KR102473850B1 - 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 및 이의 제조방법 - Google Patents

테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 제조 공정 중에 카르복실산을 이용한 정제 공정을 추가하여 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지에 포함된 금속 양이온의 함량을 저하시킬 수 있고, 이에 따라 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 순도를 향상시킬 수 있다

Description

테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 및 이의 제조방법 {TETRAMETHYLBIPHENOL EPOXY RESIN AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 고순도 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
에폭시 수지는 우수한 경화 물성 및 취급의 용이성으로 인하여 다양한 용도로 활용되고 있다. 특히, 상기 에폭시 수지를 경화시키면 기계적 성질, 내열성 또는 전기적 성질이 우수한 경화물이 형성될 수 있어, 접착제, 도료, 전기·전자 재료 등의 폭넓은 분야에서 사용되고 있다.
전기·전자 재료 분야에 사용되는 물질은 저유전율 및 전기절연 특성이 요구된다. 전기·전자 재료 분야 중에서도 반도체 밀봉재 분야에서는, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지가 높은 부가가치를 가지는 밀봉재로서 각광받고 있다.
상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지는 강직한 테트라메틸비페닐 골격으로 인해, 내열성과 내흡습성이 우수하다. 또한, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지는 150℃에서의 용융 점도가 낮기 때문에 높은 충전율을 가지는 반도체 충전재를 구현할 수 있다.
이와 같이 다양한 분야에서 에폭시 수지가 널리 사용됨에 따라, 에폭시 수지에 대하여 더 높은 수준의 품질이 요구되고 있다.
에폭시 수지의 품질을 높이는 방법 중 하나로 불순물의 함량을 감소시켜 에폭시 수지의 순도를 높이는 기술에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
일본공개특허 제1998-147629호는 에폭시 수지 제조시 사용된 촉매로부터 형성된 가수분해성 염소의 양을 저감시켜, 신뢰성이 향상된 에폭시 수지를 개시한다. 그러나, 상기 에폭시 수지에는 가수분해성 염소 이 외의 다양한 금속 양이온들이 검출될 가능성을 배제할 수 없으며, 상기 금속 양이온이 포함된 에폭시 수지를 반도체 충전재를 비롯한 전기·전자 재료 분야에 적용할 경우 성능 저하를 초래할 수도 있다.
따라서, 에폭시 수지 제조 과정에서 사용되는 촉매나 염기성 물질 등으로부터 생성될 수 있는 금속 양이온의 함량을 저감시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
일본공개특허 제1998-147629호
본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 다각적으로 연구를 수행한 결과, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 제조한 후, 카르복실산을 이용한 정제 공정을 실시할 경우, 최종 제조된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지에 포함된 금속 양이온의 함량이 현저히 감소되어, 고순도의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지가 제조되는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 고순도의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 고순도의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 포함하는 에폭시 수지 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명은, 하기 화학식 1로 표시되는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지로서, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 내에 포함된 금속 양이온의 함량은 2,000 ppb 이하이고, 상기 금속은 칼슘, 철, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 망간, 알루미늄 암모늄 및 리튬으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 제공한다:
<화학식 1>
Figure 112022062014720-pat00001
상기 화학식 1에서 n은 0 내지 5의 정수임.
본 발명은 또한, (S1) 하기 화학식 2로 표시되는 테트라메틸페놀(tetramethylphenol) 1 몰에 대하여, 하기 화학식 3으로 표시되는 에피클로로히드린(epichlorohydrin) 1.6 내지 20 몰을 반응시켜, 하기 화학식 4로 표시되는 할로히드린(halohydrin) 수지를 형성하는 단계,
<화학식 2>
Figure 112022062014720-pat00002
,
<화학식 3>
Figure 112022062014720-pat00003
,
<화학식 4>
Figure 112022062014720-pat00004
상기 화학식 4에서, n은 0 내지 5의 정수임;
(S2) 상기 (S1) 단계에서 제조된 상기 할로히드린 수지를 알칼리 금속 수산화물과 반응시켜 하기 화학식 1로 표시되는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 합성하는 단계,
<화학식 1>
Figure 112022062014720-pat00005
.
상기 화학식 1에서 n은 0 내지 5의 정수임; 및
(S3) 상기 (S2) 단계에서 합성된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 카르복실산 수용액과 반응시켜 금속 양이온을 제거하여 정제하는 단계;를 포함하는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 에폭시 수지 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 에폭시 수지 조성물을 포함하는 경화물을 제공한다.
본 발명에 따르면, 고순도의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지에서 금속 양이온의 함량이 현저히 저하되어, 유전율이 낮아지므로 전기절연 특성이 향상될 수 있다. 이에 따라 저유전율 및 전기절연 특성이 요구되는 전기·전자 재료 분야, 특히 반도체 봉지재 분야에서 적용시 우수한 성능을 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
테트라메틸비페놀형 에폭시 수지
본 발명은 금속 양이온의 함량이 저감된 고순도 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지에 관한 것이다.
상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지는 하기 화학식 1로 표시된다:
<화학식 1>
Figure 112022062014720-pat00006
상기 화학식 1에서 n은 0 내지 5의 정수임.
일반적으로, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지에는 합성 과정에서 사용된 촉매 등의 원료물질로 인하여 금속 양이온이 잔여 할 수 있다. 상기 금속 양이온은 불순물로 작용하여, 전기·전자 재료 분야 등에 적용될 경우 성능 저하를 초래할 수 있으므로, 상기 금속 양이온의 함량이 최소화되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고순도 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지에 포함된 금속 양이온의 함량은 2,000 ppb 이하일 수 있다. 상기 금속 양이온의 함량은 상기 범위 내에서 작을수록 순도가 높은 것을 의미하며, 2,000 ppb를 초과할 경우 순도가 저하될 수 있고, 전기 전도도가 높아져 전기 전자용 소자에서 사용이 어려울 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 양이온의 함량은 2,000 ppb 이하, 1,700 ppb 이하, 1,500 ppb 이하, 1,000 ppb 이하일 수 있다. 상기 금속 양이온 함량의 하한치는 특별히 제한되는 것은 아니며, 0 ppb 이상, 5 ppb 이상 또는 10 ppb 이상인 것일 수 있다. 상기 금속 양이온의 함량은 유도 결합 플라즈마 질량분석법(ICP-MS)로 측정된 것일 수 있다.
