KR20050076891A

KR20050076891A - 절연성 도전입자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이방성도전재료

Info

Publication number: KR20050076891A
Application number: KR1020040004673A
Authority: KR
Inventors: 이가영; 장두원; 신경훈
Original assignee: 제일모직주식회사
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2005-07-29
Also published as: KR100566102B1

Abstract

본 발명은 커플링제로 처리된 무기 자입자가 도전성 모입자의 표면에 결합되어 절연층을 형성한 절연성 도전입자에 관한 것으로, 이때 무기 자입자 표면의 관능기와 금속의 친화성 때문에 도전성 모입자의 표면에 무기 자입자 절연층이 형성되며 이 자입자는 단순히 물리적으로 부착되어 있는 절연성 피복 입자보다는 더 부착력이 크며 공유 결합에 의한 부착보다는 부착력이 작아, 열과 압력이 없는 경우에는 절연성을 유지하고 열과 압력이 주어지는 경우에는 절연층이 파괴되어, 절연성과 도전성의 균형이 적절히 이루어져 있다. 또한 물성이 안정되고 경제적으로 생산할 수 있다는 장점이 있다.

Description

절연성 도전입자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 이방성 도전재료 {CONDUCTIVE PARTICLES HAVING INSULATING LAYER ON THE SURFACE, METHOD FOR PREPARING THE SAME AND ANISOTROPIC ELECTROCONDUCTIVE MATERIAL CONTAINING THE SAME}

본 발명은 액정표시장치(LCD)를 비롯한 각종 디스플레이 장치 및 반도체 장치의 실장시, 모듈 간이나 IC칩-회로간 등의 광범위 접속 재료로서 사용 가능한 이방성 도전 필름에 사용될 수 있는 절연성 도전입자에 관한 것으로, 좁은 피치(pitch) 간격에서도 높은 절연성을 나타내는 새로운 개념의 절연성 도전입자와 이를 이용한 이방성 도전재료에 관한 것이다.

종래 반도체 칩(Chip)이나 액정 표시 장치의 리드(Lead)선과 그 구동회로의 연결 부분의 결합은 범프(Bump)를 형성하거나 캐리어 테이프(Career Tape)를 이용하는 방법이 이용되었다. 그러나 이러한 방법은 보다 세밀화되는 연결 부분을 형성하기에는 부적당하다. 그리하여 이를 개선할 수 있는 이방성 도전 필름이 반도체 소자와 같은 전자 부품 및 회로판을 전기적으로 접속시키기 위한 재료로서 널리 사용되게 되었다. 전자 부품의 경박 단소화 경향에 따라 이방성 도전 필름의 사용 분야는 더욱 다양화되고 있는데, 최근 컴퓨터 모니터는 물론 텔레비젼의 형태도 박막화되어 가는 경향에 따라, LCD 모니터, 평판 디스플레이, 고화질 텔레비젼 등의 생산에 ACF(Anisotropic Conductive Film)를 이용한 접속방법이 널리 사용되고 있는 실정이다. 또한, 특히 LCD 실장기술에서 ACF 사용법이 심화되어, COF(Chip On Film) 또는 COG(Chip on Glass)법으로 필름이나 유리기판 위에 직접 반도체 회로를 실장하는 방법도 급속히 발전하는 추세에 있다. 이러한 이방성 도전 필름과 관련된 특허의 예로는 일본 특허공개 평5-21094호, 평5-206020호, 평7-302666호, 평7-302667호, 평7-211374호, 평8-311420호, 평9-199206호, 평9-115335호 등이 있다.

이방성 도전 필름은 기본적으로 도전성 입자와 절연성 수지로 구성되어 있다. 전기적 도전성을 나타내는 입자로는 초기에는 탄소섬유(carbon fiber)가 사용되었으며, 그 후 솔더볼(solder ball)이 사용되다가, 현재는 니켈입자나 플라스틱입자에 니켈과 금 등이 도금된 도전입자가 주로 사용되고 있다. 니켈은 낮은 가격과 비교적 좋은 전기 전도도를 가지고 있으나, 고온 고습한 조건에 노출될 경우 표면에서 부식이 일어나거나 산화되는 등의 문제가 발생할 수도 있다.

현재 ACF를 COG 용도 등에서 100㎛ 이하의 미세 패턴(Fine pattern)에 사용하는 경우에 일반적인 도전입자를 사용하는 경우 도전입자의 응집에 의하여 인접 회로 간의 절연성이 파괴되기 쉬운 문제가 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 여러 가지 해법들이 제안된 바, 주로 도전 입자의 표면에 전기 절연층을 형성시켜 도전성 입자간의 직접적 접촉을 방지하는 방법들이다. 일본 특허공보 제2836337호 또는 제3050384호 등이 도전성 입자의 표면에 전기 절연층을 형성하는 새로운 기술에 대한 특허들이다.

