KR20180046794A

KR20180046794A - 샌드위치형 고분자 접착 시트 및 이를 이용한 접착 방법

Info

Publication number: KR20180046794A
Application number: KR1020160142404A
Authority: KR
Inventors: 손소리; 김현우; 정기영; 박윤철
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-09

Abstract

본 발명은 샌드위치형 고분자 접착 시트 및 이를 이용한 접착 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내측 열가소성 고분자층; 상기 내측 열가소성 고분자층의 양면에 배치된 외측 열가소성 고분자층을 포함하며, 상기 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도는 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도보다 높은, 고분자 적층체로 이루어진 접착제, 및 이를 이용한 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용한 접착 방법에 관한 것이다.

Description

샌드위치형 고분자 접착 시트 및 이를 이용한 접착 방법{SANDWICH TYPE POLYMER ADHESIVE SHEET AND METOHD FOR ADHESION USING THE SAME}

본 발명은 샌드위치형 고분자 접착 시트 및 이를 이용한 접착 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 녹는점(연화 온도)이 상이한 고분자 시트를 샌드위치 형태로 적층한 다층 접착 시트 및 이를 이용한 효과적인 접착 방법에 관한 것이다.

금속-금속, 금속-세라믹 또는 세라믹-세라믹 사이의 결합을 위해, 종래에는 열 압착 결합(thermal compression bonding, TCB), 전자 빔 용접(electron beam welding, EBW), 유리 밀봉 기술(glass sealing) 등이 이용되고 있다. 그러나, 이러한 접합 기술은 1000℃에 육박하는 고온과 높은 진공의 조건이 요구되며, 이때 소요되는 긴 접합 시간 등은 모두 제조 단가의 상승으로 이어진다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 약 150℃의 저온에서 수행될 수 있는 금속 용융 접합 기술이 연구되고 있지만 소수의 특정 재료를 사용하여 접착해야 하는 한계가 있고, WO2011-007947A1에 개시된 바와 같은 종래 고분자를 이용한 접착의 경우 전도성 고분자를 이용하여 전기적 접착을 수행하는 것으로 전도성 접합 입자를 사용하여야 하며, 접착을 위해 전기적 접속이 요구되는 등과 같이 접착을 위한 복잡한 과정이 요구된다.

고분자, 특히 열가소성 고분자는 금속이나 세라믹에 비해 유연하고, 시트 형태로 구현되는 경우 시트의 두께가 얇아져도 그 특성을 잘 유지하는 특성을 갖는다. 또한, 금속이나 세라믹보다 녹는점(연화 온도)이 상대적으로 매우 낮기 때문에 원하는 모양에 맞게 성형하는 공정이 용이하다.

이러한 특성을 활용하여 기존의 무기물 접합에 고분자를 응용하여 무기물 사이의 계면에서 우수한 접착 효과를 나타낼 수 있는 고분자 접착 시트가 개발되는 경우에는 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

이에 본 발명의 한 측면은 무기 재료 계면의 접착에 효과적으로 적용될 수 있는 샌드위치형 고분자 접착 시트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은 상기와 같은 본 발명의 접착 시트를 이용한 접착 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 견지에 의하면, 내측 열가소성 고분자층; 상기 내측 열가소성 고분자층의 양면에 배치된 외측 열가소성 고분자층을 포함하며, 상기 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도는 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도보다 높은, 고분자 적층체로 이루어진 접착제가 제공된다.

상기 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도는 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도보다 20 내지 200℃ 높은 것이 바람직하다.

상기 외측 열가소성 고분자층은 폴리이미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 플루오로폴리머 등로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 고분자로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 내측 열가소성 고분자층은 폴리이미드, 폴리에틸렌, 플루오로폴리머 등로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 고분자로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 외측 열가소성 고분자층의 두께는 5 내지 100μm인 것이 바람직하다.

상기 내측 열가소성 고분자층의 두께는 50 내지 200μm인 것이 바람직하다.

