Controlled emulsion polymerization provides a well-defined and scalable route for synthesizing polystyrene (PS) submicron and nanoparticle dispersions with narrow size distributions. Owing to its ability to achieve high particle uniformity, tunable size control through thermodynamic and kinetic parameters, and compatibility with large-scale production, this technique has been extensively employed in both academic and industrial research. Nevertheless, conventional emulsion polymerization faces inherent limitations in producing micron-sized particles with a high degree of monodispersity, as particle growth is typically confined to the submicron regime. In this study, we systematically investigate the relationship between particle size distribution and key reaction parameters, including polymerization rate and initiator concentration, in emulsion polymerization. By invoking collision theory, we establish a quantitative correlation between particle size, initiator concentration, and reaction temperature, elucidating how these parameters govern nucleation, growth, and aggregation processes. Based on these insights, we develop a robust and systematic synthesis strategy that enables precise control over particle size across the 1–100 μm range by thermodynamically regulating nucleation, condensation, and particle–particle aggregation. Using this approach, we successfully demonstrate the targeted synthesis of monodisperse PS particles with diameters approaching ~100 μm.

에멀젼 중합은 좁은 입도 분포를 갖는 폴리스티렌(PS) 서브마이크론 및 나노입자 분산체를 대량 합성하는 데에 활용된다. 높은 입자 균일성을 확보할 수 있고, 열역학적·동역학적 변수 조절을 통해 입자 크기를 조정할 수 있으며, 대량 생산 공정과의 호환성이 뛰어나다는 장점으로 인해 에멀젼 중합은 학계와 산업계 모두 폭넓게 활용되어 왔다. 그러나 기존의 에멀젼 중합은 입자 성장이 일반적으로 서브마이크론 영역에 제한되기 때문에, 높은 단분산성을 유지한 마이크론 크기 입자를 제조하는 데에는 본질적인 한계를 지닌다. 본 연구에서는 에멀젼 중합 과정에서 입자 크기 분포와 주요 반응 변수(중합 속도 및 개시제 농도 등) 간의 관계를 체계적으로 살펴보았다. 또한 충돌 이론(collision theory)을 적용하여 입자 크기, 개시제 농도, 반응 온도 사이의 정량적 상관관계를 도출하고, 이러한 변수들이 입자 합성의 핵생성(nucleation), 성장(growth), 응집(aggregation) 과정에 어떻게 작용하는지를 규명하였다. 이를 바탕으로 핵생성, 응축(condensation), 입자 간 응집을 열역학적으로 제어함으로써 1–100 μm 범위에서 입자 크기를 정밀하게 조절할 수 있게 되었다. 또한, 이 방법을 활용하여 직경이 약 100 μm에 근접하는 단분산 폴리스티렌 입자의 합성에 성공하였다.

Keywords: emulsion polymerization, particle size distribution, initiator, thermodynamics, aggregation.