JP2008074699A - Method for manufacturing high dielectric-constant inorganic/organic hybrid film containing crystalline barium titanate nanoparticle - Google Patents

Method for manufacturing high dielectric-constant inorganic/organic hybrid film containing crystalline barium titanate nanoparticle Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a high dielectric-constant inorganic/organic hybrid containing crystalline barium titanate nanoparticles, and to provide an inorganic/organic barium titanate hybrid manufactured by the method and a high dielectric film having flexibility. <P>SOLUTION: A step of manufacturing a medium for the inorganic/organic hybrid through a hydrolysis reaction of a silane compound by adding acid and an ion-exchanged water to the silane compound, a step of dispersing the crystalline barium titanate nanoparticle manufactured by another method to the manufactured medium and a step of forming an inorganic/organic hybrid coating film wherein the barium titanate is dispersed by applying the medium on a flexible substrate and curing by heat or optical energy after drying are included. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は高誘電率を有する無/有機ハイブリッドの製造方法、及びこれから製造された無/有機ハイブリッドに関するものであって、より詳しくは埋め込みキャパシターで使用が期待される結晶性のチタン酸バリウムナノ粒子を含む無/有機ハイブリッドの製造方法、及びこれから製造された無/有機ハイブリッドに関するものである。   The present invention relates to a method for producing a non-organic hybrid having a high dielectric constant, and a non-organic hybrid produced therefrom, and more specifically, crystalline barium titanate nanoparticles expected to be used in embedded capacitors The present invention relates to a method for producing a non-organic hybrid containing a non-organic hybrid and a non-organic hybrid produced therefrom.

埋め込みキャパシター(embedded capacitor)は、従来の表面実装形(surface Mounting)の単一キャパシター(discrete capacitor)からアセンブリの費用を低めて電気的性能を向上させるために開発されている。柔軟性基板に埋め込みキャパシターを製造するためには誘電常数の値が高ながら低い静電容量(capacitance)許容値(tolerance)を有し、有機物基板にコーティング性とコーティング膜の柔軟性及び加工性に優れながら製造費用が低い素材が要求されている。   Embedded capacitors have been developed to reduce assembly costs and improve electrical performance from traditional surface mounting single capacitors. In order to manufacture a capacitor embedded in a flexible substrate, the dielectric constant has a high capacitance value and a low capacitance tolerance, which makes it possible to coat organic substrates with flexibility and processability. There is a demand for materials that are superior but have low manufacturing costs.

最近、無/有機ハイブリッド材料は高い誘電常数を有する無機粒子と柔軟性及び加工性に優れる有機成分の結合が可能であって有機基板を用いた電子回路用埋め込みキャパシター材料として関心が高まっている。特に、高誘電率を有するチタン酸バリウムと高分子を用いたナノ複合体を製造する様々な方法が試みられている。チタン酸バリウム−高分子複合体の誘電率を高めるためにはできる限り多量のチタン酸バリウムを高分子に陥入させることが必要であるが、無機物のチタン酸バリウムと有機物の高分子との間の界面エネルギーの大きな差によって均一性に優れる複合体を製造するには非常に難しく、なお複合体の加工性と柔軟性が低いという問題点が生じる。従って、高分子の媒質内にチタン酸バリウムのような高誘電無機物をその場(in-situ)で生成させる研究が一部試みられているものの、有機高分子は熱的安定性が低いから熱エネルギーを与えて結晶性に優れる高誘電無機粒子を生成させるには限界があり且つ低価で製造することは非常に難しい(T. Yogo、T. Yamamoto、W. Sakamoto、S-I Hirano, J. Mater. Res., 2004, 19, 3290)。従って、先ず結晶性の高誘電チタン酸バリウムナノ粒子を製造した後、有機ポリマー媒質に高濃度で分散混合し無/有機複合素材を製造する試みがなされている(H. Hsiang、K. -Y. Lin、F. -S. Yen、C. -Y. Hwang、J. Mater. Sci., 2001, 36, 3809;Y. Rao and C. P. Wong、J. Appl. Polym. Sci., 2004, 92, 2228)。しかし、この方法から製造した高分子複合体はチタン酸バリウムを60体積%以上陥入させても誘電率が60以下で低く、チタン酸バリウムを60体積%以上高分子に陥入させると高分子の有する長所、即ち柔軟性と加工性を殆ど失ってしまうという問題点がある。   Recently, non / organic hybrid materials are capable of combining inorganic particles having a high dielectric constant with organic components having excellent flexibility and processability, and are attracting attention as embedded capacitor materials for electronic circuits using organic substrates. In particular, various methods for producing nanocomposites using barium titanate having a high dielectric constant and a polymer have been tried. In order to increase the dielectric constant of barium titanate-polymer composites, it is necessary to insert as much barium titanate as possible into the polymer, but between the inorganic barium titanate and the organic polymer. Due to the large difference in the interfacial energy, it is very difficult to produce a composite having excellent uniformity, and the processability and flexibility of the composite are low. Therefore, although some attempts have been made to generate high-dielectric inorganic substances such as barium titanate in the polymer medium in-situ, organic polymers have low thermal stability and thus are There is a limit to producing high dielectric inorganic particles with excellent crystallinity by applying energy, and it is very difficult to manufacture at low prices (T. Yogo, T. Yamamoto, W. Sakamoto, SI Hirano, J. Mater Res., 2004, 19, 3290). Therefore, after first producing crystalline high dielectric barium titanate nanoparticles, attempts have been made to produce a non-organic composite material by dispersing and mixing in an organic polymer medium at a high concentration (H. Hsiang, K. -Y Lin, F. -S. Yen, C. -Y. Hwang, J. Mater. Sci., 2001, 36, 3809; Y. Rao and CP Wong, J. Appl. Polym. Sci., 2004, 92, 2228). However, the polymer composite produced by this method has a low dielectric constant of 60 or less even when barium titanate is intruded in an amount of 60% by volume or more. There is a problem that most of the advantages, ie, flexibility and workability are lost.

現在の電子部品の技術的要求及びチタン酸バリウムに基づいたナノ粒子に対する要求が増加していることを考えると、無機粒子の有機物媒質としての高い分散性と柔軟性及び加工性は最も重要に考えなければならない。   Considering the current technical requirements for electronic components and the increasing demand for nanoparticles based on barium titanate, the high dispersibility, flexibility and processability of inorganic particles as organic media are of paramount importance. There must be.

このような問題点を克服するための試みの中で、第一として適合した有機媒質を選ぶことであって、エポキシ及び/またはX7Rを有機媒質で使用する技術が報告された(D. H. Kuo、C. -C. Chang、T. -Y. Su、W. -K. Wang、B. -Y. Lin、J. Eur. Ceram. Soc. 21(2001) 1171;D. H. Kuo、C. -C. Chang、T. -Y. Su、W. -K. Wang、B. -Y. Lin、Mater. Chem. Phys.85 (2004) 20)。しかし、このような方法は高い硬化(curing)温度が要求される短所がある。二番目としては結晶性チタン酸バリウムナノ粒子の有機媒質に対する分散性を向上させるためにナノ粒子の表面を有機添加剤を使用して改質する方法(Z.G. Shen、J.F. Chen、H.K. Zou、J. Yun、J. Colloid Interf. Sci.275 (2004) 158;X. Wu、L. Zou、S. Yang、D. Wang、J. Colloid Interf. Sci.239 (2001) 369;P.D. Cozzoli、A. Kornowski、H. Weller、J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 14539)、Ba-Ti-アルコキシド前駆体を用いて単分散されたチタン酸バリウムを製造する方法(S. O'Brien、L. Brus、C.B. Murray、J. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 1208)などの多様な試みがあったが、分散性及び誘電率の面からさらに改善する必要がある。   In an attempt to overcome such problems, a technique using epoxy and / or X7R in an organic medium has been reported (DH Kuo, C). -C. Chang, T. -Y. Su, W. -K. Wang, B. -Y. Lin, J. Eur. Ceram. Soc. 21 (2001) 1171; DH Kuo, C. -C. Chang T. -Y. Su, W. -K. Wang, B. -Y. Lin, Mater. Chem. Phys. 85 (2004) 20). However, such a method has a disadvantage that a high curing temperature is required. Second, to improve the dispersibility of crystalline barium titanate nanoparticles in organic media, the surface of the nanoparticles is modified with organic additives (ZG Shen, JF Chen, HK Zou, J. Yun, J. Colloid Interf. Sci. 275 (2004) 158; X. Wu, L. Zou, S. Yang, D. Wang, J. Colloid Interf. Sci. 239 (2001) 369; PD Cozzoli, A. Kornowski H. Weller, J. Am. Chem. Soc. 125 (2003) 14539), a method for producing monodispersed barium titanate using a Ba-Ti-alkoxide precursor (S. O'Brien, L. There have been various attempts such as Brus, CB Murray, J. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 1208), but further improvement is necessary in terms of dispersibility and dielectric constant.