상기 금속은 칼슘, 철, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 망간, 알루미늄 암모늄 및 리튬으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 특히, 상기 테트라메틸비페놀에 에폭시 수지 내에서 상기 금속으로서 나트륨을 포함하고, 상기 테트라메틸페놀형 에폭시 수지 내에서 상기 나트륨 양이온의 함량은 1,000 ppb 이하인 것일 수 있다. 상기 나트륨 양이온의 함량은 상기 범위 내에서 작을수록 순도가 높은 것을 의미하며, 상기 나트륨 양이온의 함량이 1,000 ppb 범위를 초과하게 되면 반도체 봉지재를 비롯한 전기·전자 재료 분야에 적용할 경우 유전적 특성에서 문제를 초래할 수 있다. 구체적으로, 상기 나트륨 양이온의 함량은 1,000 ppb 이하, 900 ppb 이하, 700 ppb 이하, 500 ppb 이하 또는 300 ppb 이하 이하일 수 있다. 상기 나트륨 양이온 함량의 하한치는 특별히 제한되는 것은 아니며, 0 ppb 이상, 5 ppb 이상 또는 10 ppb 이상인 것일 수 있다. 상기 나트륨 양이온의 함량은 유도 결합 플라즈마 질량분석법(ICP-MS)로 측정된 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 에폭시 당량은 178 g/eq 내지 255 g/eq 인 것일 수 있으며, 구체적으로 상기 에폭시 당량은 178 g/eq 이상, 180 g/eq 이상, 183 g/eq 이상 또는 185 g/eq 이상일 수 있고, 200 g/eq 이하, 220 g/eq 이하, 240 g/eq 이하 또는 255 g/eq 이하 일 수 있다. 상기 에폭시 당량은, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지가 반도체 봉지재용으로 사용될 경우, 취급의 용이성을 고려하여 설정된 것일 수 있으며, 상기 에폭시 당량 범위에서 취급이 가장 용이할 수 있다.
테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 제조방법
본 발명은 또한, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 제조방법에 관한 것으로, (S1) 하기 화학식 2로 표시되는 테트라메틸페놀(tetramethylphenol, 4,4'-비스히드록시-3,3',5,5'-테트라메틸비페닐) 1 몰에 대하여, 하기 화학식 3으로 표시되는 에피클로로히드린(epichlorohydrin) 1.6 내지 20 몰을 반응시켜, 하기 화학식 4로 표시되는 할로히드린(halohydrin) 수지를 형성하는 단계,
<화학식 2>
Figure 112022062014720-pat00007
,
<화학식 3>
Figure 112022062014720-pat00008
,
<화학식 4>
Figure 112022062014720-pat00009
상기 화학식 4에서, n은 0 내지 5의 정수임;
(S2) 상기 (S1) 단계에서 제조된 상기 할로히드린 수지를 알칼리 금속 수산화물과 반응시켜 하기 화학식 1로 표시되는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 합성하는 단계,
<화학식 1>
Figure 112022062014720-pat00010
상기 화학식 1에서 n은 0 내지 5의 정수임; 및
(S3) 상기 (S2) 단계에서 합성된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 카르복실산 수용액과 반응시켜 금속 양이온을 제거하여 정제하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지는, 통상의 제조방법에 따라, 상기 화학식 4로 표시되는 할로히드린 수지를 제조한 후, 이것을 강알칼리인 알칼리 금속 수산화물과 반응시켜 제조할 수 있으며, 카르복실산을 이용한 정제 공정을 거침으로써 특정 금속 양이온의 함량을 저하시켜 고순도의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 제조할 수 있다.
이하, 각 단계별로 본 발명에 따른 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 있어서, 상기 (S1) 단계에서는 상기 화학식 2로 표시되는 테트라메틸페놀(tetramethylphenol) 1 몰에 대하여, 상기 화학식 3으로 표시되는 에피클로로히드린(epichlorohydrin) 1.6 내지 20 몰을 반응시켜, 상기 화학식 4로 표시되는 할로히드린(halohydrin) 수지를 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 에피클로로히드린의 사용량은 1.6 몰 이상, 1.8 몰 이상, 2.0 몰 이상, 2.5 몰 이상, 3.0 몰 이상, 3.5 몰 이상, 4.0 몰 이상, 4.5 몰 이상 또는 5.0 몰 이상일 수 있고, 10 몰 이하, 12 몰 이하, 14 몰 이하, 16 몰 이하, 18 몰 이하 또는 20 몰 이하일 수 있다. 상기 에피클로로히드린의 사용량이 1.6 몰 미만이면 상기 할로히드린 수지가 충분히 형성되지 않을 수 있고, 20 몰 초과이면 잔여 에피클로로히드린이 증가하여 생산 효율이 저하될 수 있다. 즉, 상기 에피클로로히드린의 사용량이 상기 범위 내일 때 반응을 제어하기가 용이하고, 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 반응은 상기 테트라메틸페놀과 에피클로로히드린을 유기용매와 혼합한 후, 촉매 하에서 실시되는 것일 수 있다.
상기 촉매는 테트라메틸암모늄클로라이드 및/또는 테트라에틸암모늄브로마이드를 포함하는 제4급 암모늄염; 벤질디메틸아민 및/또는 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀을 포함하는 제3급 아민; 2-에틸-4-메틸이미다졸 및/또는 2-페닐이미다졸을 포함하는 이미다졸류; 에틸트리페닐포스포늄아이오다이드를 포함하는 포스포늄염; 및 트리페닐포스핀을 포함하는 포스핀류;로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 유기용매는 에탄올 및/또는 이소프로판올을 포함하는 알코올류; 아세톤 및/또는 메틸에틸케톤을 포함하는 케톤류; 디옥산 및/또는 에틸렌글리콜디메틸에를 포함하는 에테르류; 메톡시프로판올을 포함하는 글리콜에테르류; 및 디메틸술폭시드 및/또는 디메틸포름아미드를 포함하는 비프로톤성 극성 용매;로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 유기용매를 포함하는 것일 수 있고, 특히 불활성 유기용매를 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 반응을 촉진시키기 위하여, 물과 같은 수용성 용매를 함께 혼합할 수도 있다.
또한, 상기 반응이 수행되는 반응온도는 50℃ 내지 150℃일 수 있으며, 구체적으로 상기 반응온도는 50℃ 이상, 55℃ 이상 또는 60℃ 이상일 수 있고, 80℃ 이하, 100℃ 이하, 120℃ 이하 또는 150℃ 이하일 수 있다. 상기 반응온도가 50℃ 미만이면 반응이 원활하게 진행되지 않고, 150℃ 초과이면 고분자량이 많이 생겨 원하는 에폭시 당량을 얻을 수 없을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (S2) 단계에서는 상기 (S1) 단계에서 합성된 상기 할로히드린 수지를 알칼리 금속 수산화물과 반응시켜 상기 화학식 1로 표시되는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 형성할 수 있다.