현재까지 도전입자의 표면에 전기 절연층을 형성하는 방법으로는 아래와 같이 주로 3가지의 방법이 제안된 바 있다.

(1) 금속 표면 산화법 : 도전성 입자 표면이 Ni이나 Al인 경우에 산소 존재 하에서 가열하면 도전성 입자의 표면에 Ni 또는 Al의 산화피막이 형성되어 이것이 전기 절연층으로서의 역할을 하는 방법이다. 이 방법은 적용 가능한 금속의 종류가 제한적이며 전기 절연층의 두께가 충분하지 않다는 문제점이 있다.

(2) 용액법 : 전기 절연성의 수지를 용제에 용해하고 도전성 입자를 이 용액에 분산시킨 후 이를 건조하여 도전성 입자의 표면에 전기 절연성의 수지층를 형성하는 방법이다. 이 방법은 쉽고 간편하기는 하나 수지를 용제에 용해시켜야만 가능하므로 용해 가능한 수지로만 수지의 종류가 한정되고 전기 절연층의 두께를 충분하면서 동시에 균일하게 제조하는 것이 어렵다는 단점이 있다.

(3) 건식법 : 전기 절연성의 수지를 분체로 만든 후 도전성 입자와 혼합한 후 고속에서 충돌시키는 방법을 이용하여 도전성 입자의 표면에 전기 절연성의 수지층을 형성시키는 방법이다. 이때 Mechano-fusion system과 같은 표면 개질 기기가 사용될 수 있다. 그러나 이 방법으로는 일시에 생산 가능한 양이 제한적이므로 생산성이 좋지 않고, 전기 절연층이 충분히 도전 입자와 밀착하기 어렵기 때문에 절연층의 박리가 발생하기 쉬우며 절연층 두께 또한 균일하지 못하는 등의 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 도전성 모입자의 표면에 절연성 자입자를 결합시킴에 의해 절연층을 형성시킨 새로운 개념의 절연성 도전입자를 제공함을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 하나의 측면은 커플링제로 처리된 무기 자입자가 도전성 모입자의 표면에 결합되어 절연층을 형성한 절연성 도전입자에 관한 것이다.

본 발명의 다른 측면은 무기 자입자의 표면을 커플링제로 처리하는 단계; 및

상기 처리된 무기 자입자를 도전성 모입자의 표면에 결합시켜 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 절연성 도전입자의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 절연성 도전입자를 포함하는 이방성 도전재료에 관한 것이다.

이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 무기입자를 금속과 친화성이 강한 관능기를 포함하는 커플링제와 반응 또는 흡착시켜 금속 친화성의 자입자를 제조한 후, 이를 도전성 모입자와 접촉시키면 관능기의 강한 금속 친화성에 의하여 도전성 모입자 표면에 무기 자입자로 이루어지는 전기 절연층이 형성되는 현상을 이용하였다.

본 발명에서 사용되는 도전성 모입자로는 일반적으로 알려진 금속 입자 자체 또는 금속을 유기 입자나 무기 입자에 도금한 금속 도금 입자 중 어느 쪽이라도 좋다. 즉, 표면이 금속이라면 그 내부는 금속 입자 또는 유기 입자 또는 무기 입자 등 어느 것이라도 좋다. 금속의 예로는 니켈, 금, 은, 구리, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 이리듐, 코발트, 알루미늄, 티탄, 바나듐, 크롬, 망간, 지르코늄, 몰리브덴, 인듐, 안티몬, 텅스텐 등이 가능하고, 유기계 입자의 예로는 스티렌계 수지 입자, 실리콘계 입자, 폴리에스테르계 입자, 폴리우레탄계 입자, 폴리아미드계 입자, 페놀계 입자, 테르펜계 입자, 멜라민계 입자, 구아나민계 입자 또는 이들의 복합수지 입자 등을 들 수 있다. 무기 입자의 예로는 알루미나, 이산화티탄, 티탄산 칼슘, 티탄산 마그네슘, 산화 아연, 클레이, 탄산 칼슘, 실리카, 탄화 텅스텐, 카본 블랙 등이 가능하다. 이러한 유기 입자 또는 무기 입자의 표면에 금속 도금을 하여 도전 입자를 만드는 경우에는 금, 은, 니켈, 팔라듐, 구리 등의 금속을 단독으로 또는 합금의 형태로 도금하는 것이 가능하고, 이러한 금속 도금을 한 층 또는 다층으로 도금하여도 좋다. 이러한 모입자의 체적 평균 입경으로는 이방 도전성 필름의 재료로 이용하기 위해서는 1∼50㎛의 범위가 바람직하다. 그 모입자의 평균 입경이 1㎛ 미만인 경우에는 이방성 도전 재료로 사용될 때 회로간의 도통을 얻기 어렵다. 한편 평균 입경이 50㎛ 초과인 경우에는 인접 회로간의 단락의 원인이 되기 쉽다.