従って、本発明は既存の知られた方法に比べて相対的に結晶性チタン酸バリウムナノ粒子の含量が最も少なく、高い誘電率を有する無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを製造する方法を提供することに目的があり、より詳しくは有機溶媒に対する高い分散性を有する結晶型チタン酸バリウムナノ粒子と、前記チタン酸バリウムナノ粒子と表面親和力に優れるシラン系化合物を媒質として使用し、結晶性チタン酸バリウムが媒質上に均一に分散された無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法を提供することにその目的がある。   Accordingly, the present invention provides a method for producing a barium / organic barium titanate hybrid having a relatively low content of crystalline barium titanate nanoparticles and having a high dielectric constant compared to existing known methods. More specifically, crystalline barium titanate nanoparticles having a high dispersibility in an organic solvent, and a silane compound having excellent surface affinity with the barium titanate nanoparticles are used as a medium. It is an object of the present invention to provide a method for producing a no-organic barium titanate hybrid in which is uniformly dispersed on a medium.

なお、本発明のもう一つの目的は、前記製造方法によって製造された無/有機チタン酸バリウムハイブリッド、及びこれをコーティング、乾燥及び硬化して製造した柔軟性及び誘電特性に優れる無/有機チタン酸バリウムハイブリッド誘電体フィルムを提供することにある。   Another object of the present invention is a no / organic barium titanate hybrid produced by the above production method, and a no / organic titanate excellent in flexibility and dielectric properties produced by coating, drying and curing the same. The object is to provide a barium hybrid dielectric film.

本発明は無/有機チタン酸バリウムハイブリッド(hybrid)の製造方法、それより製造された無/有機チタン酸バリウムハイブリッド誘電体フィルムに関するものである。   The present invention relates to a method for producing a no / organic barium titanate hybrid and a no / organic barium titanate hybrid dielectric film produced therefrom.

本発明による無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法は下記の段階を含めてなる。
1)下記化学式1で表される1種以上のシラン化合物溶液に酸を添加し加熱して無/有機ハイブリッド用媒質を製造する段階;及び
2)前記無/有機ハイブリッド用媒質に結晶性チタン酸バリウムナノ粒子を分散して無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを製造する段階;と
を含む無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。
<化学式1>
(R1)nSi(OR2)4-n
(式中、nは1乃至3の整数であり;R1はビニル基または反応性基を有する炭素数1乃至10のアルキル基であり、前記反応性基は(メタ)アクリレート基、ビニル基またはエポキシ基であり、前記アルキル基はN、OまたはSから選ばれる複素原子を含み;R2は炭素数1乃至5のアルキルまたはアルケニルである。)
The method for producing a no / organic barium titanate hybrid according to the present invention includes the following steps.
1) A step of adding an acid to one or more silane compound solutions represented by the following chemical formula 1 and heating to produce a medium for no / organic hybrid; and 2) crystalline titanic acid in the medium for no / organic hybrid; A method for producing a no / organic barium titanate hybrid comprising: dispersing barium nanoparticles to produce a no / organic barium titanate hybrid;
<Chemical Formula 1>
(R 1 ) n Si (OR 2 ) 4-n
Wherein n is an integer of 1 to 3; R 1 is a vinyl group or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms having a reactive group, and the reactive group is a (meth) acrylate group, a vinyl group or An epoxy group, wherein the alkyl group contains a heteroatom selected from N, O or S; R 2 is alkyl or alkenyl having 1 to 5 carbon atoms.)

前記1)段階は加水分解触媒として使用された酸を溶媒抽出法で取り除き、溶媒を減圧蒸留して無/有機ハイブリッド用媒質を収得する段階をさらに含み、前記2)段階後、無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを基板上にコーティングした後、乾燥及び硬化してフィルムを形成する段階をさらに含む。   The step 1) further includes a step of removing the acid used as the hydrolysis catalyst by a solvent extraction method, and distilling the solvent under reduced pressure to obtain a medium for non / organic hybrid. After the step 2), the non / organic titanium is obtained. The method further includes coating the barium acid hybrid on the substrate and then drying and curing to form a film.

また、本発明は上述したような無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法によって製造された無/有機ハイブリッド、及びこれを基板上にコーティングした後、乾燥及び硬化して製造された高誘電率の柔軟性誘電体フィルムを提供する。   The present invention also provides a non-organic hybrid produced by the method for producing a non-organic barium titanate hybrid as described above, and a high dielectric constant produced by coating the substrate on a substrate, followed by drying and curing. A flexible dielectric film is provided.

以下、本発明をより詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

この際、使用される技術用語及び科学用語において他の定義がなければ、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が通常的にわかっている意味を持つ。なお、従来と同一な技術的構成及び作用に対する繰り返される説明は省略することにする。   In this case, unless otherwise defined in the technical and scientific terms used, it has the meaning normally known by those having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs. In addition, the repeated description with respect to the technical structure and effect | action same as the past is omitted.

本発明は下記の段階を含む無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法を提供する。
1)下記化学式1で表される1種以上のシラン化合物溶液に酸を添加し加熱して無/有機ハイブリッド用媒質を製造する段階;及び
2)前記無/有機ハイブリッド用媒質に結晶性チタン酸バリウムナノ粒子を分散して無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを製造する段階;と
を含む無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。
<化学式1>
(R1)nSi(OR2)4-n
(式中、nは1乃至3の整数であり;R1はビニル基または反応性基を有する炭素数1乃至10のアルキル基であり、前記反応性基は(メタ)アクリレート基、ビニル基またはエポキシ基であり、前記アルキル基はN、OまたはSから選ばれる複素原子を含み;R2は炭素数1乃至5のアルキルまたはアルケニルである。)
The present invention provides a method for producing a no / organic barium titanate hybrid comprising the following steps.
1) A step of adding an acid to one or more silane compound solutions represented by the following chemical formula 1 and heating to produce a medium for no / organic hybrid; and 2) crystalline titanic acid in the medium for no / organic hybrid; A method for producing a no / organic barium titanate hybrid comprising: dispersing barium nanoparticles to produce a no / organic barium titanate hybrid;
<Chemical Formula 1>
(R 1 ) n Si (OR 2 ) 4-n
Wherein n is an integer of 1 to 3; R 1 is a vinyl group or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms having a reactive group, and the reactive group is a (meth) acrylate group, a vinyl group or An epoxy group, wherein the alkyl group contains a heteroatom selected from N, O or S; R 2 is alkyl or alkenyl having 1 to 5 carbon atoms.)