상기 알칼리 금속 수산화물은 강알칼리일 수 있으며, 예를 들어, 수산화나트륨, 수산화칼슘 또는 수산화칼륨일 수 있으며, 수용액의 형태로 반응에 사용될 수 있다.
상기 할로히드린 수지 1.0 몰 당 상기 알칼리 금속 수산화물 1.0 몰 내지 4.0몰을 반응시킬 수 있으며, 구체적으로, 상기 알칼리 금속 수산화물은 1.0 몰 이상, 1.2 몰 이상 또는 1.5 몰 이상일 수 있고, 2.5 몰 이하, 3.0 몰 이하, 3.5 몰 이하 또는 4.0 몰 이하일 수 있다. 상기 알칼리 금속 수산화물이 1.0 몰 미만이면 수산기와 염소 작용기의 결합으로 생성된 에폭시 수지가 생성되기 어렵고, 반응 시간이 오래 걸려 생산성이 저하될 수 있으며, 4.0 몰 초과이면 부반응에 의한 불순물 즉 고분자량의 생성으로 화학식 1로 표시되는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 제조가 어려울 수 있고, 이후 알칼리 금속 제거를 위해 수세 공정 중 물의 사용이 늘어나 경제성에 문제가 생길 수 있다.
상기 반응 시, 반응온도는 40℃ 내지 150℃ 일 수 있으며, 구체적으로, 상기 반응온도는 40℃ 이상, 50℃ 이상, 60℃ 이상 또는 70℃ 이상일 수 있으며, 90℃ 이하, 100℃ 이하, 110℃ 이하, 130℃ 이하 또는 150℃ 이하일 수 있다. 상기 반응온도가 40℃ 미만이면 반응이 진행되지 않거나 반응시간이 길어져 공정 효율이 저하될 수 있고, 150℃ 초과이면 부반응이 진행될 수 있다.
또한, 상기 반응은 상압 하 또는 감압 하에서 수행될 수도 있다.
또한, 상기 반응은 필요에 따라 상기 반응온도를 유지하면서 반응액을 공비시키고, 휘발하는 증기를 냉각하여 얻어진 응축액을 유/수 분리하며, 수분을 제외한 유분을 반응계로 되돌리는 방법에 의해 탈수하면서 행해질 수도 있다.
상기 알칼리 금속 수산화물은, 급격한 반응을 억제하기 위하여, 0.1 시간 내지 8 시간 동안 첨가하면서 반응을 진행할 수도 있으며, 구체적으로 상기 반응시간은 0.1 시간 이상, 0.5 시간 이상 또는 1.0 시간 이상일 수 있고, 2 시간 이하, 4 시간 이하, 6 시간 이하 또는 8 시간 이하일 수 있다. 상기 반응시간이 0.1 시간 미만이면 급격히 반응이 진행되어 반응온도를 제어하기가 어려우므로 부반응이 발생할 수 있고, 8 시간 초과이면 반응시간이 지나치게 길어져 공정 효율이 저하될 수 있다.
상기 반응이 종료된 후에, 물을 이용하여 수세한 후 물 층을 제거함으로써 부생물, 미반응물 또는 불순물을 제거하여, 상기 화학식 1로 표시되는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지가 제조될 수 있다. 또는, 여과 분별이나 감압 증류에 의해 부생물, 미반응물 또는 불순물을 제거할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 단계에서는 상기 (S2) 단계에서 합성된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 카르복실산 수용액과 반응시켜 금속 양이온을 제거하여 정제할 수 있다.
상기 (S2) 단계에서 상술한 바와 같이, 제조된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 수세, 여과 분별 또는 감압 증류하여 부생염, 미반응물 또는 불순물을 제거한 후, 추가로 카르복실산 수용액으로 정제할 경우 금속 양이온을 제거할 수 있다.
상기 금속 양이온은 대부분 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 제조 공정에 사용되는 촉매 또는 알칼리 금속 수산화물로부터 기인하는 것일 수 있다. 상기 카르복실산 수용액으로 상기 케트라메틸페놀형 에폭시 수지를 세정할 경우, 상기 카르복실산은 상기 금속 양이온과 결합하여 염을 형성하고, 상기 금속 양이온을 포함하는 염이 수층으로 이동한 후, 상기 수층을 제거하면, 상기 수층에 포함된 금속 양이온이 제거되는 정제 공정이 수행될 수 있다.
이와 같이 상기 카르복실산 수용액을 이용한 정제 공정을 수차례 반복하면, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지에 포함된 금속 양이온의 함량을 감소시켜 고순도의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 제조할 수 있다.
상기 카르복실산은 옥살산, 프탈산, 이소프탈산, 테레프탈산, 트리멜리트산, 테트라히드로프탈산, 헥사히드로프탈산, 테트라클로로프탈산, 아돌프간, 아젤라, 세박산, 숙신산, 말산, 글라타르산, 말론산, 피멜산, 및 수베르산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 상기 카르복실산 중 분자 내에 카르복실산량이 많은 옥살산이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 카르복실산 수용액의 농도는 1% 내지 50% 일 수 있으며, 구체적으로 상기 카르복실산 수용액의 농도는 1% 이상, 5% 이상 또는 10% 이상일 수 있고, 20% 이하, 30% 이하, 40% 이하 또는 50% 이하일 수 있다. 상기 카르복실산 수용액의 농도가 1% 미만이면 세척 공정의 횟수가 늘어나므로 폐수 발생이 많아져 경제성이 저하되고 환경적으로도 문제가 발생할 수 있고, 50% 초과이면 상기 에폭시 수지가 석출되거나 카르복실산과 금속 양이온의 염이 원할하게 수층으로 이동하기 어려워 정제 효율이 저하될 수 있다.
테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물
본 발명은 또한, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물에 관한 것이다. 또한, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물은 추가 에폭시 수지, 경화촉진제 및 무기 충전재로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있으며, 상기 추가 에폭시 수지는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지와는 상이한 에폭시 수지인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물은 상술한 바와 같이 금속 양이온의 함량이 감소된 고순도 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 포함하므로, 내열성 및 내흡습성 뿐만아니라, 낮은 전기전도도, 낮은 유전율을 제공하여 전기전자 재료, 특히, 절연 특성이 요구되는 반도체 봉지재로 적용할 수 있다.
상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물은 상기 원료 물질들을 혼합하여 제조될 수 있다.
테트라메틸비페놀형 에폭시 수지
본 발명에 있어서, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지는 상술한 바와 같은 화학식 1로 표시되는 고순도 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지일 수 있다.