본 발명에서 모입자 표면에 절연층을 형성하기 위해 사용되는 무기 자입자로는 알루미나, 이산화티탄, 티탄산 칼슘, 티탄산 마그네슘, 산화 아연, 클레이, 탄산 칼슘, 실리카, 탄화 텅스텐 등이 사용가능하며, 바람직하게는 표면이 OH기 처리된 친수성 퓸드 실리카(Hydrophilic fumed silica)를 사용한다. 다만 모입자에 비하여 일정 비율 이상의 크기인 경우 모입자의 표면에 흡착하기가 어려우므로 적당한 크기의 자입자를 선택하는 것이 중요하다. 즉, 자입자의 체적 평균 입경은 모입자의 평균 입경의 1/3 이하, 바람직하게는 1/5 이하, 보다 바람직하게는 1/10 이하가 좋다. 자입자의 평균 입경이 모입자의 1/3보다 큰 경우에는 부착 상태가 안정되지 않고 모입자와 자입자의 과응집체가 생성된다.

본 발명에서 사용 가능한 금속과 친화성이 강한 관능기를 가지는 커플링제 화합물로는 티올(-R-S-H), 티오에테르(-R-S-R'), 디설파이드(-R-S-S-R') 등의 관능기를 가진 실란 커플링제가 대표적이다. 예로는 상업적으로 쉽게 얻어지는 3-머켑토 프로필 트리 메톡시 실란, 3-머켑토 프로필 트리 에톡시 실란, 4-머켑토 부틸 메톡시 실란, 4-머켑토 부틸 에톡시 실란 등이 사용 가능하며, 또한 이러한 물질 이외에도, 상기 관능기 수가 1∼3이고 커플링이 가능한 실란이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.

본 발명에서 무기 자입자를 커플링제로 처리하는 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 우선 유기 용매 상에 무기 자입자를 균일하게 분산시킨 후, 커플링제를 혼합하고 촉매로서 질산을 도입한다. 이 때, 유기용매로는 에틸알콜 또는 메틸알콜을 사용할 수 있고, 커플링제는 무기 자입자 100중량부 대비 1~5중량부의 함량으로 사용한다. 촉매로서 사용되는 질산은 62중량% 순도의 질산 용액을 사용하며, 무기 자입자 100중량부 대비 1~10중량부의 함량으로 사용한다. 그러나 상기 기술된 방법에 제한되지 않고, 종래 기술로부터 예측되는 다양한 방법을 사용할 수 있다.

한편 상기 커플링제 처리된 무기 자입자와 도전성 모입자의 반응은 분산 매체 존재하에서 혼합 처리에 의해 이루어진다. 상기 분산 매체로는 물, 메틸 알코올, 에틸 알코올, 이소프로필 알코올, 부틸 알코올 등의 알코올류, 헥산, 펜탄, 시클로헥산 등의 탄화 수소류, 초산 에틸 등의 에스테르류 등을 들 수 있고, 이것들을 1종 또는 2종 이상을 병용하는 것도 가능하다.

상기 혼합 처리 공정에서 분산매체 내에서 입자의 농도는 자입자 및 모입자의 종류 및 입경 등에 따라서 다르지만 통상 5∼25중량% 범위가 바람직하다. 혼합 처리에서 입자 농도가 5 중량% 미만인 경우에는 모입자와 자입자의 접촉 확률이 저하되어 처리에 오랜 시간이 필요하고 또 경제적으로 바람직하지 않다.

또한 무기 자입자와 도전성 모입자의 혼합비는 25:1∼15:1로 하는 것이 바람직하다. 혼합비가 상기 범위를 벗어나 무기 자입자가 도전성 모입자에 비해 과량인 경우 무기 자입자 상호간에 응집 현상이 발생하여 통전성이 저하될 수 있고 반대로 자입자가 모입자에 비해 극히 소량인 경우 도전성 모입자 표면의 금 도금 층이 충분히 절연되지 못하고 통전되는 문제점이 있다.