本発明によるチタン酸バリウムハイブリッドの製造方法は、無/有機ハイブリッド材料として前記化学式1で表されるシラン化合物を使用する。前記シラン化合物はビニル基、(メタ)アクリレート基またはエポキシ基を有し、もう一方にはトリアルコキシ基を有する化合物が望ましく、下記化学式2乃至化学式4で表されるシラン化合物が含まれる。
<化学式2>
<化学式3>
<化学式4>
(式中、前記化学式2乃至4において、R2は化学式1で定義したものと同様であり、R3は水素またはメチルであり、Aは独立に化学結合且つ炭素数1乃至10のアルキレンであり、前記アルキレンは炭素鎖に酸素原子を含む。)
The method for producing a barium titanate hybrid according to the present invention uses the silane compound represented by Formula 1 as a non / organic hybrid material. The silane compound preferably has a vinyl group, a (meth) acrylate group or an epoxy group, and the other has a trialkoxy group, and includes silane compounds represented by the following chemical formulas 2 to 4.
<Chemical formula 2>
<Chemical formula 3>
<Chemical Formula 4>
(In the formulas 2 to 4, R 2 is the same as defined in formula 1, R 3 is hydrogen or methyl, A is independently a chemical bond and alkylene having 1 to 10 carbon atoms. The alkylene contains an oxygen atom in the carbon chain.)

前記化学式1の化合物としては、3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン((3-Methacryloyloxypropyl) Trimethoxysilane: MPTS)、3−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン((3-glycidyloxypropyl) trimethoxy silane: GPS)、ビニルトリイソプロペノキシシラン(vinyltriisopropenoxysilane: VTIPS)などが例として挙げられる。特に、前記シラン化合物の中で(メタ)アクリレート基またはエポキシ基に置換されたアルキル基及びトリアルコキシ基を有するシラン化合物を使用する場合、無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの柔軟性及びチタン酸バリウムの分散性が最も優秀でさらに望ましい。   Examples of the compound of Formula 1 include 3-methacryloyloxypropyl trimethoxysilane (MPTS), 3-glycidyloxypropyl trimethoxysilane (GPS), vinyl triisopro An example is vinyltriisopropenoxysilane (VTIPS). In particular, when a silane compound having an alkyl group substituted with a (meth) acrylate group or an epoxy group and a trialkoxy group is used in the silane compound, the flexibility of the organic / barium titanate hybrid and the barium titanate Dispersibility is the best and more desirable.

前記シラン化合物はアルコールなどの有機溶媒に溶解して溶液状で製造した後、酸を添加して加水分解させる。この際、加水分解反応は常温で行っても構わないが、加水分解反応がより円滑に進むようにシラン化合物溶液を60乃至90℃で加熱することが望ましい。   The silane compound is dissolved in an organic solvent such as alcohol and manufactured as a solution, and then hydrolyzed by adding an acid. At this time, the hydrolysis reaction may be performed at room temperature, but it is desirable to heat the silane compound solution at 60 to 90 ° C. so that the hydrolysis reaction proceeds more smoothly.

前記添加される酸は無機酸または有機酸から選ばれる酸であれば全て使用できるが、高誘電コンデンサー膜で使用されたとき、電気電導性の不純物による電気的ブレーキダウン現状を最小化するように、加水分解された媒質に対して別途の工程を介して容易に除去でき且つ低い熱処理温度によって除去がさらに容易な無機酸の硝酸がより望ましい。   The added acid may be any acid selected from inorganic acids or organic acids, but when used in a high dielectric capacitor film, the current state of electrical brake down due to electrically conductive impurities is minimized. It is more desirable to use nitric acid, an inorganic acid, which can be easily removed from the hydrolyzed medium through a separate process and can be further easily removed at a low heat treatment temperature.

前記化学式1のシラン化合物は加水分解及び縮重合反応にアルコキシ基が水酸基及びSi-O-Siのネットワークを形成してやや粘性のある無/有機ハイブリッド溶媒質を形成する。本発明でシラン加水分解触媒で使用した硝酸触媒による媒質のゲル形成防止と無/有機チタン酸バリウム誘電膜の電気的ブレーキダウンを最小化するためにトルエンなどの有機溶媒と蒸留水を使用した溶媒置換方法によって硝酸を製造された媒質から取り除いた。つまり、加水分解されたシラン系媒質はトルエンなどの有機溶媒層に溶解され、硝酸は蒸留水に溶解される原理を用いて分離し、最終的にトルエンに溶解された媒質は減圧蒸留法で取り除き、無/有機ハイブリッド用媒質を得る。   The silane compound of Formula 1 forms a slightly viscous non-organic hybrid solvate by forming a network of hydroxyl groups and Si—O—Si in the hydrolysis and polycondensation reactions. Solvent using organic solvent such as toluene and distilled water to prevent gel formation of medium by nitric acid catalyst used in silane hydrolysis catalyst in the present invention and to minimize electric brake down of no / organic barium titanate dielectric film Nitric acid was removed from the produced medium by the displacement method. In other words, the hydrolyzed silane-based medium is dissolved in an organic solvent layer such as toluene, nitric acid is separated using the principle of being dissolved in distilled water, and finally the medium dissolved in toluene is removed by vacuum distillation. To obtain a medium for no / organic hybrid.

前記2)段階からは得られた媒質に別途の方法で製造した結晶性チタン酸バリウムナノ粒子を分散して無/有機チタン酸バリウムハイブリッド型素材を製造する。   From the step 2), crystalline / barium titanate nanoparticles prepared by a separate method are dispersed in the obtained medium to prepare a non-organic barium titanate hybrid type material.

本発明による結晶性チタン酸バリウムナノ粒子またはこれの分散液は本発明者らが出願した韓国特許出願第2006-0054304号に開示された製造方法により製造されたものであって、より詳しくは下記の段階を含む製造方法によって製造されたものである。
(a)チタニウムアルコキシドと下記化学式5のジアミン化合物を溶媒に溶解して混合液を製造する段階;
(b)前記混合液を水酸化バリウム水溶液に添加した後、撹拌してチタン酸バリウムを形成する段階;及び
(c)前記チタン酸バリウムを分離する段階。
<化学式5>
(式中、Rは炭素数2乃至8のアルキレン基から選ばれる。)
The crystalline barium titanate nanoparticles or dispersion thereof according to the present invention is manufactured by the manufacturing method disclosed in Korean Patent Application No. 2006-0054304 filed by the present inventors. It is manufactured by the manufacturing method including these steps.
(A) a step of preparing a mixed solution by dissolving a titanium alkoxide and a diamine compound of the following chemical formula 5 in a solvent;
(B) adding the mixture to the aqueous barium hydroxide solution and then stirring to form barium titanate; and (c) separating the barium titanate.
<Chemical formula 5>
(In the formula, R is selected from alkylene groups having 2 to 8 carbon atoms.)

前記製造方法によって製造されたチタン酸バリウム結晶性ナノ粒子はチタン酸バリウムナノ粒子の表面にジアミン化合物が結合していて有機溶媒に対する分散性に最も優れる効果がある。   The barium titanate crystalline nanoparticles produced by the above production method have the most excellent dispersibility in organic solvents because the diamine compound is bonded to the surface of the barium titanate nanoparticles.

前記結晶性チタン酸バリウムナノ粒子の製造方法においてチタニウムアルコキシドに対するジアミン化合物のモル比が1乃至20であるものが望ましく、より望ましくは3乃至10モル比である。チタニウムアルコキシドに対するジアミン化合物のモル比は1未満である場合には非結晶性チタン酸バリウムが混入される可能性があり、有機溶媒に対する分散性が向上される効果が大きくなく、前記モル比が20を超える場合には追加添加による粒子サイズ分布の均一性及び分散性の側面の効果の増加が微々であり経済的に不利であり得る。なお、前記ジアミン化合物はエチレンジアミン(EDA)またはプロパンジアミンのものが望ましいが、これはエチレンジアミン(EDA)またはプロパンジアミンを使用する場合、5リング(5-membered ring)もしくは6リング(6-membered ring)の構造で結合するため、結晶性チタン酸バリウムの表面に相対的により安定に結合して残られる効果があるからである。   In the method for producing crystalline barium titanate nanoparticles, the molar ratio of the diamine compound to the titanium alkoxide is preferably 1 to 20, and more preferably 3 to 10 molar ratio. When the molar ratio of the diamine compound to the titanium alkoxide is less than 1, there is a possibility that amorphous barium titanate is mixed, and the effect of improving the dispersibility in the organic solvent is not large, and the molar ratio is 20 In the case where it exceeds 1, the effect of the uniformity and dispersibility of the particle size distribution due to the addition is slight, which may be economically disadvantageous. The diamine compound is preferably ethylene diamine (EDA) or propane diamine, and when ethylene diamine (EDA) or propane diamine is used, it is a 5-membered ring or a 6-membered ring. This is because the bonding is relatively stable and remains on the surface of the crystalline barium titanate.

