KR102636170B1 - 미니/마이크로 led용 접합 소재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 미니/마이크로 LED용 접합 소재 조성물은, 에폭시 40~60 wt%, 활성도막이 코팅된 솔더입자 20~40 wt%, 무기입자 1~10 wt%, 실란커플링제 0.1~5 wt%, 경화제 1~ 10 wt%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

미니/마이크로 LED용 접합 소재 조성물{Adhesive Composition For Bonding Mini/Micro LED}
본 발명은 미니 LED 또는 마이크로 LED용 접합 소재 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미니 LED 또는 마이크로 LED를 기판에 접합시킬 때 사용되는 접합 소재 조성물에 관한 것이다.
1962년 니켈 산화물을 사용하여 최초의 실용적인 LED가 개발된 이후, LED는 7 세그먼트 디스플레이, 도트 매트릭스 디스플레이를 거쳐 LCD 디스플레이의 백라이트로 사용되는 등 디스플레이 분야의 주요 소재로 자리매김하고 있다.
최근에는 기존 LED보다 작은 100~300 ㎛ 크기의 미니 LED, 고밀도 디스플레이를 위한 1 ~100 ㎛ 크기의 마이크로 LED가 개발되는 등, 개별 LED요소의 크기를 감소시키고 픽셀 밀도를 향상시켜 더 선명하고 고화질의 디스플레이가 구현되고 있다. 특히 마이크로 LED는 스마트폰, 텔레비전, 가상현실 및 증강현실 장비등 다양한 분야에 적용되고 있다.
미니 LED나 마이크로 LED를 사용하여 디스플레이 기기를 제작하기 위해서는 기판의 전극 단자와 LED칩의 전극 단자 사이에 접착제를 도포한 후 양 단자를 정확하게 일치시키는 정렬과정을 거쳐, LED칩과 기판에 압력 및 열을 가하여 서로 전기적인 접속을 이루도록 하고 있다.
이와 같은 전기적인 접속을 위해서는 이방성 전도 접착제(Anisotropic Conductive Adhesives, ACA)가 많이 사용되고 있다.
ACA는 전도성 입자와 열경화성 수지로 구성되어 있다. ACA를 기판과 LED칩 사이에 위치시키고 열과 압력을 가하면, 기판 및 LED칩의 전극 단자에 전도성 입자들이 서로 접촉하여 전기적 접속을 이루고, 열경화성 수지는 경화되어 이러한 전기적 접속이 계속 유지되게 한다.
통상 많이 사용되는 전도성 입자로는 니켈로 이루어진 금속 볼, 또는 니켈이나 금이 도금되어 있는 폴리머 볼 등이 있다.
ACA에 의한 접착이 완료된 후에도, 기판 및 LED칩의 단자 사이에 눌러 고정된 전도성 입자는 자체 탄성에 의해 단자간 거리가 멀어지는 방향으로 힘을 작용시키며, 경화된 수지는 시간이 흐름에 따라 열화된다. 열화된 수지와 전도성 입자의 탄성력은 접착부에 균열을 발생시키고, 이러한 균열을 따라 수분이 침투하여 부품이 손상되는 문제점이 발생하기도 한다.
또한, 단자와 전도성 입자는 전도성 입자의 탄성변형에 따라 접촉이 유지되므로, 그 접촉면적이 좁아 전기적 저항이 큰 형태로 전기적 접속이 이루어지는 문제점도 있다.
대한민국 등록특허 10-2258524호에는 면적당 도전볼 점유율을 60%이상으로 한정한 이방성 도전시트를 사용하여 마이크로 LED를 기판에 접속시키는 것이 개시되어 있다.
마이크로 LED를 부착할 때는 열적 손상을 받기 쉽기 때문에, 고온과 압력을 가하는 본딩 과정이 단시간에 이루어지도록 하는 것이 중요하다.
본 출원인은 대한민국 등록특허 10-2489828호에서 이와 같은 열적 손상을 최소화시키기 위해 활성도막을 형성한 솔더 입자를 개시한 바 있는데, 활성도막에 의해 솔더입자가 신속히 용융되어 단자간 전기적 접속을 이루게 된다.
KR 10-2258524 B1, 2021.05.28, 청구항 1 KR 10-2489828 B1, 2023.01.18, 청구항 1
본 발명은 미니/마이크로 LED가 열적 손상없이 신속하게 기판에 전기적 접속을 이룰 수 있는 접합 소재 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 미니/마이크로 LED용 접합 소재 조성물은,
에폭시 40~60 wt%, 활성도막이 코팅된 솔더입자 20~40 wt%, 무기입자 1~10 wt%, 실란커플링제 0.1~5 wt%, 경화제 1~ 10 wt%로 이루어지며, 상기 경화제는 180~250 ℃에서 경화되는 것으로, Phthalic acid, Metyl nadic anhydride(MNA), Hexahydrophthalic anhydride(HHPA), Tetrahydrophthalic anhydride(THPA), Phthalic anhydride(PA), Dodecenylsuccinic anhydride(DDSA), Chlrorendic anhydride(HEAT), Pyromellitic dianhydride(PMDA)중 2개 이상을 선택하여 혼합한 것을 특징으로 한다.
