KR100638663B1 - 고유전상수를 갖는 세라믹/폴리머 복합체 및 내장형캐패시터용 유전체 필름 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고유전상수를 갖는 세라믹/폴리머 복합체 및 내장형 캐패시터용 유전체 필름에 관한 것으로서, 에폭시, 폴리이미드, 시아네이트 에스테르 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 주성분과, 10이상의 유전율을 가지며 200℃이상의 유리전이온도를 갖는 폴리머인 부성분을 포함하며 상기 부성분은 상기 주성분의 5wt%∼20wt%로 함유된 폴리머 메트릭스와, 전체 복합체 기준으로 30부피% 내지 50부피%의 세라믹 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전상수를 갖는 세라믹/폴리머복합체 및 이를 포함한 내장형 캐패시터용 유전체 필름을 제공한다.
내장형 캐패시터(embedded capacitor), 유전체 필름(dielectric film), 유전상수(dielectric constant)
Description
본 발명은 고유전상수를 갖는 세라믹/폴리머 복합체에 관한 것으로서, 특히 내장형 캐패시터에 적합한 고유전상수를 갖는 세라믹/폴리머 복합체와 이를 이용한 내장형 캐패시터용 유전체 필름에 관한 것이다.
최근에 전자제품의 소형화와 고주파화를 구현하기 위해서, 수동소자에 대한 관심이 높아지고 있다. 캐패시터와 같은 수동소자는 전자제품에서 요구되는 수가 많을 뿐만 아니라, 적층형 기판의 표면에 실장하는 경우에 차지하는 면적이 크므로 소형화에 큰 장애요인이 된다.특히, 전자제품의 운용주파수가 높아짐에 따라, 수동소자가 능동소자의 입력단자와 연결되는 거리에 의해 인덕턴스성분이 유발되므로 고주파 성능을 저하시키는 문제가 된다.
이러한 수동소자의 문제를 해결하는 방안으로서, 내장형 수동소자 기술이 각 광을 받고 있다. 이는 캐패시터와 같은 수동소자를 적층형 기판의 표면에 개별부품으로 실장하지 않고 다층 기판의 내부에 집적화시키는 기술을 말한다. 이러한 내장형 수동소자기술은 수동소자에 의한 점유면적을 줄일 뿐만 아니라, 접속길이를 단축시킬 수 있으므로, 전자제품의 소형화와 고주파화에 크게 기여할 수 있다.
일반적으로, 인쇄회로기판과 같은 다층기판에는 높은 가공성과 동박과의 접착성을 갖는, 에폭시수지와 같은 폴리머가 주로 사용된다. 하지만, 이러한 에폭시수지와 같은 폴리머는 낮은 유전상수를 가지므로, 내장형 수동소자의 유전체층으로 사용되는 적합하지 않다. 이러한 유전체층의 유전율을 높히기 위해서, BaTiO3분말과 같은 강유전체성 세라믹 필러(또는 "세라믹 분말"이라고도 함)이 분산된 에폭시물질을 사용하는 방법이 사용되었으나, 메트릭스인 폴리머 수지가 유전율이 매우 낮으므로, 강유전체분말을 분산시키더라도, 직렬연결된 캐패시터형태가 형성되어 전체 유전체율은 낮은 에폭시 수지의 유전율에 지배받아 효과가 미비하며, 메트릭스법칙(matrix rule)에 따르더라도 그 증가정도는 매우 작다는 문제가 있다.
미국특허 6,544,651호에서는, 금속 아세틸아세토네이트(metal acetyl-acetonate)를 첨가하여 폴리머사슬의 극성을 크게하여 유전율을 향상시키는 방법을 사용하고 있다. 다만, 실제 실험에서, 상기 방법은 다른 경화제보다는 무수물 경화제(anhydride hardner)를 사용할 때에 그 효과가 있는 것으로 확인되었다. 하지만, 무수물 경화제는 경화시간이 길다는 문제가 있으며, 유리전이온도(Tg) 등의 기판재 료로서의 특성을 열화시키는 원인이 된다.
본 발명은 상술된 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 낮은 유전상수를 갖는 기존의 폴리머를 주성분으로 하고, 상대적으로 높은 유전상수를 갖는 폴리머를 적정량 혼합하여, 폴리머 메트릭스 자체의 유전율을 향상시킴으로써 높은 유전율을 갖는 세라믹/폴리머 복합체를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 높은 유전상수를 갖는 세라믹/폴리머 복합체를 이용한 내장형 캐패시터용 유전체 필름을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,
에폭시, 폴리이미드, 시아네이트 에스테르 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 주성분과, 10이상의 유전율을 가지며 200℃이상의 유리전이온도를 갖는 폴리머인 부성분을 포함하고, 상기 부성분은 상기 주성분에 대해 5wt%∼20wt%로 함유된 폴리머 메트릭스와, 전체 복합체 기준으로 30부피% 내지 50부피%의 세라믹 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전상수를 갖는 세라믹/폴리머복합체를 제공한다.