前記2)段階の媒質と結晶性チタン酸バリウムナノ粒子分散用溶液はメタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、メチルイソブチルケトン(MIBK)またはシクロヘキサノン(Cyclohexanone、CHN)などの極性有機溶媒を使用するのが分散性に優れて望ましく、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)またはメタノールを使用するのが分散性に優れてさらに望ましい。   The medium in step 2) and the solution for dispersing crystalline barium titanate nanoparticles are alcohols such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol, N, N-dimethylformamide (DMF), methyl isobutyl ketone (MIBK) or cyclohexanone (Cyclohexanone, It is desirable to use a polar organic solvent such as CHN) because of excellent dispersibility, and it is more desirable to use N, N-dimethylformamide (DMF) or methanol because of excellent dispersibility.

結晶性酸化物ナノ粒子(crystalline oxide nanoparticles)、特に低い温度及び水溶液上で合成されるチタン酸バリウムナノ粒子は表面に多数のOH基を有していることは良く知られている。前記2)段階ではチタン酸バリウムナノ粒子の表面に存在するOH基と1)段階から製造されたシラン系媒質の末端基に存在するシロキサン基との縮合反応によってTi-O-Siネットワークが形成されながらチタン酸バリウムが無/有機ハイブリッド媒質に均一に分散された無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを形成するようになる。   It is well known that crystalline oxide nanoparticles, especially barium titanate nanoparticles synthesized at low temperatures and aqueous solutions, have a number of OH groups on the surface. In step 2), a Ti-O-Si network is formed by a condensation reaction between the OH groups present on the surface of the barium titanate nanoparticles and the siloxane groups present in the end groups of the silane-based medium produced from step 1). However, a barium titanate hybrid in which barium titanate is uniformly dispersed in a non / organic hybrid medium is formed.

結晶性チタン酸バリウムナノ粒子の含量はチタン酸バリウムとシラン系無/有機ハイブリッド媒質を和した質量に対して0.5乃至40.0重量%(0.1乃至10.0体積%)になるようにしたものが望ましく、1.0乃至30重量%(0.5乃至7体積%)であるものがさらに望ましい。前記含量が0.5重量%未満である場合には誘電常数が低くて望ましくなく、前記含量が40重量%より多い場合には無/有機チタン酸バリウムハイブリッドから製造された誘電体フィルムの均一性が破られたりチタン酸バリウムと無/有機ハイブリッドの相分離をもたらし、柔軟性が大きく低下されて無/有機ハイブリッド素材の長所が損傷される。   The content of crystalline barium titanate nanoparticles is 0.5 to 40.0% by weight (0.1 to 10.0% by volume) based on the total mass of barium titanate and a silane-based no / organic hybrid medium. What was made like this is desirable, and what is 1.0 to 30 weight% (0.5 to 7 volume%) is further more desirable. When the content is less than 0.5% by weight, the dielectric constant is low and undesirable, and when the content is more than 40% by weight, the uniformity of the dielectric film produced from the no / organic barium titanate hybrid Breaks or causes phase separation of barium titanate and no / organic hybrid, greatly reducing flexibility and damaging the advantages of the no / organic hybrid material.

前記2)段階ではコーティング膜の厚さを調節するために部分的に溶媒を除去して粘度が異なる無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを製造する過程が含まれる。スピンコーティングなどのコーティング方法や望む厚手のコーティング膜の製造に適合した程度の粘度を有するように溶媒を除去した後、これをハイブリッド誘電体フィルムを製造することに使用する。   The step 2) includes a process for preparing a barium / organic barium titanate hybrid having different viscosities by partially removing the solvent in order to adjust the thickness of the coating film. After removing the solvent to have a viscosity that is compatible with a coating method such as spin coating and the production of the desired thick coating film, it is used to produce a hybrid dielectric film.

高誘電率を有する柔軟性誘電体フィルムは前記の方法で調整した特定粘度の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドをガラスまたはプラスチック基板にコーティングした後、乾燥及び硬化して柔軟性の誘電体フィルムを製造する。前記において、乾燥条件は100乃至120℃の温度で0.5乃至6時間の範囲で行い、コーティング膜の硬化はシラン化合物の種類に応じて異なる。例えば、エポキシ基を有するシラン媒質を使用した場合は120乃至200℃で0.5時間乃至6時間程度で進まれるのが適切であり、ビニル基やアクリル基を有するシラン媒質を使用した場合は150乃至230℃で0.5時間乃至6時間熱処理し、且つ120乃至200℃で0.5時間乃至6時間熱処理の後に紫外線を約3分前後照射して硬化する。   A flexible dielectric film having a high dielectric constant is coated on a glass or plastic substrate with a specific viscosity-free / organic barium titanate hybrid prepared by the above method, and then dried and cured to produce a flexible dielectric film. To do. In the above, drying conditions are performed at a temperature of 100 to 120 ° C. for 0.5 to 6 hours, and the curing of the coating film varies depending on the type of silane compound. For example, when a silane medium having an epoxy group is used, it is appropriate to proceed at 120 to 200 ° C. for about 0.5 to 6 hours. When a silane medium having a vinyl group or an acrylic group is used, 150 hours is required. Heat treatment is performed at 230 ° C. for 0.5 to 6 hours, and after heat treatment at 120 to 200 ° C. for 0.5 to 6 hours, it is cured by irradiation with ultraviolet rays for about 3 minutes.

図1を参照すれば、本発明による誘電体フィルムは最も優秀な柔軟性(flexibility)を示していることがわかり、また、製造されたフィルムの厚さはコーティングに使用したハイブリッド材料の粘度に応じて3乃至10μmの範囲で調節することができる。   Referring to FIG. 1, it can be seen that the dielectric film according to the present invention exhibits the best flexibility, and the thickness of the produced film depends on the viscosity of the hybrid material used for coating. In the range of 3 to 10 μm.

なお、図4は3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシランを媒質として使用し、結晶性チタン酸バリウム粒子含量による無/有機チタン酸バリウムハイブリッド膜の常温における誘電特性を示したものであって、本発明によるチタン酸バリウムハイブリッド材料はチタン酸バリウムの含量を0乃至9.0重量%に変化させながら誘電特性を測定した結果、測定された誘電常数(εr)値が測定周波数(1乃至100z)の変化によって少しずつ異なっているが、4.9乃至65.3の範囲を有した。本発明によるチタン酸バリウムハイブリッドフィルムの誘電常数は含有されたチタン酸バリウムの含量によって増加する傾向があり、反面、作動周波数の増加に沿っては微弱に減少する傾向がある。添加されたチタン酸バリウムの含量によって誘電常数が増加することは誘電率の低い媒質に誘電率の高いチタン酸バリウムの含量が増加することによる算術平均和の効果と酸化物の粒子間の間隔がさらに狭くなり、ハイブリッド材料内で双極子の相互作用(dipole-dipole interaction)が増加するからであると判断される。 FIG. 4 shows the dielectric properties at room temperature of a non-organic barium titanate hybrid film using 3-methacryloyloxypropyltrimethoxysilane as a medium and having a crystalline barium titanate particle content. As a result of measuring the dielectric properties of the barium titanate hybrid material by changing the barium titanate content from 0 to 9.0% by weight, the measured dielectric constant (ε r ) value of the measured frequency (1 to 100 z) Although it changed little by little, it had a range of 4.9 to 65.3. The dielectric constant of the barium titanate hybrid film according to the present invention tends to increase depending on the content of barium titanate contained. On the other hand, it tends to weaken as the operating frequency increases. The increase in the dielectric constant due to the added barium titanate content is due to the effect of the arithmetic mean and the spacing between the oxide particles due to the increase in the high dielectric constant barium titanate content in the low dielectric constant medium. This is considered to be due to further narrowing and increased dipole-dipole interaction within the hybrid material.