상기 에폭시는 Modified DGEBA Type Epoxy, Modified DGEBF Type Epoxy, Novolac Type Epoxy, Brominated Epoxy, Cycloaliphatic Epoxy, Rubber Modified Epoxy, Aliphatic Polyglycidyl Type Epoxy, Glycidyl Amine Type Epoxy 중 2~4 개를 선택하여 혼합한 것이 바람직하다.
상기 무기입자 1~10 wt%는 poly methyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyacrylic acid 중 하나 이상을 선택하여 혼합한 것 0.1~2 wt%와 실리카 0.9~8 wt%로 이루어진 것이 바람직하다.
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삭제
상기 활성도막이 코팅된 솔더입자는 Sn, Cu, Au, Ag, Bi 군 중 두 개 이상을 선택하여 합금 형태로 만든 솔더입자에 활성도막을 코팅한 것이 바람직하다.
상기 실란커플링제는 2-(3,4 epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-Glycidoxypropyl methyldimethoxysilane, 3-Glycidoxypropyl trimethoxysilane, 3-Glycidoxypropyl methyldiethoxysilane, 3-Glycidoxypropyl triethoxysilane, 3-Acryloxypropyl trimethoxysilane 중 하나를 선택한 것이 바람직하다.
본 발명의 접합 소재 조성물에 의하면 미니/마이크로 LED에 열적 손상을 방지하며 전기적 접속을 형성할 수 있으며, 접착 구조물의 내구성이 향상되는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 그 실시예에 따라 보다 상세하게 설명한다.
본 실시예 접합 소재 조성물은, 에폭시 40~60 wt%, 활성도막이 코팅된 솔더입자 20~40 wt%, 무기입자 1~10 wt%, 실란커플링제 0.1~5 wt%, 경화제 1~ 10 wt%로 이루어져 있다.
에폭시는 서로 접착될 양측 기재를 단단하게 접착시키는 베이스 수지이다. 본 실시예에서는 Modified DGEBA Type Epoxy(변성 비스페놀 A형 에폭시), Modified DGEBF Type Epoxy(비스페놀 F형 에폭시)를 혼합하여 사용하였다. Modified DGEBA Type Epoxy는 구조상 사슬 길이가 길어 경화속도가 느리지만, 난연성을 가져 화재시 유독가스가 발생하면 안되는 자동차 소재의 특성에 부합된다. Modified DGEBF Type Epoxy는 사슬 길이가 짧아 경화속도가 빠르다. 서로 다른 역할에 따라 상호 보완되는 성질을 얻기 위하여 에폭시는 아래 [표 1]과 같은 에폭시 군 중 2~4종을 선택하고 이들을 혼합해서 사용한다.
1 Modified DGEBA Type Epoxy
2 Modified DGEBF Type Epoxy
3 Novolac Type Epoxy
4 Brominated Epoxy
5 Cycloaliphatic Epoxy
6 Rubber Modified Epoxy
7 Aliphatic Polyglycidyl Type Epoxy
8 Glycidyl Amine Type Epoxy
상기와 같은 혼합 및 본 발명에서 선택된 경화제의 조합을 통해 자동차 전장부품에서 요구되는 고신뢰성, 고접착력, 내흡성, 난연성, 내유성, 내화학성과 같은 성질을 구비할 수 있게 된다.
경화제는 원하는 온도범위에서 에폭시를 경화시키기 위한 것으로, 본 실시예에서는180~250 ℃의 온도범위에서 경화반응이 개시되고 종료되는 [표 2]와 같은 고온 경화제군 중 2종 이상을 혼합하여 사용한다.
1 Phthalic acid
2 Metyl nadic anhydride(MNA)
3 Hexahydrophthalic anhydride(HHPA)
4 Tetrahydrophthalic anhydride(THPA)
5 Phthalic anhydride(PA)
6 Dodecenylsuccinic anhydride(DDSA)
7 Chlrorendic anhydride(HEAT)
8 Pyromellitic dianhydride(PMDA)
무기입자는 양 단자 사이에 간격을 확보하고 점도를 조절해주는 역할을 하게 되는데, 실리카는 강도 향상 및 점도 조절의 용도로 포함되며, poly methyl methacrylate(PMMA), polyacrylonitrile(PAN), polyacrylic acid (PAA) 중 하나 이상이 선택되어 단자간 간격을 유지해주는 개퍼(Gapper) 역할을 하게 된다.