반응 조건은 모입자 및 자입자의 종류나 입자 농도 그리고 입자 비중 등에 따라 달라 질 수 있지만, 반응 온도는 20∼200℃, 바람직하게는 30∼150℃, 보다 바람직하게는 40∼100℃의 범위이며, 또 교반 속도는 모입자와 자입자를 균일하게 분산시키는 속도가 적당하다.

상기와 같은 방법에 의해 제조된 절연성 도전입자는 단순히 물리적으로 부착되어 있는 절연성 피복 입자보다는 부착력이 크며, 공유 결합에 의한 부착보다는 부착력이 작아, 열과 압력이 없는 경우에는 절연성을 유지하고 열과 압력이 주어지는 경우에는 쉽게 절연층이 파괴되어 절연성과 도전성의 균형이 적절히 이루어져 있으므로, 안정된 물성을 나타낸다.

본원발명의 절연성 도전입자는 다양한 이방성 도전재료를 형성하는데 사용될 수 있다. 구체적으로는 수지 등의 매트릭스(matrix) 재료 중에 분산시키거나, 필름상 접착제, 페이스트상 접착제 등의 형태로 이용될 수 있다. 이 경우 이방성 도전재료 중에 포함된 절연성 도전입자의 함량은 입자의 표면이 절연성을 띠기 때문에 다량을 배합해도 인접 회로간의 단락이 발생하지 않기 때문에 특별히 한정되지 않지만, 통상 1∼95중량%의 범위이다.

본 발명의 절연성 도전입자가 적용되는 대표적인 이방성 도전재료에 대해서 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.

(1) 이방성 접착 필름(Anisotropic Conductive Film)

필름상 접착제는 상기 절연성 도전입자를 절연성 접착제 중에 분산시킨 뒤에 필름 상으로 형성시킨 것이다. 절연성 접착제로는 절연 시트(Sheet) 등에 사용되고 있는 열가소성 재료나, 열이나 빛에 의하여 경화성을 나타내는 경화성 재료가 넓게 적용될 수 있지만, 이 중에서 에폭시계 접착제는 단시간에 경화가 가능하여 접속 작업성이 좋고 또 분자 구조 상 접착력이 우수하다는 등의 특징이 있어 바람직하다. 에폭시계 접착제로서는 예를 들면 고분자 에폭시, 고형 에폭시와 액상 에폭시, 페녹시 수지와 액상 에폭시, 우레탄이나 폴리에스테르, NBR 등을 혼합한 에폭시를 주성분으로 하고, 이에 잠재성 경화제나 커플링제 등의 각종 첨가제, 촉매 등을 첨가한 시스템이 일반적이다. 이방성 도전 필름의 제작은 공지의 방법에 의할 수 있다.

(2) 페이스트상 접착제

상기 접착 필름(ACF)와 유사한 절연성 접착제를 적당한 용제 내에서 상기 절연성 도전입자와 혼합하여 페이스트상으로 만들어 사용면에 도포하는 것에 의해 이방 도전성 접착제로 적욜할 수 있다. 이방 도전성 페이스트상 접착제의 제작도 공지의 방법에 따른다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

반응 용기에 실리카(데구사 QS-10)60g, γ-머켑토 프로필 트리메톡시 실란 2g, 질산 5g 및 에탄올 200g을 넣고, 60℃의 온도를 유지하면서 실리카와 실란 커플링제를 반응시켜 머켑토 관능기를 가진 자입자를 제조하였다. 위 반응이 끝난 후 도전입자(NCI 9.7GNR -10㎛ 평균 입경) 3g을 투입하고, 다시 50℃에서 20시간 동안 반응시킨 후 자석을 이용하여 반응이 끝난 절연성 도전입자를 회수하였다.

실시예 2

반응 용기에 알루미나 60g, γ-머켑토 프로필 트리메톡시 실란 2g, 질산 5g 및 에탄올 200g을 넣고, 60℃의 온도를 유지하면서 알루미나와 실란 커플링제를 반응시켜 머켑토 관능기를 가진 자입자를 제조하였다. 위 반응이 끝난 후 도전입자(NCI 9.7GNR -10㎛ 평균 입경) 3g을 투입하고, 다시 50℃에서 20시간 동안 반응시킨 후 자석을 이용하여 반응이 끝난 절연성 도전입자를 회수하였다.

[물성 평가]

실시예 1과 실시예 2에서 만들어진 절연성 도전입자의 물성을 아래와 같이 평가하였다.