상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지는 상기 조성물 전체 중량을 기준으로 10 중량% 내지 30 중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 함량은 10 중량% 이상, 12 중량% 이상 또는 14 중량% 이상일 수 있고, 16 중량% 이하, 18 중량% 이하 또는 20 중량% 이하일 수 있다. 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 함량이 10 중량% 미만이면 조성물 및 후술하는 바와 같은 경화물의 전기적 특성, 내열성 및 내흡습성이 저하될 수 있고, 20 중량% 초과이면 조성물 내의 다른 성분 즉, 경화제 등의 함량이 상대적으로 저하되어 경화물을 형성하기 어려운 등의 문제가 발생할 수 있다.
경화제
본 발명에 있어서, 상기 경화제는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 에폭시기 사이의 가교 반응 및/또는 쇄길이 연장 반응에 기여하여 경화물 형성을 가능하게 할 수 있다.
상기 경화제는 상기 조성물 전체 중량을 기준으로 5 중량% 내지 20 중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로, 상기 경화제의 함량은 5 중량% 이상, 8 중량% 이상 또는 10 중량% 이상일 수 있고, 15 중량% 이하, 18 중량% 이하 또는 20 중량% 이하일 수 있다. 상기 경화제의 함량이 5 중량% 미만이면 에폭시기 사이의 가교 반응 및/또는 쇄길이 연장 반응이 충분치 않아 경화물이 형성되기 어려울 수 있고, 20 중량% 초과이면 과도하게 경화가 진행되어 전기적 특성, 내열성 또는 내흡습성과 같은 물성이 오히려 나빠질 수 있다.
상기 경화제로서는, 특별히 제한은 없고 일반적으로 에폭시 수지의 경화제로서 알려져 있는 것은 모두 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 경화제는 페놀계 경화제, 아민계 경화제, 산 무수물계 경화제, 아미드계 경화제 및 이미다졸류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 아민계 경화제는 경화제, 지방족 아민, 폴리에테르아민, 지환식 아민, 방향족 아민 및 제3급 아민으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이 중, 페놀계 경화제를 포함함으로써, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은, 우수한 내열성, 내응력성, 내흡습성, 난연성 등을 얻을 수 있기 때문에, 경화제로서는 페놀계 경화제를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 내열성 등의 관점에서는, 산 무수물계 경화제, 아미드계 경화제를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 이미다졸류를 이용하는 것도, 경화 반응을 충분히 진행시키고, 내열성을 향상시키는 관점에서 바람직하다.
페놀계 경화제의 구체예로서는, 비스페놀 A, 비스페놀 F, 비스페놀 S, 비스페놀 AD, 하이드로퀴논, 레조르신, 메틸레조르신, 비페놀, 테트라메틸비페놀, 디히드록시나프탈렌, 디히드록시디페닐에테르, 티오디페놀류, 페놀노볼락 수지, 크레졸노볼락 수지, 페놀아랄킬 수지, 비페닐아랄킬 수지, 나프톨아랄킬 수지, 테르펜페놀 수지, 디시클로펜타디엔페놀 수지, 비스페놀 A 노볼락 수지, 트리스페놀메탄형 수지, 나프톨노볼락 수지, 브롬화 비스페놀 A, 브롬화 페놀노볼락 수지 등의 여러 가지 다가 페놀류나, 여러 가지 페놀류와 벤즈알데히드, 히드록시벤즈알데히드, 크로톤알데히드, 글리옥살 등의 여러 가지 알데히드류와의 축합 반응으로 얻어지는 다가 페놀 수지류, 크실렌 수지와 페놀류의 축합 반응으로 얻어지는 다가 페놀 수지류, 중질유 또는 피치류와 페놀류와 포름알데히드류의 공축합 수지, 페놀·벤즈알데히드·크실릴렌디메톡사이드 중축합물, 페놀·벤즈알데히드·크실릴렌디할라이드 중축합물, 페놀·벤즈알데히드·4,4'-디메톡사이드비페닐 중축합물, 페놀·벤즈알데히드·4,4'-디할라이드비페닐 중축합물 등의 각종의 페놀 수지류 등을 들 수 있다. 이들 페놀계 경화제는, 1종만으로 이용해도, 2종 이상을 임의의 조합 및 배합 비율로 조합하여 이용해도 좋다.
아민계 경화제의 예로서는, 지방족 아민류, 폴리에테르아민류, 지환식 아민류, 방향족 아민류 등을 들 수 있다. 지방족 아민류로서는, 에틸렌디아민, 1,3-디아미노프로판, 1,4-디아미노프로판, 헥사메틸렌디아민, 2,5-디메틸헥사메틸렌디아민, 트리메틸헥사메틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 이미노비스프로필아민, 비스(헥사메틸렌)트리아민, 트리에틸렌테트라민, 테트라에틸렌펜타민, 펜타에틸렌헥사민, N-히드록시에틸에틸렌디아민, 테트라(히드록시에틸)에틸렌디아민 등을 사용할수 있으며, 폴리에테르아민류로서는, 트리에틸렌글리콜디아민, 테트라에틸렌글리콜디아민, 디에틸렌글리콜비스(프로필아민), 폴리옥시프로필렌디아민, 폴리옥시프로필렌트리아민류 등이 있으며, 지환식 아민류로서는, 이소포론디아민, 메타센디아민, N-아미노에틸피페라진, 비스(4-아미노-3-메틸디시클로헥실)메탄, 비스(아미노메틸)시클로헥산, 3,9-비스(3-아미노프로필)-2,4,8,10-테트라옥사스피로(5,5)운데칸, 노르보르넨디아민 등을 사용 할 수 있고, 마지막으로 방향족 아민류로서는, 테트라클로로-p-크실렌디아민, m-크실렌디아민, p-크실렌디아민, m-페닐렌디아민, o-페닐렌디아민, p-페닐렌디아민, 2,4-디아미노아니솔, 2,4-톨루엔디아민, 2,4-디아미노디페닐메탄, 4,4'-디아미노디페닐메탄, 4,4'-디아미노-1,2-디페닐에탄, 2,4-디아미노디페닐술폰, 4,4'-디아미노디페닐술폰, m-아미노페놀, m-아미노벤질아민, 벤질디메틸아민, 2-(디메틸아미노메틸)페놀, 트리에탄올아민, 메틸벤질아민, α-(m-아미노페닐)에틸아민, α-(p-아미노페닐)에틸아민, 디아미노디에틸디메틸디페닐메탄, α,α'-비스(4-아미노페닐)-p-디이소프로필벤젠 등을 사용할 수 있다. 이상에서 든 아민계 경화제는 1종만으로 이용해도, 2종 이상을 임의의 조합 및 배합 비율로 조합하여 이용해도 좋다. 상기한 아민계 경화제는, 에폭시 수지 조성물에 포함되는 전체 에폭시 수지 성분 중의 에폭시기에 대한 경화제 중의 작용기의 당량비로 0.8∼1.5의 범위가 되도록 이용하는 것이 바람직하다. 이 범위 내이면 미반응의 에폭시기나 경화제의 작용기가 잔류하기 어려워지기 때문에 바람직하다.