본 발명에서는 기존의 기판 주재료인 폴리머에 적어도 10의 유전율을 갖고 200℃이상의 유리전이온도를 갖는 유전성강화용 폴리머를 5wt% 내지 20wt%를 혼합함으로써 유전상수를 향상시킬 수 있다. 유전성 강화용 폴리머가 5wt%미만일 때는 유전상수의 향상효과가 미비하며, 20%를 초과하면, 박리강도(peel strength)가 낮아지므로, 5wt%∼20wt%범위로 혼합하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 주성분인 폴리머는 에폭시일 수 있으며, 이 경우에, 상기 부성분인 폴리머는 폴리디아크릴레이트계 폴리머 또는 폴리 비닐리덴 플루로이드계 폴리머인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 폴리디아크릴레이트계 폴리머는 폴리 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)일 수 있으며, 이와 달리, 상기 폴리 비닐리덴 플루로이드계 폴리머는, 헥사플루로프로펜(HFP) 및 트리플루로클로로에틸렌(TrFClE)으로부터 선택된 1 또는 2종의 폴리머와 비닐리덴 폴리플로라이드의 공중합체 또는 삼중합체일 수도 있다. 즉, 비닐리덴 디플루로에틸렌(PVF2) 및 비닐리덴 트리플루로에틸렌(PVF3)으로부터 선택된 비닐리덴 폴리플로라이드와, 헥사플루로프로펜(HFP) 및/또는 트리플루로클로로에틸렌(TrFClE)를 혼합한 공중합체 또는 삼중합체를 사용할 수도 있다.
바람직하게는, 상기 세라믹 필러는 BaTiO3분말과 같은 강유전성 세라믹 물질일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서는, 에폭시, 폴리이미드, 시아네이트 에스테르 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 주성분과, 10이상의 유전율을 가지며 200℃이상의 유리전이온도를 갖는 폴리머인 부성분를 포함하며, 상기 부성분은 상기 주성분의 5wt%∼20wt%함유된 폴리머 메트릭스와, 전체 복합체 기준으로 30부피% 내지 50부피%의 세라믹 필러와, 경화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전상수를 갖는 것을 특징으로 하는 내장형 캐패시터용 유전체 필름을 제공한다.
본 발명의 주요한 특징은 기판재료로서의 특성(박리강도, 유리전이온도)을 저하시키지 않는 범위에서 폴리머 메트릭스 자체의 유전율을 개선함으로써 세라믹 필러 첨가시의 유전율 향상 효과를 극대화시키는데 있다.
이하, 본 발명의 작용과 효과를 바람직한 실시예를 통해서 보다 상세히 설명하기로 한다.
(실시예1)
본 실시예에서는 에폭시 수지에 폴리 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)를 5wt%, 10wt%, 15%, 20wt%, 25wt%를 측량하여 각각 첨가함으로써 6개의 폴리머 복합체를 마련하였다.
얻어진 각 폴리머 복합체에 대해 1㎑에서 유전율을 측정하였으며, 박리강도 를 측정하여 기존 에폭시 수지만을 사용한 경우보다 5%이상으로 강도가 저하되는 경우에는 박리강도에 대해 불량으로 평가하였다. 그 결과를 아래의 표1에 나타내었다.
| 첨가량(wt%) | 유전율 | 박리강도 평가 |
| 5 | 4.15 | 0 |
| 10 | 4.32 | 0 |
| 15 | 4.49 | 0 |
| 20 | 4.66 | 0 |
| 25 | 4.72 | X |
상기한 표1과 같이, PEGDA를 5wt%로 첨가한 경우에, 기존의 에폭시만의 유전상수(3.92)에 비해 약 6%의 유전율 향상효과를 나타내었으며, PEGDA의 첨가량을 증가시킴에 따라, 각각 10%, 15%, 19% 및 21%의 유전율상승효과를 나타냈었다. 다만, 25wt%를 첨가하는 예와 같이, 접착강도가 약해져 박리강도가 저하되므로, 기판재료로서의 폴리머로서 적합하지 않은 것으로 확인되었다.
본 실시예에서 확인된 바와 같이, PEGDA를 적정량으로 첨가함으로써 기판재료의 메트릭스성분자체의 유전율을 6 내지 19%까지 향상시킬 수 있다. 이러한 효과는 다른 고유전상수의 필러 등을 첨가할 경우에 낮은 유전상수의 물질(종래의 에폭시수지)에 지배를 받는다는 점을 고려할 때에, 실제 적용시에 높은 유전상수효과를 유발할 수 있다는 것을 기대할 수 있다.