(1) 제조된 절연성 도전입자의 절연성 평가

회수된 절연성 도전입자(도전입자와 머켑토 관능기에 의해 도전입자의 표면 금속층과 결합한 무기입자)의 절연성을 평가하기 위하여 실시예 1과 실시예 2에 의해 제조된 절연성 도전입자의 절연성을 TEST하기 위하여 도전입자를 미소압축경도계를 이용하였다. 그 결과는 아래와 같다.

	초기 저항치	20% 압축 후(20mN의 힘으로 압축)
실시예 1	10⁹Ω 이상	100Ω 이하
실시예 2	10⁹Ω 이상	100Ω 이하
NCI 9.7GNR (처리전)	100Ω 이하	100Ω 이하

위의 표에서 볼 수 있는 바와 같이 반응시키지 않은 원래의 도전입자는 미소압축경도계로 접속 저항 측정시 초기부터 100Ω(한 개의 저항치) 이하의 접속저항을 나타내지만, 실시예 1, 2에서 제조된 절연성 도전입자의 경우에는 초기에는 접속 저항이 10⁹Ω 이상으로 측정되어 절연성을 나타내는 것을 알 수 있고, 또한 이 절연 처리된 도전입자를 압축하면 원래 크기의 20% 정도 압축되었을 때 절연층이 파괴되며 접속 저항이 급격히 낮아져 100Ω 이하의 접속 저항을 나타냄을 알 수 있다. 즉 절연층이 파괴되면서 도전성을 회복하는 것을 볼 수 있다. 또한 전자 주사 현미경(SEM)으로 관찰해 보면 모입자의 표면에 자입자들이 붙어 있는 것을 확인할 수 있다.

(2) 이방성 도전 필름 상에서의 도전성 평가

다음으로 실제 사용되는 예와 같이 이방성 도전 필름 상으로 만들어 도전성을 평가해 보았다.

평가 1 : 실시예 1에서 얻어진 절연성 도전입자를 경화제를 포함한 에폭시계 접착제에 고형분 무게비율로 20%가 되게 배합하여 두께 25㎛의 이방성 도전 필름을 만들고 이 필름상 접착제를 유리 기판상의 ITO 전극과 피치(pitch) 50㎛ 두께 35㎛의 구리 회로에 주석 도금을 입힌 FPC와의 사이에 끼우고 170℃-20 Kgf/㎠-20sec의 열압착 조건에서 접속시켰다. 이 회로에 전압을 인가하였을 때 접속 저항이 9.6Ω이었으므로 도통이 되는 것이 확인되었다.

평가 2 : 실시예 2에서 얻어진 절연성 도전입자를 평가 1과 동일한 방법으로 필름화하고 회로를 만들었다. 이 회로에 전압을 인가한 후 측정한 접속 저항은 5.8Ω으로 도통이 되는 것이 확인되었다.

본원 발명에 의한 절연성 도전입자는 단순히 물리적으로 부착되어 있는 절연성 피복 입자보다는 더 부착력이 크며 공유 결합에 의한 부착보다는 부착력이 작아 열과 압력이 없는 경우에는 절연성을 유지하고 열과 압력이 주어지는 경우에는 쉽게 절연층이 파괴되어 절연성과 도전성의 균형이 적절히 이루어져 있어, 물성이 안정되고 경제적으로 생산할 수 있다는 장점이 있으므로, 모듈 간이나 IC칩-회로간 등의 광범위 접속 재료로서 유용하게 적용가능하다.

Claims

커플링제로 처리된 무기 자입자가 도전성 모입자의 표면에 결합되어 절연층을 형성한 절연성 도전입자.
제 1항에 있어서, 상기 커플링제가 티올, 티오에테르 또는 디설파이드 관능기를 가진 실란 커플링제인 것을 특징으로 하는 절연성 도전입자.
제 1항에 있어서, 상기 무기 자입자가 알루미나, 이산화티탄, 티탄산 칼슘, 티탄산 마그네슘, 산화 아연, 클레이, 탄산 칼슘, 실리카, 및 탄화 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 절연성 도전입자.
제 1항에 있어서, 상기 도전성 모입자가 금속 입자 또는 금속도금된 유기 또는 무기입자인 것을 특징으로 하는 절연성 도전입자.
무기 자입자의 표면을 커플링제로 처리하는 단계; 및

상기 처리된 무기 자입자를 도전성 모입자의 표면에 결합시켜 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 절연성 도전입자의 제조방법.
제 1항에 따른 절연성 도전입자를 포함하는 이방성 도전재료.
제 6항에 있어서, 상기 이방성 도전재료가 필름 또는 페이스트상 접착제인 것을 특징으로 하는 이방성 도전재료.