従来技術でBhattacrarya及びTummalaはPMN(lead magnesium niobate)-PT(lead titanate)/エポキシ(epoxy)複合体(S. Bhattacharya, R. R. Tummala, J. Microelectron. 32 (2001) 11)でεrは29であって、Lamなどの論文(K. H. Lam, H. L. W. Chan, H. S. Luo, Q. R. Yin, Z. W. Yin, C. L. Choy, Microelectron. Eng. 66 (2003) 79)では65PMN-35PT粉末を高い透過率を有する強誘電性共重合体(εr≒ 10)に分散させてεrが45乃至50であるハイブリッドを開示している。Kuo などの論文(D. H. Kuo, C. -C. Chang, T. -Y. Su, W. -K. Wang, B. -Y. Lin, Mater. Chem. Phys. 85 (2004) 201)では最大εrが44BaTiO3/エポキシ(epoxy) 複合体を開示している。本発明による無/有機チタン酸バリウムハイブリッド膜はチタン酸バリウムがハイブリッド膜内に9重量%(約2体積%)で前記先行研究に比べて非常に低い量を含有しているにも拘らず誘電常数(εr)値が65.3で著しく高く示した。 Bhattacrarya and Tummala are PMN (lead magnesium niobate) -PT (lead titanate) / epoxy (epoxy) complex (S. Bhattacharya, RR Tummala, J. Microelectron. 32 (2001) 11) and ε r is 29. According to Lam et al. (KH Lam, HLW Chan, HS Luo, QR Yin, ZW Yin, CL Choy, Microelectron. Eng. 66 (2003) 79), 65 PMN-35PT powder has high transmittance and ferroelectricity. A hybrid is disclosed in which ε r is between 45 and 50 dispersed in a copolymer (ε r ≈10). The largest paper in Kuo et al. (DH Kuo, C. -C. Chang, T. -Y. Su, W. -K. Wang, B. -Y. Lin, Mater. Chem. Phys. 85 (2004) 201) epsilon r discloses a 44BaTiO 3 / epoxy (epoxy) complex. The no / organic barium titanate hybrid film according to the present invention is a dielectric, although barium titanate contains 9% by weight (about 2% by volume) in the hybrid film, which is very low compared to the previous study. The constant (ε r ) value was 65.3, which was extremely high.

上述したように本発明による無/有機チタン酸バリウムハイブリッド誘電体フィルムの誘電常数が高いのは使用した無/有機ハイブリッド高分子物質の適合性及び前記高分子物質へのチタン酸バリウム粒子の均一な分散性によるものであると判断される。   As described above, the non-organic barium titanate hybrid dielectric film according to the present invention has a high dielectric constant because of the compatibility of the non-organic hybrid polymer material used and the uniformity of the barium titanate particles to the polymer material. It is judged to be due to dispersibility.

以下、下記の実施例を通して本発明をさらに詳細に説明する。但し、下記実施例は本発明の例示に過ぎないものであって、本発明の特許請求範囲が下記に限られるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and the claims of the present invention are not limited to the following.

<製造例1>
(結晶性チタン酸バリウムナノ粒子の製造)
本発明に使用するチタニウムイソプロポキシド(Ti(OPri)4 or TTIP、97%Aldrich社製品)、水酸化バリウム・8水化物(98+%、Aldrich社製品)、エチレンジアミン(EDA、98+%、大政ケミカル、日本)は追加の精製過程無しでそのまま使用した。あらゆる他の化学物質及び溶媒はSigma-Aldrich社から販売する試薬等級で、追加の精製過程なく購買した状態で使用した。脱イオン水は乾燥した窒素(N2)をパージ(purge)してCO2を除去し使用した。
<Production Example 1>
(Production of crystalline barium titanate nanoparticles)
Titanium isopropoxide used in the present invention (Ti (OPr i ) 4 or TTIP, 97% Aldrich product), barium hydroxide-8 hydrate (98 +%, Aldrich product), ethylenediamine (EDA, 98 +% Daimasa Chemical, Japan) was used as is without additional purification steps. All other chemicals and solvents were reagent grades sold by Sigma-Aldrich and used as purchased without additional purification steps. Deionized water was used after purging dry nitrogen (N 2 ) to remove CO 2 .

CO2を除去した脱イオン水50gにBa(OH)2・H2O(1.67g、Ba/Ti モル比=1.0)を入れて50℃、N2下において撹拌して水酸化バリウム水溶液を製造する。チタニウムイソプロポキシド2.5gとエチレンジアミン(EDA)を10gのイソプロピルアルコールに添加して50℃で30分間撹拌してTi-EDA混合液を製造した。この際、添加するエチレンジアミンの量は下記表1に示したようにEDA/Ti モル比基準で1乃至10の範囲で調節した。前記Ti-EDA混合液を前記水酸化バリウム水溶液に添加し70℃で2時間撹拌した。前記あらゆる反応はテフロン(登録商標)がコーティングされたポリプロピレン反応機で窒素雰囲気下において進めた。 Ba (OH) 2 · H 2 O (1.67 g, Ba / Ti molar ratio = 1.0) is added to 50 g of deionized water from which CO 2 has been removed, and stirred at 50 ° C under N 2 to produce an aqueous barium hydroxide solution. To do. Titanium isopropoxide and ethylenediamine (EDA) were added to 10 g of isopropyl alcohol and stirred at 50 ° C. for 30 minutes to prepare a Ti-EDA mixture. At this time, the amount of ethylenediamine added was adjusted in the range of 1 to 10 on the basis of the EDA / Ti molar ratio as shown in Table 1 below. The Ti-EDA mixture was added to the aqueous barium hydroxide solution and stirred at 70 ° C. for 2 hours. All the above reactions were carried out under a nitrogen atmosphere in a polypropylene reactor coated with Teflon.

生成された結晶性ナノ粒子を遠心分離(17000rpm、20分)して収得した後、収得された結晶性チタン酸バリウムナノ粒子をメタノールに超音波を用いて30分間分散させた後、これを遠心分離する方法を2回進めてチタン酸バリウムナノ粒子表面の水分を除去し、水分の代わりにメタノールで置換した結晶性チタン酸バリウムナノ粒子を製造した。   The produced crystalline nanoparticles were collected by centrifugation (17000 rpm, 20 minutes), and then the obtained crystalline barium titanate nanoparticles were dispersed in methanol for 30 minutes using ultrasonic waves, and then centrifuged. The separation method was advanced twice to remove moisture on the surface of the barium titanate nanoparticles, and crystalline barium titanate nanoparticles substituted with methanol instead of moisture were produced.