(실시예2)
본 실시예에서 유전성강화 폴리머로 비닐리덴 폴리플루로이드계 폴리머를 사용하기 위해서, 폴리 비닐리덴 디플루로이드(PVF2) 40wt%와 폴리(비닐리덴 디플루로이드(VF2)/ 비닐리덴 트리플루로이드(VF3)) 60%의 공중합체를 마련하였다. 상기 비닐리덴 폴리플루로이드계 공중합체를 에폭시 수지에 5wt%, 10wt%, 15%, 20wt%, 25wt%를 측량하여 각각 첨가함으로써 6개의 폴리머 복합체를 마련하였다.
실시예1과 동일한 조건에서, 각 폴리머 복합체에 대해 1㎑에서 유전율을 측정하였으며, 박리강도를 측정하여 기존 에폭시 수지만을 사용한 경우보다 5%이상으로 강도가 저하되는 경우에는 박리강도에 대해 불량으로 평가하였다. 그 결과를 아래의 표2에 나타내었다.
| 첨가량(wt%) | 유전율 | 박리강도 평가 |
| 5 | 4.27 | 0 |
| 10 | 4.57 | 0 |
| 15 | 4.88 | 0 |
| 20 | 5.22 | 0 |
| 25 | 5.47 | X |
상기한 표2과 같이, 상기한 PVF계 공중합체를 5wt%로 첨가한 경우에, 기존의 에폭시만의 유전상수(3.92)에 비해 약 9%의 유전율 향상효과를 나타내었으며, 그 첨가량을 증가시킴에 따라, 각각 17%, 24%, 33% 및 40%의 유전율상승효과를 나타냈었다. 다만, 25wt%를 첨가하는 예와 같이, 접착강도가 약해져 박리강도가 저하되므 로, 기판재료로서의 폴리머로서 적합하지 않은 것으로 확인되었다.
(실시예3)
본 실시예에서, 유전성강화 폴리머로서 사용된 비닐리덴 폴리플루로이드계 폴리머는 비닐리덴 폴리(2-,3-)플루로이드, 헥사플루로프로펜(HFP), 트리플루로클로로에틸렌(TrFCE)를 적절히 혼합하여 마련하였다. 구체적으로 본 실시예에 사용된 비닐리덴 폴리플루로이드계 폴리머는 P(VF3(35%)-VF2(60%)-HFP(5%))의 삼중합체와 P(VF3(35%)-VF2(60%)-TrFCIE(5%))의 삼중합체를 각각 30wt%, 70wt%를 혼합한 폴리머복합체였다.
이러한 폴리머복합체를 에폭시 수지에 5wt%, 10wt%, 15%, 20wt%, 25wt%를 측량하여 각각 첨가함으로써 6개의 폴리머 복합체를 마련하였다.
얻어진 각 폴리머 복합체에 대해 1㎑에서 유전율을 측정하였으며, 박리강도를 측정하여 기존 에폭시 수지만을 사용한 경우보다 5%이상으로 강도가 저하되는 경우에는 박리강도에 대해 불량으로 평가하였다. 그 결과를 아래의 표3에 나타내었다.
| 첨가량(wt%) | 유전율 | 박리강도 평가 |
| 5 | 4.37 | 0 |
| 10 | 4.77 | 0 |
| 15 | 5.21 | 0 |
| 20 | 5.69 | 0 |
| 25 | 6.02 | X |
상기한 표3과 같이, 유전성강화용 폴리머를 5wt%로 첨가한 경우에, 기존의 에폭시만의 유전상수(3.92)에 비해 약 11%의 유전율 향상효과를 나타내었으며, 그 첨가량을 증가시킴에 따라, 각각 27%, 33%, 45% 및 53%의 유전율상승효과를 나타냈었다. 다만, 25wt%를 첨가하는 예와 같이, 접착강도가 약해져 박리강도가 저하되므로, 기판재료로서의 폴리머로서 적합하지 않은 것으로 확인되었다.