상기 외측 열가소성 고분자층은 내측 열가소성 고분자층의 일면에 배치된 제1 외측 열가소성 고분자층 및 내측 열가소성 고분자층의 타면에 배치된 제2 외측 열가소성 고분자층으로 이루어지며, 상기 제1 외측 열가소성 고분자층 및 제2 외측 열가소성 고분자층은 동일한 고분자 재료로 이루어지거나, 상이한 고분자 재료로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기 본 발명의 샌드위치형 고분자 접착 시트를 접착이 요구되는 두면 사이에 배치하는 단계; 및 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도와 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도 사이의 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용한 접착 방법이 제공된다.

상기 접착이 요구되는 두 면은 각각 금속 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되는 것이 바람직하다.

상기 금속은, 스테인레스 스틸, 구리 및 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속인 것이 바람직하다.

상기 가열하는 단계의 온도는 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도보다 5℃ 이상 높고, 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도 보다 5℃ 이상 낮은 온도인 것이 바람직하다.

상기 가열하는 단계와 동시에 또는 후속적으로 압력을 가하는 단계가 추가로 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 무기 재료 계면의 접착을 위해 수행되는 종래 공정에 비해 현저하게 낮아진 접합 온도 및 짧은 접합 시간에 의해서도 효과적인 접착을 획득할 수 있으며, 이에 따라 접착 공정이 매우 간단해지고, 제조 단가의 절감 효과도 획득할 수 있다.

도 1은 본 발명의 샌드위치형 고분자 접착 시트의 단면과 개략적인 접합 방식을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용하여 최종 접합된 결과물의 단면 사진을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 의하면, 연화온도가 상이한 고분자를 샌드위치형의 다층으로 구성한 접착제에 관한 것으로, 이러한 고분자 접착제는 금속 및/또는 세라믹 재료 사이의 결합에 효과적으로 적용될 수 있다.

본 발명에 있어서, 연화 온도는 고분자로 이루어진 특정한 고분자 층이 열에 의하여 변형되어 연화를 일으키기 시작하는 온도를 의미하는 것으로, 유리전이온도 및 녹는점과 동일한 의미로 사용된다.

본 발명의 고분자 적층체로 이루어진 접착제는 내측 열가소성 고분자층; 상기 내측 열가소성 고분자층의 양면에 배치된 외측 열가소성 고분자층을 포함하며, 상기 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도는 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도보다 높은 것이다.

본 발명의 예시적인 고분자 적층체로 이루어진 접착제의 구조를 도 1에 나타내었으며, 도 1에 도시된 바와 같이 내측 열가소성 고분자층(①)의 양 측에 외측 열가소성 고분자층(②)이 배치되어 형성된다.

이때, 상기 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도는 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도보다 20 내지 200℃ 높은 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 50 내지 150℃, 더욱 바람직하게는 70 내지 80℃ 높은 것이다.

상기 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도와 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도 차이가 20℃ 미만인 경우에는 접착을 위해 가열할 수 있는 온도의 범위가 좁아 접착 공정의 운영에 문제가 있을 수 있으며, 또한 접착 공정 시 상기 내외측 열가소성 고분자가 동시에 용융되는 문제가 생길 수 있다. 200℃를 초과하는 경우에는 이러한 조건에 맞는 내측 필름의 제조가 쉽지 않은 문제가 있다.

본 발명에 사용될 수 있는 상기 외측 열가소성 고분자층은 폴리이미드, 폴리에틸렌, 플루오로폴리머 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 고분자로 이루어진 것이 바람직하며, 예를 들어 폴리이미드가 사용될 수 있다.

한편, 상기 내측 열가소성 고분자층은 폴리이미드, 폴리에틸렌, 플루오로폴리머 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 고분자로 이루어진 것이 바람직하며, 예를 들어 폴리이미드가 사용될 수 있다.