제3급 아민으로서는, 1,8-디아자비시클로(5,4,0)운데센-7, 트리에틸렌디아민, 벤질디메틸아민, 트리에탄올아민,디메틸아미노에탄올, 트리스(디메틸아미노메틸)페놀 등을 사용할 수 있다. 제3급 아민은 1종만으로 이용해도, 2종 이상을 임의의 조합 및 배합 비율로 조합하여 이용해도 좋다. 상기 한 제3급 아민은, 에폭시 수지 조성물에 포함되는 전체 에폭시 수지 성분 중의 에폭시기에 대한 경화제 중의 작용기의 당량비로 0.8∼1.5의 범위가 되도록 이용하는 것이 바람직하다. 이 범위 내이면 미반응의 에폭시기나 경화제의 작용기가 잔류하기 어려워지기 때문에 바람직하다.
산 무수물계 경화제로서는, 산 무수물, 산 무수물의 변성물 등을 들 수 있다. 산 무수물로서는, 예컨대, 프탈산 무수물, 트리멜리트산 무수물, 피로멜리트산 무수물, 벤조페논테트라카르복실산 무수물, 도데세닐숙신산 무수물, 폴리아디프산 무수물, 폴리아젤라산 무수물, 폴리세바신산 무수물, 폴리(에틸옥타데칸이산) 무수물, 폴리(페닐헥사데칸이산) 무수물, 테트라히드로프탈산 무수물, 메틸테트라히드로프탈산 무수물, 메틸헥사히드로프탈산 무수물, 헥사히드로프탈산 무수물, 메틸하이믹산 무수물, 트리알킬테트라히드로프탈산 무수물, 메틸시클로헥센디카르복실산 무수물, 메틸시클로헥센테트라카르복실산 무수물, 에틸렌글리콜비스트리멜리테이트 이무수물, 헤트산 무수물, 나딕산 무수물, 메틸나딕산 무수물, 5-(2,5-디옥소테트라히드로-3-푸라닐)-3-메틸-3-시클로헥산-1,2-디카르복실산 무수물, 3,4-디카르복시-1,2,3,4-테트라히드로-1-나프탈렌숙신산 이무수물, 1-메틸-디카르복시-1,2,3,4-테트라히드로-1-나프탈렌숙신산 이무수물 등을 들 수 있다.
아미드계 경화제로서는 디시안디아미드 및 그 유도체, 폴리아미드 수지 등을 들 수 있다.
이미다졸류로서는, 2-페닐이미다졸, 2-에틸-4(5)-메틸이미다졸, 2-페닐-4-메틸이미다졸,1-벤질-2-메틸이미다졸, 1-벤질-2-페닐이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸, 1-시아노-2-페닐이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸트리멜리테이트, 1-시아노에틸-2-페닐이미다졸륨트리멜리테이트, 2,4-디아미노-6-[2'-메틸이미다졸릴-(1')]-에틸-s-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-에틸-4'-메틸이미다졸릴-(1')]-에틸-s-트리아진, 2,4-디아미노-6-[2'-메틸이미다졸릴-(1')]-에틸-s-트리아진이소시아눌산 부가체, 2-페닐이미다졸이소시아눌산 부가체, 2-페닐-4,5-디히드록시메틸이미다졸, 2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸이미다졸 및 에폭시 수지와 상기 이미다졸류의 부가체 등이 예시된다.
추가 에폭시 수지
본 발명에 있어서, 상기 추가 에폭시 수지는 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지와 상이한 에폭시 수지를 의미하는 것일 수 있다. 이와 같은 추가 에폭시 수지를 포함함으로써, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물의 내열성, 내응력성, 내흡습성, 난연성 등을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 추가 에폭시 수지는 상기 조성물 전체 중량을 기준으로 5 중량% 내지 20 중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로, 상기 추가 에폭시 수지의 함량은 5 중량% 이상, 6 중량% 이상 또는 7 중량% 이상일 수 있고, 10 중량% 이하, 15 중량% 이하 또는 20 중량% 이하일 수 있다. 상기 추가 에폭시 수지의 함량이 5 중량% 미만이면 내열성, 내응력성, 내흡습성 또는 난연성의 추가 향상 효과가 미미할 수 있고, 20 중량% 초과이면 다른 성분들의 함량이 상대적으로 저하될 수 있으므로, 상기 범위 내에서 적정량을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 추가 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 바이페닐 에폭시 수지, 트리스페놀메탄형 에폭시 수지, 안트라센형 에폭시 수지, 페놀 변성 크실렌 수지형 에폭시 수지, 비스페놀시클로도데실형 에폭시 수지, 비스페놀디이소프로필리덴레조르신형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 AD형 에폭시 수지, 하이드로퀴논형 에폭시 수지, 메틸하이드로퀴논형 에폭시 수지, 디부틸하이드로퀴논형 에폭시 수지, 레조르신형 에폭시 수지, 메틸레조르신형 에폭시 수지, 비페놀형 에폭시 수지, 상기 화학식 1로 표시되는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 이외의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지, 테트라메틸비스페놀 F형 에폭시 수지, 디히드록시디페닐에테르형 에폭시 수지, 티오디페놀류로부터 유도되는 에폭시 수지, 디히드록시나프탈렌형 에폭시 수지, 디히드록시안트라센형 에폭시 수지, 디히드록시디히드로안트라센형 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔형 에폭시 수지, 디히드록시스틸벤류로부터 유도되는 에폭시 수지, 페놀노볼락형 에폭시 수지, 크레졸노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 A 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨노볼락형 에폭시 수지, 페놀아랄킬형 에폭시 수지, 나프톨아랄킬형 에폭시 수지, 비페닐아랄킬형 에폭시 수지, 테르펜페놀형 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔페놀형 에폭시 수지, 페놀·히드록시벤즈알데히드의 축합물로부터 유도되는 에폭시 수지, 페놀·크로톤알데히드의 축합물로부터 유도되는 에폭시 수지, 페놀·글리옥살의 축합물로부터 유도되는 에폭시 수지, 중질유 또는 피치류와 페놀류와 포름알데히드류의 공축합 수지로부터 유도되는 에폭시 수지, 디아미노디페닐메탄으로 부터 유도되는 에폭시 수지, 아미노페놀로부터 유도되는 에폭시 수지, 크실렌디아민으로부터 유도되는 에폭시 수지, 메틸헥사히드로프탈산으로부터 유도되는 에폭시 수지, 다이머산으로부터 유도되는 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이들은 1종만으로 이용해도, 2종 이상을 임의의 조합 및 배합 비율로 이용해도 좋다.