상기 무기입자 1~10 wt%의 조성비는 PMMA, PAN, PAA 중 하나 이상으로 0.1~2 wt%, 실리카 0.9~8 wt%가 합하여 이루어지며 이에 따라 표기된 것이다. 본 실시예에서는 실리카와 함께 첨가되는 무기입자로 PMMA를 선택하였다
활성도막이 코팅된 솔더입자는 Sn, Cu, Au, Ag, Bi 군 중 두 개 이상을 선택하여 합금 형태로 만든 솔더에 활성도막을 코팅한 것으로, 코팅 방법은 대한민국 등록특허 10-2489828호에 개시된 방법에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 본 실시예에서의 솔더입자는 입경 2~10 ㎛의 SAC305 (Sn/Ag/Cu)를 사용하였다.
양 단자들 사이는 상기 개퍼 역할을 하는 무기입자에 의해 그 간극이 유지되는 한편, 솔더입자는 종래의 ACA에 포함된 단자와 탄성접촉하는 전도성 입자와 달리 상기 경화제의 온도범위인 180~250 ℃에서 완전히 녹아 상기 기재의 단자 사이에 납땜 결합을 이루게 된다. 이에 따라 단자 사이는 종래의 ACA가 나타내는 전기저항에 비해 훨씬 낮은 전기 저항값을 가지며 전기적 접속을 이루게 된다.
실란커플링제는 계면 제어에 의한 접착·밀착성이나 이종 재료의 친화성 향상을 위해 채택되며, 다음 [표 3]에 제시된 실란커플링제군 중 2종 이상을 선택하여 사용하게 된다.
1 2-(3,4 epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane
2 3-Glycidoxypropyl methyldimethoxysilane
3 3-Glycidoxypropyl trimethoxysilane
4 3-Glycidoxypropyl methyldiethoxysilane
5 3-Glycidoxypropyl triethoxysilane
6 3-Acryloxypropyl trimethoxysilane
본 실시예의 실란커플링제 군은 말단에 에폭시 기가 달려 있어 본 실시예와 같이 에폭시가 주를 이루는 접착제의 조성으로 적합하다.
Modified DGEBA Type Epoxy와 Modified DGEBF Type Epoxy을 중량비 1:1로 혼합한 에폭시 40wt%, 활성도막이 코팅된 SAC305 솔더입자 40 wt%, 실리카 8 wt%, PMMA 0.5 wt%, 3-Glycidoxypropyl trimethoxysilane로 선택된 실란커플링제 0.5 wt%, Diethylenetriamine(DETA)과 m-pthenylenediamine(m-PDA)를 중량비 1:1로 혼합한 경화제 11 wt%로 제조된 도전성 접착제를 사용하여, 180~250℃, 0.1~0.5Mpa, 3~20초 가압의 조건으로 미니/마이크로 LED를 기판에 연결한 결과, 압력에 의한 손상 및 부품의 열적 손상이 나타나지 않았다.
본 출원에 개시된 접합 소재 조성물은 미니/마이크로 LED 뿐만 아니라 다양한 전자기기에 적용될 수 있음은 물론이다.

Claims (6)

  1. 에폭시 40~60 wt%, 활성도막이 코팅된 솔더입자 20~40 wt%, 무기입자 1~10wt%, 실란커플링제 0.1~5 wt%, 경화제 1~ 10 wt%로 이루어지며;
    상기 경화제는 180~250 ℃에서 경화되는 것으로, Phthalic acid, Metyl nadic anhydride(MNA), Hexahydrophthalic anhydride(HHPA), Tetrahydrophthalic anhydride(THPA), Phthalic anhydride(PA), Dodecenylsuccinic anhydride(DDSA), Chlrorendic anhydride(HEAT), Pyromellitic dianhydride(PMDA) 중 2개 이상을 선택하여 혼합한 것을 특징으로 하는 미니/마이크로 LED용 접합 소재 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에폭시는 Modified DGEBA Type Epoxy, Modified DGEBF Type Epoxy, Novolac Type Epoxy, Brominated Epoxy, Cycloaliphatic Epoxy, Rubber Modified Epoxy, Aliphatic Polyglycidyl Type Epoxy, Glycidyl Amine Type Epoxy 중 2~4 개를 선택하여 혼합한 것을 특징으로 하는 미니/마이크로 LED용 접합 소재 조성물.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무기입자 1~10 wt%는 poly methyl methacrylate, polyacrylonitrile, polyacrylic acid 중 하나 이상을 선택하여 혼합한 것 0.1~2 wt%, 실리카 0.9~8 wt%로 이루어진 것을 특징으로 하는 미니/마이크로 LED용 접합 소재 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성도막이 코팅된 솔더입자는 Sn, Cu, Au, Ag, Bi 군 중 두 개 이상을 선택하여 합금 형태로 만든 솔더입자에 활성도막을 코팅한 것을 특징으로 하는 미니/마이크로 LED용 접합 소재 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 실란커플링제는 2-(3,4 epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-Glycidoxypropyl methyldimethoxysilane, 3-Glycidoxypropyl trimethoxysilane, 3-Glycidoxypropyl methyldiethoxysilane, 3-Glycidoxypropyl triethoxysilane, 3-Acryloxypropyl trimethoxysilane 중 하나를 선택한 것을 특징으로 하는 미니/마이크로 LED용 접합 소재 조성물.
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