상기 외측 열가소성 고분자층의 두께는 5 내지 100μm인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 7 내지 50μm, 더욱 바람직하게는 10 내지 30μm 인 것이다. 상기 외측 열가소성 고분자층의 두께가 5μm 미만인 경우에는 용융 시 접착면에 충분한 기계적 접착력을 가질 수 없는 문제가 있고, 100μm를 초과하는 경우에는 접착면에서 밀림 현상이 생기는 문제가 있다.

한편, 상기 내측 열가소성 고분자층의 두께는 특히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 50 내지 200μm, 바람직하게는 50 내지 200μm 일 수 있다. 상기 내측 열가소성 고분자층의 두께가 50μm 미만인 경우에는 접착물에 가해지는 다양한 기계적, 열적 등의 응력 변화에 취약하다는 문제가 있고, 200μm를 초과하는 경우에는 접착 공정 시 밀림 현상이 생길 수 있다는 문제가 있다.

상기 외측 열가소성 고분자층은 도 1에 도시된 바와 같이 내측 열가소성 고분자층의 일면에 배치된 제1 외측 열가소성 고분자층 및 내측 열가소성 고분자층의 타면에 배치된 제2 외측 열가소성 고분자층으로 이루어지며, 상기 제1 외측 열가소성 고분자층 및 제2 외측 열가소성 고분자층은 동일한 고분자 재료로 이루어질 수 있다.

다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 상기 외측 열가소성 고분자층은 내측 열가소성 고분자층의 일면에 배치된 제1 외측 열가소성 고분자층 및 내측 열가소성 고분자층의 타면에 배치된 제2 외측 열가소성 고분자층으로 이루어지며, 상기 제1 외측 열가소성 고분자층 및 제2 외측 열가소성 고분자층은 상이한 고분자 재료로 이루어질 수 있다.

본 발명의 상기 샌드위치형 고분자 접착 시트의 제조 방법은 특히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 롤투롤 방식 또는 내측고분자에 외측고분자 용액을 캐스팅하여 열처리하는 과정 등에 의해 제조될 수 있다.

본 발명의 다른 견지에 의하면 이렇게 제조된 본 발명의 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용한 접착 방법이 제공된다.

보다 상세하게 본 발명의 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용한 접착 방법은 상기 본 발명의 샌드위치형 고분자 접착 시트를 접착이 요구되는 두 면 사이에 배치하는 단계; 및 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도와 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도 사이의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 것이다.

본 발명이 적용될 수 있는 상기 접착이 요구되는 두 면은 특히 제한되는 것은 아니나, 각각 금속 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되는 것일 수 있다. 한편, 본 발명이 적용되는 상기 두 면은 평행한 형태인 것이 보다 바람직하며, 상기 면이 평행하지 않거나, 표면이 매끄럽지 않은 경우에는 외측 열가소성 고분자층의 두께를 충분하게 확보하는 것이 바람직하다.

상기 금속은, 철금속, 비철금속 중 어느 것이어도 무방하며, 예를 들어 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속일 수 있다.

샌드위치형 고분자 접착 시트를 접착이 요구되는 두 면 사이에 배치한 후, 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도와 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도 사이의 온도로 가열하는 단계를 수행하며, 이때 상기 가열하는 단계의 온도는 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도보다 5℃ 이상 높고, 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도 보다 5℃ 이상 낮은 온도인 것이 바람직하다.

상기 가열하는 단계의 온도와 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도 차이가 5℃ 미만인 경우에는 외측 열가소성고분자 층이 기계적 접착력을 발현할 정도로 용융되지 못하는 문제가 있고, 상기 가열하는 단계의 온도와 상기 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도 차이가 5℃ 미만인 경우에는 내측 열가소성 고분자층이 지지체로서의 역할을 하지 못하고 용융될 수 있는 문제가 있다.

한편, 상기 가열하는 단계와 동시에 또는 후속적으로 압력을 가하는 단계가 추가로 수행되는 것이 바람직하며, 이때 보다 효과적인 접착이 수행될 수 있다.