경화 촉진제
본 발명 있어서, 상기 경화 촉진제는 경화시간을 단축시키고, 경화 온도를 저온화함으로써, 원하는 경화물을 얻기 쉽게 할 수 있다.
상기 경화 촉진제는 상기 조성물 전체 중량을 기준으로 0.01 중량% 내지 1 중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로, 상기 경화 촉진제의 함량은 0.01 중량% 이상, 0.03 중량% 이상 또는 0.05 중량% 이상일 수 있고, 0.5 중량% 이하, 0.8 중량% 이하 또는 1 중량% 이하일 수 있다. 상기 경화 촉진제의 함량이 0.01 중량% 미만이면 경화 촉진 효과가 미미할 수 있고, 20 중량% 초과이면 과도하게 경화가 진행되어 오히려 조성물의 물성이 저하될 수 있으므로, 상기 범위 내에서 적정량을 사용할 수 있다.
상기 경화 촉진제는 특별히 제한되지 않으나, 구체예로서는, 유기 포스핀류, 포스포늄염 등의 인계 화합물, 테트라페닐붕소염, 유기산 디히드라지드, 할로겐화 붕소 아민 착체 등을 들 수 있다.
경화 촉진제로서 사용 가능한 인계 화합물로서는, 트리페닐포스핀, 디페닐(p-톨릴)포스핀, 트리스(알킬페닐)포스핀, 트리스(알콕시페닐)포스핀, 트리스(알킬·알콕시페닐)포스핀, 트리스(디알킬페닐)포스핀, 트리스(트리알킬페닐)포스핀, 트리스(테트라알킬페닐)포스핀, 트리스(디알콕시페닐)포스핀, 트리스(트리알콕시페닐)포스핀,트리스(테트라알콕시페닐)포스핀, 트리알킬포스핀, 디알킬아릴포스핀, 알킬디아릴포스핀 등의 유기 포스핀류 또는 이들 유기 포스핀류와 유기 붕소류의 착체나 이들 유기 포스핀류와 무수 말레산, 1,4-벤조퀴논, 2,5-톨루퀴논, 1,4-나프토퀴논, 2,3-디메틸벤조퀴논, 2,6-디메틸벤조퀴논, 2,3-디메톡시-5-메틸-1,4-벤조퀴논, 2,3-디메톡시-1,4-벤조퀴논, 페닐-1,4-벤조퀴논 등의 퀴논 화합물, 디아조페닐메탄 등의 화합물을 부가하여 이루어지는 화합물 등이 예시된다.
상기 경화 촉진제 중에서도 유기 포스핀류, 포스포늄염이 바람직하고, 유기 포스핀류가 가장 바람직하다. 또한, 경화 촉진제는, 상기에 든 것 중, 1종만으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 임의의 조합 및 비율로 혼합하여 이용해도 좋다.
무기 충전재
본 발명에 있어서, 상기 무기 충전재는 상기 조성물을 반도체 봉지재로 적용할 경우의 열팽창 계수를 내부의 실리콘 칩이나 리드 프레임에 가깝게 하고 또한, 반도체 밀봉재 전체의 흡습량을 줄여, 크랙을 방지하는 기능을 할 수 있다.
상기 무기 충전재의 함량은 이와 같은 반도체 봉지재로서의 활용성을 감안하여 상기 조성물 중량을 기준으로 50 중량% 내지 70 중량%로 포함될 수 있으며, 구체적으로, 상기 무기 충전재의 함량은 50 중량% 이상, 55 중량% 이상 또는 60 중량% 이상일 수 있고, 65 중량% 이하, 68 중량% 이하 또는 70 중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 무기 충전재는 당업계에서 통상적을 사용되는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 무기 충전재는 결정성 실리카를 포함할 수 있다.
커플링제
본 발명에 있어서, 상기 커플링제는 매트릭스인 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지와 무기 충전재의 접착성을 향상시킬 수 있으며, 이에 상기 커플링제는 무기 충전재와 병용하여 사용할 수 있다.
상기 커플링제는 이와 같은 무기 충전재의 접착성 향상 효과를 고려하여 상기 조성물 전체 중량을 기준으로 1 중량% 내지 10 중량%로 사용될 수 있으며, 구체적으로 상기 커플링제의 함량은 1 중량% 이상, 3 중량% 이상 또는 5 중량% 이상일 수 있고, 8 중량% 이하 또는 10 중량% 이하일 수 있다.
상기 커플링제로서는 실란 커플링제, 티타네이트 커플링제 등을 들 수 있다.
실란 커플링제로서는, 예컨대, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필트리에톡시실란, β-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란 등의 에폭시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, N-β(아미노에틸)γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-β(아미노에틸)γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-우레이도프로필트리에톡시실란 등의 아미노실란, 3-메르캅토프로필트리메톡시실란 등의 메르캅토실란, p-스티릴트리메톡시실란, 비닐트리클로로실란, 비닐트리스(β-메톡시에톡시)실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 등의 비닐실란, 또한, 에폭시계, 아미노계, 비닐계의 고분자 타입의 실란 등을 들 수 있다.
티타네이트 커플링제로서는, 예컨대, 이소프로필트리이소스테아로일티타네이트, 이소프로필트리(N-아미노에틸·아미노에틸)티타네이트, 이소프로필비스(디옥틸포스페이트)티타네이트, 테트라이소프로필비스(디옥틸포스파이트)티타네이트, 테트라옥틸비스(디트리데실포스파이트)티타네이트, 테트라(2,2-디알릴옥시메틸-1-부틸)비스(디트리데실)포스파이트티타네이트, 비스(디옥틸파이로포스페이트)옥시아세테이트티타네이트, 비스(디옥틸파이로포스페이트)에틸렌티타네이트 등을 들 수 있다. 이들 커플링제는, 모두 1종만으로 이용해도 좋고, 2종 이상을 임의의 조합 및 비율로 혼합하여 이용해도 좋다. 본 발명의 에폭시 수지 조성물에 커플링제를 이용하는 경우, 그 배합량은, 전체 에폭시 수지 성분 100 중량부에 대해, 바람직하게는 0.1∼3.0 중량부이다. 커플링제의 배합량이 상기 범위 이하이면, 커플링제를 배합한 것에 의한 매트릭스인 에폭시 수지와 무기 충전재의 밀착성의 향상 효과가 낮아지고, 한편, 커플링제의 배합량이 상기 범위 이상이면, 얻어지는 경화물로부터 커플링제가 블리드 아웃될 가능성이 커서 부적합 하다.