<製造例2>
(無/有機チタン酸バリウムハイブリッド材料用媒質の製造)
無/有機チタン酸バリウムハイブリッド用媒質は改善されたゾル−ゲル法によって製造された。3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン((3-methacryloyloxy)propyl trimethoxy silane;MPTS)(98%、Aldrich)5.1gを5.1gのイソプロピルアルコール(IPA、Aldrich)に常温で撹拌しながら解けた後、0.1M HNO3溶液1.0gをMTPS-IPA溶液に滴加して、反応混合液を70℃で2時間撹拌した後、減圧して反応副産物のIPAを除去した。反応結果物にトルエンと蒸留水を投入すれば反応混合液はアルキルシロキサン反応物が溶解されたトルエン層と水素イオン、硝酸イオンなどが残っている水層で分離される。トルエン層のみを分離した後、50℃で減圧下においてトルエンを除去して粘性の明るく薄い黄色の精製された媒質を得た。前記媒質はトルエン、シクロヘキサン、メタノール、DMFなどの大部分の有機溶媒に溶解された。
<Production Example 2>
(No / manufacturing of medium for organic barium titanate hybrid materials)
The no / organic barium titanate hybrid media was produced by an improved sol-gel process. After dissolving 5.1 g of 3-methacryloyloxypropyl trimethoxysilane (MPTS) (98%, Aldrich) into 5.1 g of isopropyl alcohol (IPA, Aldrich) at room temperature with stirring. Then, 1.0 g of 0.1 M HNO 3 solution was added dropwise to the MTPS-IPA solution, and the reaction mixture was stirred at 70 ° C. for 2 hours, and then the pressure was reduced to remove IPA as a reaction byproduct. When toluene and distilled water are added to the reaction product, the reaction mixture is separated into a toluene layer in which the alkylsiloxane reactant is dissolved and an aqueous layer in which hydrogen ions, nitrate ions, etc. remain. After separating only the toluene layer, toluene was removed under reduced pressure at 50 ° C. to obtain a viscous, light and pale yellow purified medium. The medium was dissolved in most organic solvents such as toluene, cyclohexane, methanol, DMF.

<製造例3>
(無/有機チタン酸バリウムハイブリッド材料用媒質の製造)
無/有機チタン酸バリウムハイブリッド用媒質は改善されたゾル−ゲル法によって製造された。3−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン[(3-glycidyloxypropyl)trimethoxy silane;GPS](98%、Aldrich)4.85gを4.85gのイソプロピルアルコール(IPA、Aldrich)に常温で撹拌しながら解けた後、0.1M HNO3溶液1.0gをMTPS-IPA溶液に滴加して、反応混合液を70℃で2時間撹拌した後、減圧して反応副産物のIPAを除去した。反応結果物にトルエンと蒸留水を投入すれば反応混合液はアルキルシロキサン反応物が溶解されたトルエン層と水素イオン、硝酸イオンなどが残っている水層で分離される。トルエン層のみを分離した後、50℃で減圧下においてトルエンを除去して粘性の明るく薄い黄色の精製された媒質を得た。前記媒質はトルエン、シクロヘキサン、メタノール、DMFなどの大部分の有機溶媒に溶解された。
<Production Example 3>
(No / manufacturing of medium for organic barium titanate hybrid materials)
The no / organic barium titanate hybrid media was produced by an improved sol-gel process. After dissolving 4.85 g of 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GPS) (98%, Aldrich) into 4.85 g of isopropyl alcohol (IPA, Aldrich) with stirring at room temperature, 1.0 g of 0.1 M HNO 3 solution was added dropwise to the MTPS-IPA solution, and the reaction mixture was stirred at 70 ° C. for 2 hours, and then the pressure was reduced to remove IPA as a reaction byproduct. When toluene and distilled water are added to the reaction product, the reaction mixture is separated into a toluene layer in which the alkylsiloxane reactant is dissolved and an aqueous layer in which hydrogen ions, nitrate ions, etc. remain. After separating only the toluene layer, toluene was removed under reduced pressure at 50 ° C. to obtain a viscous, light and pale yellow purified medium. The medium was dissolved in most organic solvents such as toluene, cyclohexane, methanol, DMF.

<実施例1>
(無/有機チタン酸バリウムハイブリッド材料の製造)
製造例1から製造された結晶性チタン酸バリウムと製造例2から製造されたMTPSから導かれた無/有機ハイブリッド媒質を結合させて無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを製造した。
<Example 1>
(No / Manufacturing of barium titanate hybrid material)
A non-organic barium titanate hybrid was prepared by combining the crystalline barium titanate prepared from Production Example 1 and the non-organic hybrid medium derived from MTPS produced from Production Example 2.

先ず、製造例1から製造された結晶性チタン酸バリウムを乾燥したメタノールに1時間超音波処理して分散させ、製造例2から製造した無/有機ハイブリッド媒質を前記分散液に溶解させた。この時、チタン酸バリウム含量は下記表1に示したように、チタン酸バリウムと無/有機ハイブリッド媒質を和した質量に対して0乃至9重量%に変化させた。無/有機ハイブリッド媒質とチタン酸バリウムが混合された混合液を常温で30分間超音波処理した後、4時間70乃至80℃で還流反応を行わせた。   First, the crystalline barium titanate produced from Production Example 1 was dispersed in dry methanol by ultrasonic treatment for 1 hour, and the non-organic hybrid medium produced from Production Example 2 was dissolved in the dispersion. At this time, as shown in Table 1 below, the barium titanate content was changed from 0 to 9% by weight based on the total mass of barium titanate and the non / organic hybrid medium. The mixed solution in which the non / organic hybrid medium and barium titanate were mixed was sonicated at room temperature for 30 minutes, and then refluxed at 70 to 80 ° C. for 4 hours.

スピンコーティングに適合した粘度を有させるために70℃でメタノールを蒸発させた後、ポリエチレンフィルムにスピンコーティング(2000rpm、20s)をして無/有機チタン酸バリウムハイブリッド膜を形成した。スピンコーティングの後、空気中において100℃で4時間乾燥してから次いで150℃で4時間硬化させ、製造されたチタン酸バリウムハイブリッド膜の厚さは約5乃至7μmであった。   Methanol was evaporated at 70 ° C. to have a viscosity compatible with spin coating, and then a polyethylene film was spin coated (2000 rpm, 20 s) to form a no / organic barium titanate hybrid film. After spin coating, it was dried in air at 100 ° C. for 4 hours and then cured at 150 ° C. for 4 hours. The resulting barium titanate hybrid film had a thickness of about 5 to 7 μm.

無/有機チタン酸バリウム膜に対する特性分析はRigaku D/Max-2200V X-ray回折機(diffractometer)(CuKα=1.5418Å)と赤外線分光分析機(FT-IR spectrometer)としてはBio-Rad社のWin-IR、FTS-165を用いた。無/有機チタン酸バリウム(BaTiO3)ハイブリッド膜の静電容量(capacitance)の測定はインピーダンス分析器Agilent 4294Aを使用した。ハイブリッド膜の誘電常数は方程式、
<数1>
から計算した。ここで、「r」はハイブリッド膜の誘電常数であり、「d」はハイブリッド膜の厚さであり、「A」は電極の面積であり、「c」は測定された静電容量であり、「ε0」は真空における誘電常数(8.854×10-12F/m)である。ハイブリッドフィルムの厚さはKLA Tencor社のα-step 500設備を使用して測定した。
Characteristic analysis for no / organic barium titanate film is Rigaku D / Max-2200V X-ray diffractometer (CuKα = 1.5418Å) and infrared spectrometer (FT-IR spectrometer) Win from Bio-Rad -IR, FTS-165 was used. An impedance analyzer Agilent 4294A was used to measure the capacitance of the no / organic barium titanate (BaTiO 3 ) hybrid film. The dielectric constant of the hybrid film is the equation
<Equation 1>
Calculated from Where “r” is the dielectric constant of the hybrid film, “d” is the thickness of the hybrid film, “A” is the area of the electrode, “c” is the measured capacitance, “Ε 0 ” is a dielectric constant (8.854 × 10 −12 F / m) in vacuum. The thickness of the hybrid film was measured using an α-step 500 facility from KLA Tencor.