상기한 실시예2 및 실시예3에서 확인된 바와 같이, 폴리 비닐리덴 폴리머계 공중합체 또는 삼중합체(혼합물)를 적정량으로 첨가함으로써 박리강도의 저하없이 기판재료의 메트릭스성분자체의 유전율을 9 내지 45%까지 향상시킬 수 있다. 이러한 효과는 다른 고유전상수의 필러 등을 첨가할 경우에 낮은 유전상수의 물질(종래의 에폭시수지)에 지배를 받는다는 점을 고려할 때에, 실제 적용시에 보다 높은 유전상수효과를 기대할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
상기한 실시예와 같은 본 발명에 따라 유전성 강화 폴리머가 적정량 첨가된 폴리머메트릭스는 강유전성을 갖는 세라믹필러와 혼합되어 높은 유전성을 갖는 세라믹/폴리머 복합체를 제공할 수 있다. 이 경우에, 세라믹 필러의 첨가량은 전체 복합체 기준으로 약 30% 내지 약 50%로 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 세라믹/폴리머복합체에 소정의 경화제를 적절히 추가함으로써 높은 유전상수를 갖는 내장형 캐패시터용 유전체 필름을 얻을 수 있다. 물론, 상기 내장형 캐패시터용 유전체 필름에는 추가적으로 고유전율의 필러를 추가적으로 첨가시킬 수 있으며, 폴리머 메트릭스의 유전상수가 높으므로, 필러에 의한 유전상수 증가효과를 보다 획기적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 내장형 캐패시터용 유전체 필름에 주로 사용된 저유전율의 폴리머를 메트릭스에 기판재료로서의 특성(박리강도, 유리전이온도)을 저하시키지 않는 범위에서 유전성 강화 폴리머를 추가로 첨가시킴으로써 폴리머 메트릭스 자체의 유전율을 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 세라믹 필러 첨가시에 유전율 상승효과를 극대화시킬 수 있다.
Claims (12)
- 에폭시, 폴리이미드, 시아네이트 에스테르 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 폴리머인 주성분과, 10이상의 유전율을 가지며 200℃이상의 유리전이온도를 갖는 폴리머인 부성분을 포함하고, 상기 부성분은 상기 주성분의 5wt%∼20wt%함유된 폴리머 메트릭스; 및,전체 복합체 기준으로 30부피% 내지 50부피%의 세라믹 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹과 폴리머의 복합체.
- 제1항에 있어서,상기 주성분인 폴리머는 에폭시인 것을 특징으로 하는 세라믹과 폴리머의 복합체.
- 제2항에 있어서,상기 부성분인 폴리머는 폴리디아크릴레이트계 폴리머 또는 폴리 비닐리덴 플루로이드계 폴리머인 것을 특징으로 하는 세라믹과 폴리머의 복합체.
- 제3항에 있어서,상기 폴리디아크릴레이트계 폴리머는 폴리 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)인 것을 특징으로 하는 세라믹과 폴리머의 복합체.
- 제3항에 있어서,상기 폴리 비닐리덴 플루로이드계 폴리머는,헥사플루로프로펜(HFP) 및 트리플루로클로로에틸렌(TrFCIE)으로부터 선택된 1종 또는 2종의 폴리머와 비닐리덴 폴리플로라이드의 공중합체 또는 삼중합체인 것을 특징으로 하는 세라믹과 폴리머의 복합체.
- 제1항에 있어서,상기 세라믹 필러는 강유전성 세라믹 물질인 것을 특징으로 하는 세라믹과 폴리머의 복합체.
- 에폭시, 폴리이미드, 시아네이트 에스테르 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 주성분과, 10이상의 유전율을 가지며 200℃이상의 유리전이온도를 갖는 폴리머인 부성분과 경화제를 포함하며, 상기 부성분은 상기 주성분의 5wt%∼20wt%로 함유된 폴리머 메트릭스;전체 복합체 기준으로 30부피% 내지 50부피%의 세라믹 필러; 및, 경화제를 포함하는 것을 특징으로 하는 내장형 캐패시터용 유전체 필름.
- 제7항에 있어서,상기 주성분인 폴리머는 에폭시인 것을 특징으로 하는 내장형 캐패시터용 유 전체 필름.
- 제8항에 있어서,상기 부성분인 폴리머는 폴리디아크릴레이트계 폴리머 또는 폴리 비닐리덴 플루로이드계 폴리머인 것을 특징으로 하는 내장형 캐패시터용 유전체 필름.
- 제9항에 있어서,상기 폴리디아크릴레이트계 폴리머는 폴리 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(PEGDA)인 것을 특징으로 하는 내장형 캐패시터용 유전체 필름.
- 제9항에 있어서,상기 폴리 비닐리덴 플루로이드계 폴리머는,헥사플루로프로펜(HFP) 및 트리플루로클로로에틸렌(TrFCIE)으로부터 선택된 1종 또는 2종의 폴리머와 비닐리덴 폴리플로라이드의 공중합체 또는 삼중합체인 것을 특징으로 하는 내장형 캐패시터용 유전체 필름.
- 제7항에 있어서,상기 세라믹 필러는 강유전성 세라믹 물질인 것을 특징으로 하는 내장형 캐패시터용 유전체 필름.
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