그 외의 성분
본 발명의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물에는, 상기한 것 이외의 성분을 배합할 수 있다. 그 외의 성분으로서는 예를 들면, 난연제, 가소제, 이형제, 반응성 희석제, 안료 등을 들수 있고, 필요에 따라 적절히 배합할 수 있다. 경화물에 필요한 물성 향상을 위해 적당한 재료를 투입하여 경화물의 특성을 확보할 수 있다.
경화물
본 발명은 또한, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 포함하는 조성물을 경화시켜 제조된 경화물에 관한 것으로, 상기 경화물은, 내열성, 내흡습성, 내열성, 특히 저유전율 및 전기절연 특성에 있어서 우수한 특성을 갖는 것이다.
본 발명의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물을 경화시키는 방법에 대해서는 특별히 한정되지 않으나, 통상, 가열에 의한 열경화 반응에 의해 경화물을 얻을 수 있다. 열경화 반응 시에는, 이용한 경화제의 종류에 따라 경화 온도를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 경화 온도는 통상 130℃ 내지 180℃ 일 수 있다. 또한 반응 시간은, 0.1 내지 20 시간일 수 있고, 구체적으로 0.1 시간 이상, 0.5 시간 이상 또는 1 시간 이상일 수 있고 10 시간 이하, 15 시간 이하 또는 20 시간 이하일 수 있다. 반응 시간이 상기 범위 이하이면 경화 반응이 충분히 진행되기 어려워 바람직한 물성을 확보하기 힘들며, 반응 시간이 상기 범위 이상이면 가열에 의한 열화, 가열 시의 에너지 손실이 커져 문제가 발생할 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
하기 실시예 및 비교예에서는, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 합성 시, 하기 표 1에 기재된 바와 같은 카르복실산 또는 물을 이용하여, 정제 공정을 실시하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
정제공정 카르복실산 10% 옥살산 수용액 15% 옥살산 수용액 20% 옥살산 수용액 - 물
또한, 하기 실시예 및 비교예에서는, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물 제조 시, 하기 표 2에 기재된 바와 같은 조성에 따라 제조 공정을 실시하였다.
단위: 중량% 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2
테트라메틸비페놀형
에폭시 수지		 15 15 15 15 15
추가
에폭시 수지		 비스페놀 A 형 에폭시 수지 7 7 - 7 -
바이페닐 에폭시 수지 - - 7 - 7
경화제 페놀노볼락 12.9 12.9 12.9 12.9 12.9
경화촉진제 트리페닐포스핀 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
무기 충전재 결정성 실리카 65 65 65 65 65
합계 100 100 100 100 100
실시예 1
1-1. 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 합성
3L의 사구 플라스크에 테트라메틸비페놀 300g, 에피클로로히드린 1386g, 이소프로필알콜 554g 및 물 191g을 넣고, 65℃로 승온하여 용해시킨 후, 50%의 수산화나트륨 수용액 240g을 180분에 걸쳐 적하하였다. 적하 종료 후, 65℃에서 1시간 숙성을 하여 반응을 완료하고, 물을 투입하여 정치, 분리한 수층으로부터 부생염 및 과잉의 수산화나트륨을 제거하였다. 이 후, 감압 승온하여 잔류한 에피클로로히드린과 이소프로필알콜을 증류시켜 제거하여, 에폭시수지를 합성하였다.
상기 에폭시수지를 메틸이소부틸케톤(methyl isobutyl ketone, MIBK) 600g에 용해시키고, 50% 수산화 칼륨 수용액 15g을 첨가하여 80℃의 온도에서 1.5시간 동안 첨가하면서 반응시켰다. 그 후, 물을 투입하여 pH 7이 될 때까지 수세한 후 물 층을 제거하여, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 합성하였다.
상기 표 1에 기재된 바에 따라, 상기 합성된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지와 동일한 양의 10% 옥살산 수용액을 사용하여, 상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 3회 수세하여 금속 양이온을 제거하였다. 그 후, 150℃ 온도에서 40 torr 이하로 감압하여 잔류 메틸이소부틸케톤을 완전히 제거하여, 정제 공정을 실시하였다.
1-2. 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물 제조
상기 표 2에 기재된 바와 같은 조성에 따라, 상기 1-1에서 합성된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지, 추가 에폭시 수지, 경화제, 경화촉진제 및 무기 충전재를 혼합하여 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
1-3. 경화물 제조
상기 1-2에서 제조된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물을 몰딩 및 경화시켜 경화물을 제조였다.
상기 몰딩 및 경화 공정은, 프레스 장비(BUEHLER社, SimpliMet 1000 인 Automatic Mounting Press 장비)를 이용하여 실시하였다. 구체적으로, 180℃ 온도 및 80 bar 압력 하에서 몰딩 공정을 실시하였다. 그 후, 20분 동안 경화시키고, 물을 이용하여 10분 동안 냉각시킨 다음, 180℃에서 2시간 동안 후경화을 진행하여 경화 공정을 실시하였다.
실시예 2
15% 옥산살 수용액을 이용하여 2회 수세한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물 및 경화물을 제조하였다.
실시예 3
20% 옥산살 수용액을 이용하여 2회 수세한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물 및 경화물을 제조하였다.
비교예 1
10% 옥살산 수용액을 이용하여 수세하는 정제 공정을 실시하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물 및 경화물을 제조하였다.
비교예 2
10% 옥살산 수용액 대신 물을 이용하여 3회 수세한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물 및 경화물을 제조하였다.
실험예 1: 물성평가
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 및 이를 이용하여 제조된 경화물에 대한 물성평가를 위하여, 아래와 같은 방법으로 유전상수와 유전손실, 유리전이온도, 흡습율 및 총이온량을 측정하였다.
(1) 유전상수(Dielectric Constant, Dk) 및 유전손실(Dissipation Factor, Df)
JIS-C-6481 방법에 의해 유전상수 및 유전손실을 측정하였다. Agilent E4991A RF Impedance/Material analyzer를 이용하여 측정하였으며,
측정된 유전상수 및 유전손실 수치가 낮을수록 경화물의 전기적 특성이 우수한 것으로 평가하였다.