<表1>
<Table 1>

図2は実施例1から製造されたハイブリッドフィルムに対するXRD(X-ray diffraction)パターンを示したものである。製造例1から製造されたチタン酸バリウムナノ粒子のXRDパターンと同一の位置で2θ値を有することがわかり、これからチタン酸バリウムナノ粒子がハイブリッドフィルムで製造されながら結晶性が変わらないことがわかった。   FIG. 2 shows an XRD (X-ray diffraction) pattern for the hybrid film produced from Example 1. It was found that the barium titanate nanoparticles produced from Production Example 1 had a 2θ value at the same position as the XRD pattern, and it was found that the crystallinity did not change while the barium titanate nanoparticles were produced with a hybrid film. .

図3は実施例1から製造されたハイブリッドフィルムのFT-IR スペクトルを示したものであって、500乃至4000cm-1の特性値を示した。図3に示されたように測定されたFT-IRスペクトルを純粋なMTPSのスペクトル及びチタン酸バリウムスペクトルと比べてみて、ピークの位置がやや移動(shift)されることがわかるが、これは大部分水化されたMTPS及びチタン酸バリウムのピークである。例えば、563cm-1(Ti-O);1370、1447cm-1(Ti-OH);822、1170cm-1(Ti-O-Ti);1050、1208、1283、1500cm-1(C-N of C-NH2 and N-H of NH2)、1640、3440cm-1(OH of H2O);2850、2935cm-1(C-H)は二つのバルク及びハイブリッドから共通的に表れる。また、Si-O/Si-OH(980cm-1);Si-O-Si (1088、1170cm-1);SiC-H(1296cm-1);Si-C(1455cm-1)及びC=O(1727cm-1)などの新しいピークが観察されたが、これはMTPSに関連されたものと確認される。二つの新しいピークは925cm-1及び1375cm-1で観察されたが、これはTi-O-Siに関連されたピークである。Ti-O-Siネットワーク形成は多分チタン酸バリウム表面のOH基と部分水化されたMPTS[R-Si(OMe)3-x(OH)x]の縮合によるものと判断される。 FIG. 3 shows the FT-IR spectrum of the hybrid film manufactured from Example 1, which showed characteristic values of 500 to 4000 cm −1 . Comparing the measured FT-IR spectrum with the pure MTPS spectrum and barium titanate spectrum as shown in Fig. 3, it can be seen that the position of the peak is slightly shifted. It is a peak of partially hydrated MTPS and barium titanate. For example, 563 cm -1 (Ti-O); 1370, 1447 cm -1 (Ti-OH); 822, 1170 cm -1 (Ti-O-Ti); 1050, 1208, 1283, 1500 cm -1 (CN of C-NH) 2 and NH of NH 2 ), 1640, 3440 cm −1 (OH of H 2 O); 2850, 2935 cm −1 (CH) commonly appear from two bulk and hybrids. Si-O / Si-OH (980 cm -1 ); Si-O-Si (1088, 1170 cm -1 ); SiC-H (1296 cm -1 ); Si-C (1455 cm -1 ) and C = O ( A new peak such as 1727 cm −1 ) was observed, which is confirmed to be related to MTPS. Two new peaks were observed at 925 cm −1 and 1375 cm −1 , which are related to Ti—O—Si. Ti-O-Si network formation is probably due to condensation of OH groups on the surface of barium titanate and partially hydrated MPTS [R-Si (OMe) 3-x (OH) x ].

<実施例2>
(無/有機チタン酸バリウムハイブリッド素材の製造)
製造例1から製造された結晶性チタン酸バリウムと製造例3から製造されたGPSから導かれた媒質を結合させて無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを製造した。
<Example 2>
(No / production of organic barium titanate hybrid material)
A crystalline / barium titanate produced from Production Example 1 and a medium derived from GPS produced from Production Example 3 were combined to produce a no / organic barium titanate hybrid.

先ず、製造例1から製造された結晶性チタン酸バリウムを乾燥したメタノールに1時間超音波処理して分散させ、製造例3から製造したハイブリッド用媒質を前記分散液に溶解させた。この時、チタン酸バリウムをチタン酸バリウムと製造例3から製造した無/有機ハイブリッド媒質を和した質量に対して25重量%になるように陥入させた。無/有機ハイブリッド媒質とチタン酸バリウムが混合された混合液を常温で30分間超音波処理した後、4時間70乃至80℃で還流反応を行わせた。   First, the crystalline barium titanate produced from Production Example 1 was dispersed in dry methanol by ultrasonic treatment for 1 hour, and the hybrid medium produced from Production Example 3 was dissolved in the dispersion. At this time, the barium titanate was intruded so as to be 25% by weight based on the total mass of the barium titanate and the non / organic hybrid medium produced from Production Example 3. The mixed solution in which the non / organic hybrid medium and barium titanate were mixed was sonicated at room temperature for 30 minutes, and then refluxed at 70 to 80 ° C. for 4 hours.

スピンコーティングに適合した粘度を有させるために70℃でメタノールを蒸発させた後、ポリエチレンフィルムにスピンコーティング(2000rpm、20s)をして、無/有機チタン酸バリウムハイブリッド膜を形成した。スピンコーティングの後、空気中において120℃で1時間乾燥してから、次いで200℃で2時間硬化させ、製造されたチタン酸バリウムハイブリッド膜の厚さは約6.4μmであり、誘電常数は90.3を表した。   After evaporating methanol at 70 ° C. to have a viscosity suitable for spin coating, the polyethylene film was spin coated (2000 rpm, 20 s) to form a no / organic barium titanate hybrid film. After spin coating, it was dried in air at 120 ° C. for 1 hour and then cured at 200 ° C. for 2 hours. The thickness of the manufactured barium titanate hybrid film was about 6.4 μm, and the dielectric constant was 90 .3.

本発明はシラン化合物の加水分解反応及び架橋反応によって製造された媒質を用いて有機溶媒に対する分散性に優れる結晶性チタン酸バリウムナノ粒子を高濃度で均一に分散させる方法で、無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを製造する方法、及びこれを用いた高誘電率の柔軟性誘電体フィルムを提供する。   The present invention is a method for uniformly dispersing high-concentration crystalline barium titanate nanoparticles having excellent dispersibility in an organic solvent using a medium produced by a hydrolysis reaction and a crosslinking reaction of a silane compound. A method for producing a barium hybrid and a high dielectric constant flexible dielectric film using the same are provided.

本発明による無/有機チタン酸バリウムハイブリッド誘電体フィルムの誘電常数が高いものは、使用した無/有機ハイブリッド媒質の適合性及び特定な製造方法によって製造されたチタン酸バリウム粒子と媒質間の化学的結合による優秀な誘電特性発現に容易な形態の堅固な構造への転換によるものと判断される。従って、本発明よって製造された無/有機チタン酸バリウムハイブリッドフィルムは相対的に最も低いチタン酸バリウム含量にも高い誘電率を有するため、柔軟性及び誘電特性が全て優秀であるという長所がある。   The non-organic barium titanate hybrid dielectric film according to the present invention has a high dielectric constant because of the compatibility of the non-organic hybrid medium used and the chemical between the barium titanate particles produced by the specific production method and the medium. This is considered to be due to the transformation to a solid structure that is easy to form with excellent dielectric properties due to bonding. Therefore, the no / organic barium titanate hybrid film prepared according to the present invention has a high dielectric constant even at a relatively low barium titanate content, and thus has an advantage of excellent flexibility and dielectric properties.

