지고 있습니다. 하지만 그냥 두면 안정하게 존재하기 때문에 저절로 빠르게 굳지는 않는데요, 이 속에는 반응을 시작시키는 특수한 분자인 광개시제가 함께 들어 있습니다.

광개시제는 특정 파장의 자외선을 흡수할 수 있도록 설계된 유기 분자이며, UV 램프를 비추면 광개시제가 빛 에너지를 흡수해 전자가 높은 에너지 상태로 올라가며 들뜬 상태가 됩니다. 이 상태는 불안정하기 때문에 분자 내부 결합 일부가 끊어지거나 전자 이동이 일어나면서 매우 반응성이 큰 자유 라디칼이 생성되고, 라디칼은 짝을 이루지 않은 전자를 가지고 있어서 다른 분자와 빠르게 반응하려는 성질이 매우 강합니다. 따라서 생성된 라디칼은 아크릴레이트 단량체의 이중 결합을 공격하고, 이중 결합이 열리면서 새로운 단일 결합이 형성되고, 동시에 단량체 끝부분에 또 다른 라디칼 중심이 만들어집니다. 이때 새로 생긴 라디칼은 다시 주변의 다른 아크릴레이트 단량체의 이중 결합을 공격하게 되며, 이러한 과정이 연속적으로 반복되면서 수많은 단량체들이 서로 연결됩니다. 반응이 계속 진행되면 원래 자유롭게 움직이던 액체 상태의 작은 분자들이 점점 길고 복잡한 고분자 네트워크를 형성하게 되는데요, 특히 네일 젤처럼 다기능성 아크릴레이트가 포함된 경우에는 단순한 선형 사슬이 아니라 3차원 가교 구조까지 형성됩니다. 감사합니다.