(2) 유리전이온도(Tg) 측정
유리전이온도(Tg)는 시차열분석기(Differential Scanning Calorimetry, DSC)를 이용하여 측정하였다 (측정조건: 분당 10℃ 승온, 30 ~ 250℃ 범위).
측정된 유리전이온도가 높을수록 경화물의 내열성이 높은 것으로 평가하였다.
(3) 흡습율(Water Absorption, W/A, wt%) 측정
흡습율은 100℃의 끊는 물에 경화물을 2시간 동안 방치한 후, 무게 증가율(wt%)을 계산하여 흡습율을 얻었다.
측정된 흡습율이 낮을수록 경화물의 내흡습성과 같은 물성이 우수한 것으로 평가하였다.
(4) 나트륨 이온량 및 총 금속 이온량 정량 (ppb)
유도 결합 플라즈마 질량분석법(ICP-MS)법으로, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에서 합성된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 내에 금속 양이온의 양을 정량하였다. 상기 금속은 칼슘, 철, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 망간, 알루미늄 암모늄 및 리튬을 포함하며, 이들 금속 양이온의 합을 정량하여 총 금속 이온량으로 표시하였다.
정량된 총 이온량의 수치가 낮을수록 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 순도가 높은 것으로 평가하였다.
평가항목 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2
유전상수(Dk) 3.25 3.21 3.19 3.45 3.38
유전손실(Df) 0.012 0.010 0.009 0.031 0.027
유리전이온도(Tg, ℃) 179.3 178.4 178.9 165.7 167.3
흡습율(W/A, wt%) 0.25 0.24 0.26 0.37 0.31
나트륨 이온량(ppb) 900 200 50 3,500 2,000
총 금속 이온량(ppb) 1000 900 700 6,300 5,400
그 결과, 상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 3은 비교예 1 내지 2에 비해 경화물의 유전상수(Dk) 및 유전손실(Df) 측정값이 작아 상대적으로 전기적 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 3은 비교예 1 내지 2에 비해 유리전이온도가 높아 내열특성이 좋으며, 흡습율이 낮아 내흡습성이 좋으며, 나트륨 이온 함량과 총 금속 이온량이 작아 순도가 높은 것을 알 수 있다.
이로부터, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 합성 시, 카르복실산을 이용하여 정제 공정을 실시할 경우, 고순도의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 얻을 수 있었다. 또한, 상기 고순도의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 이용하여 제조된 경화물은 우수한 전기적 특성, 내열성 및 내흡습성을 나타내어 저유전율 및 전기절연 특성이 요구되는 전기·전자 재료 분야, 특히 반도체 봉지재 분야에 적용 가능할 것임을 알 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (10)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지로서,
    <화학식 1>
    Figure 112022099841380-pat00016

    (상기 화학식 1에서 n은 0 내지 5의 정수임)
    상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 내에 포함된 금속 양이온의 함량은 2,000 ppb 이하이고,
    상기 금속은 칼슘, 철, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 망간, 알루미늄 암모늄 및 리튬을 포함하고,
    상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 내에 포함된 나트륨 양이온의 함량은 1,000 ppb 이하이고,
    상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지는 하기 (S1) 내지 (S3) 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조되는 것인, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지:
    (S1) 하기 화학식 2로 표시되는 테트라메틸페놀(tetramethylphenol) 1 몰에 대하여, 하기 화학식 3으로 표시되는 에피클로로히드린(epichlorohydrin) 1.6 내지 20 몰을 반응시켜, 하기 화학식 4로 표시되는 할로히드린(halohydrin) 수지를 형성하는 단계,
    <화학식 2>
    Figure 112022099841380-pat00017
    ,
    <화학식 3>
    Figure 112022099841380-pat00018
    ,
    <화학식 4>
    Figure 112022099841380-pat00019

    (상기 화학식 4에서, n은 0 내지 5의 정수임);
    (S2) 상기 (S1) 단계에서 제조된 상기 할로히드린 수지를 알칼리 금속 수산화물과 반응시켜 상기 화학식 1로 표시되는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 합성하는 단계; 및
    (S3) 상기 (S2) 단계에서 합성된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 카르복실산 수용액과 반응시켜 금속 양이온을 제거하여 정제하는 단계.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 에폭시 당량은 178 g/eq 내지 255 g/eq 인 것인, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지.
  4. (S1) 하기 화학식 2로 표시되는 테트라메틸페놀(tetramethylphenol) 1 몰에 대하여, 하기 화학식 3으로 표시되는 에피클로로히드린(epichlorohydrin) 1.6 내지 20 몰을 반응시켜, 하기 화학식 4로 표시되는 할로히드린(halohydrin) 수지를 형성하는 단계,
    <화학식 2>
    Figure 112022062014720-pat00012
    ,
    <화학식 3>
    Figure 112022062014720-pat00013
    ,
    <화학식 4>
    Figure 112022062014720-pat00014

    상기 화학식 4에서, n은 0 내지 5의 정수임;
    (S2) 상기 (S1) 단계에서 제조된 상기 할로히드린 수지를 알칼리 금속 수산화물과 반응시켜 하기 화학식 1로 표시되는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 합성하는 단계,
    <화학식 1>
    Figure 112022062014720-pat00015

    상기 화학식 1에서 n은 0 내지 5의 정수임; 및
    (S3) 상기 (S2) 단계에서 합성된 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지를 카르복실산 수용액과 반응시켜 금속 양이온을 제거하여 정제하는 단계;를 포함하되, 제1항의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 카르복실산은 옥살산, 프탈산, 이소프탈산, 테레프탈산, 트리멜리트산, 테트라히드로프탈산, 헥사히드로프탈산, 테트라클로로프탈산, 아디프산, 아젤라산, 세박산, 숙신산, 말산, 글라타르산, 말론산, 피멜산, 및 수베르산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지의 제조방법.
  6. 제1항 또는 제3항의 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 및 경화제를 포함하는, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지는 상기 조성물 전체 중량을 기준으로 10 내지 30 중량%로 포함되는 것인, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 경화제는 페놀계 경화제, 아민계 경화제, 산 무수물계 경화제, 아미드계 경화제 및 이미다졸류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 에폭시 수지 조성물은 추가 에폭시 수지, 경화촉진제 및 무기 충전재 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 더 포함하되,
    상기 추가 에폭시 수지는 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지와는 상이한 에폭시 수지인 것인, 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물.
  10. 제6항에 따른 테트라메틸비페놀형 에폭시 수지 조성물을 포함하는 경화물.


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