プラスチック基板上に形成された無/有機チタン酸バリウムハイブリッドフィルムの写真である。2 is a photograph of a no / organic barium titanate hybrid film formed on a plastic substrate. 製造例1から製造されたチタン酸バリウム粉末と、前記チタン酸バリウムを4.5重量%含有した無/有機チタン酸バリウムハイブリッドフィルムに対するX-ray回折パターン(X-ray diffraction Pattern)である。FIG. 5 is an X-ray diffraction pattern for a barium titanate powder produced from Production Example 1 and a non-organic barium titanate hybrid film containing 4.5% by weight of the barium titanate. FIG. 純粋MPTS(a)とMPTS加水分解物を媒質にしてチタン酸バリウム含量4.5重量%含有した無/有機チタン酸バリウムハイブリッドフィルム(b)に対する赤外線分光分析の結果である。It is the result of the infrared spectroscopic analysis with respect to the no / organic barium titanate hybrid film (b) which contained pure MPTS (a) and MPTS hydrolyzate as a medium, and contained barium titanate content 4.5weight%. チタン酸バリウム含量による無/有機チタン酸バリウムハイブリッドフィルムの誘電常数の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the dielectric constant of the non / organic barium titanate hybrid film by barium titanate content.

Claims (15)

1)下記化学式1で表される1種以上のシラン化合物溶液に酸を添加し加熱して無/有機ハイブリッド用媒質を製造する段階;及び
2)前記無/有機ハイブリッド用媒質に結晶性チタン酸バリウムナノ粒子を分散して無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを製造する段階;と
を含む無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。
<化学式1>
(R1)nSi(OR2)4-n
(式中、nは1乃至3の整数であり;R1はビニル基または反応性基を有する炭素数1乃至10のアルキル基であり、前記反応性基は(メタ)アクリレート基、ビニル基またはエポキシ基であり、前記アルキル基はN、OまたはSから選ばれる複素原子を含み;R2は炭素数1乃至5のアルキルまたはアルケニルである。)
1) A step of adding an acid to one or more silane compound solutions represented by the following chemical formula 1 and heating to produce a medium for no / organic hybrid; and 2) crystalline titanic acid in the medium for no / organic hybrid; A method for producing a no / organic barium titanate hybrid comprising: dispersing barium nanoparticles to produce a no / organic barium titanate hybrid;
<Chemical Formula 1>
(R 1 ) n Si (OR 2 ) 4-n
Wherein n is an integer of 1 to 3; R 1 is a vinyl group or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms having a reactive group, and the reactive group is a (meth) acrylate group, a vinyl group or An epoxy group, wherein the alkyl group contains a heteroatom selected from N, O or S; R 2 is alkyl or alkenyl having 1 to 5 carbon atoms.)
前記シラン化合物は下記化学式2乃至化学式4から選ばれることを特徴とする請求項1に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。
<化学式2>
<化学式3>
<化学式4>
(式中、前記化学式2乃至4において、R2は化学式1で定義したものと同様であり、R3は水素またはメチルであり、Aは独立に化学結合且つ炭素数1乃至10のアルキレンであり、前記アルキレンは炭素鎖に酸素原子を含む。)
2. The method for producing a no-organic barium titanate hybrid according to claim 1, wherein the silane compound is selected from the following chemical formulas 2 to 4.
<Chemical formula 2>
<Chemical formula 3>
<Chemical Formula 4>
(In the formulas 2 to 4, R 2 is the same as defined in formula 1, R 3 is hydrogen or methyl, A is independently a chemical bond and alkylene having 1 to 10 carbon atoms. The alkylene contains an oxygen atom in the carbon chain.)
前記シラン化合物は3−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン((3-Methacryloyloxypropyl)trimethoxysilane: MPTS)、3−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン((3-glycidyloxypropyl)trimethoxysilane: GPS)、またはビニルトリイソプロペノキシシラン(vinyltriisopropenoxysilane: VTIPS)から選ばれることを特徴とする請求項2に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。   The silane compound may be 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPTS), 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GPS), or vinyl triisopropenoxysilane (MPTS). Vinyltriisopropenoxysilane (VTIPS) is selected, The manufacturing method of the non / organic barium titanate hybrid of Claim 2 characterized by the above-mentioned. 前記結晶性チタン酸バリウムナノ粒子は無/有機ハイブリッド用媒質及び結晶性チタン酸バリウムナノ粒子の重量を和した重量に対して0.5乃至40重量%であることを特徴とする請求項1に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。   The crystalline barium titanate nanoparticles may be 0.5 to 40% by weight based on the weight of the non-organic hybrid medium and the crystalline barium titanate nanoparticles combined. A process for the preparation of the described no / organic barium titanate hybrid. 前記1)段階は加水分解触媒として使用された酸を溶媒抽出法で取り除き、溶媒を減圧蒸留して無/有機ハイブリッド用媒質を収得する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。   The method according to claim 1, wherein the step 1) further comprises removing an acid used as a hydrolysis catalyst by a solvent extraction method, and distilling the solvent under reduced pressure to obtain a medium for non-organic hybrid. Method for producing no / organic barium titanate hybrid. 前記2)段階後、無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを基板上にコーティングした後、乾燥及び硬化してフィルムを形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。   The non / organic titanic acid according to claim 1, further comprising the step of coating the non / organic barium titanate hybrid on the substrate after the step 2), and drying and curing to form a film. Production method of barium hybrid. 前記酸は硝酸であることを特徴とする請求項1に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。   The method for producing a no / organic barium titanate hybrid according to claim 1, wherein the acid is nitric acid. 結晶性チタン酸バリウムナノ粒子は、
(a)チタニウムアルコキシドと下記化学式5のジアミン化合物を溶媒に溶解して混合液を製造する段階;
(b)前記混合液を水酸化バリウム水溶液に添加した後、撹拌してチタン酸バリウムを形成する段階;及び
(c)前記チタン酸バリウムを分離する段階を含む製造方法によって製造されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。
<化学式5>
(式中、Rは炭素数2乃至8のアルキレン基から選ばれる。)
Crystalline barium titanate nanoparticles are
(A) a step of dissolving a titanium alkoxide and a diamine compound of the following chemical formula 5 in a solvent to produce a mixed solution;
(B) The mixture is added to the barium hydroxide aqueous solution and then stirred to form barium titanate; and (c) produced by a production method comprising the step of separating the barium titanate. The method for producing a no / organic barium titanate hybrid according to any one of claims 1 to 7.
<Chemical formula 5>
(In the formula, R is selected from alkylene groups having 2 to 8 carbon atoms.)
前記チタニウムアルコキシドに対するジアミン化合物のモル比が1乃至20であることを特徴とする請求項8に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。   The method for producing an organic / barium titanate-free hybrid according to claim 8, wherein the molar ratio of the diamine compound to the titanium alkoxide is 1 to 20. 前記チタニウムアルコキシドに対するジアミン化合物のモル比が3乃至10であることを特徴とする請求項9に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。   The method for producing a no / organic barium titanate hybrid according to claim 9, wherein the molar ratio of the diamine compound to the titanium alkoxide is 3 to 10. 前記ジアミン化合物はエチレンジアミン(EDA)またはプロパンジアミンであることを特徴とする請求項8に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドの製造方法。   The method for producing an organic / barium titanate-free hybrid according to claim 8, wherein the diamine compound is ethylenediamine (EDA) or propanediamine. 請求項1乃至7のいずれかに記載の製造方法によって製造された無/有機チタン酸バリウムハイブリッド。   A no / organic barium titanate hybrid produced by the production method according to claim 1. 請求項8に記載の製造方法によって製造された無/有機チタン酸バリウムハイブリッド。   A barium / organic barium titanate hybrid produced by the production method according to claim 8. 請求項12に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを基板上にコーティングした後、乾燥及び硬化して製造される高誘電率の柔軟性誘電体フィルム。   A flexible dielectric film having a high dielectric constant, which is manufactured by coating the substrate with the organic / barium titanate hybrid according to claim 12 and then drying and curing the hybrid. 請求項13に記載の無/有機チタン酸バリウムハイブリッドを基板上にコーティングした後、乾燥及び硬化して製造される高誘電率の柔軟性誘電体フィルム。   A flexible dielectric film having a high dielectric constant, which is manufactured by coating the substrate with the barium / organic barium titanate hybrid according to claim 13 and then drying and curing the hybrid.
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