상기 압력은 0.1 내지 100MPa의 범위 내에서 가해지는 것이 바람직하며, 이는 샌드위치형 고분자 접착 시트의 면적 등 송정 조건에 따라 달라질 수 있으며, 보다 바람직하게는 10 내지 30MPa 범위 내에서 가해지는 것이다. 상기 압력이 0.1 MPa 미만인 경우에는 접착력 향상 효과가 불충분할 수 있고, 100MPa를 초과하는 경우에는 가해지는 압력에 비례한 효과의 향상이 크지 않고, 접착필름밀림 현상 등으로 인하여 공정 경제상 바람직하지 않을 수 있다.

이와 같이 본 발명에서는 연화 온도가 상이한 고분자를 다층으로 구성한 고분자 필름을 접착제로 이용하여, 접착제를 구성하는 고분자의 최저 연화 온도와 최고 연화온도의 사이 온도로 가열하여 접착을 수행한다. 이러한 접착 방식은 선택된 고분자가 가진 열적 특성에 따라 다양한 온도에서 수행이 가능하며, 보다 손쉬운 공정 방법과 저렴한 공정 비용 등의 장점이 있다.

특히, 무기 재료 계면의 접착을 위해 수행되는 종래 공정에 비해 현저하게 낮아진 접합 온도 및 짧은 접합 시간에 의해서도 효과적인 접착을 획득할 수 있으며, 이에 따라 접착 공정이 매우 간단해지고, 제조 단가의 절감 효과도 획득할 수 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

1. 샌드위치형 고분자 접착 시트의 제조

실시예 1

연화 온도 280℃인 폴리이미드가 연화온도 360℃인 폴리이미드의 양면에 배치된 샌드위치형 고분자 접착 시트를 제조하기 위하여 롤투롤 공정을 통해 도 1과 같은 샌드위치형 고분자 접착 시트를 제조하였다.

도 1은 상기와 같은 공정에 의해 획득된 샌드위치 형태의 고분자 접착제의 단면을나타낸 것으로, 하기 표 1에는 본 실시예 1에 의해 제조된 고분자의 연화 온도를 정리한 것이다.

고분자	연화 온도 (℃)	고분자층의 두께(νm)
①	280	20
②	360	125

2. 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용한 접착 수행

제조예 1

지름 1 cm, 두께 5mm의 원판 형태의 알루미나(세라믹)와 동일한 규격의 스테인리스 스틸(금속) 사이에 실시예 1에서 제조된 샌드위치 형태의 고분자 접착제를 배치하고, 300℃에서 5분간 30 MPa의 압력을 가하였다.

접착이 종료된 후 인가하던 압력을 제거하고 최종 접합된 결과물을 확인하였으며, 단면 사진을 도 2에 나타내었다.

한편, 이때 샌드위치형 고분자 접착 시트의 접착 강도를 확인하기 위해 UTM(Universal testing machine)을 이용하여 샘플의 접착면에 수직방향으로 힘을 가하여 접착면에서 균열이 발생한 때의 전단 결합 강도(shear bonding strength)를 2회 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

제조예 2

알루미나를 스테인레스로 변경하여 금속-금속 간 접착을 수행한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 접착 테스트 및 접착 강도 시험을 2회 실시하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

제조예 3

20 MPa의 압력을 가한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 접착 테스트 및 접착 강도 시험을 2회 실시하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

제조예 4

10 MPa의 압력을 가한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 접착 테스트 및 접착 강도 시험을 2회 실시하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

비교 제조예 1

지름 1cm, 두께 5mm의 원판 형태의 알루미나(세라믹)와 알루미늄 합금(금속) 사이에 열 압착 결합(thermal compression bonding, TCB)을 적용하여 접착을 수행하였다. 이에 대한 2회의 접착 강도 시험 결과를 표 2에 나타내었다.

	인가 압력 (MPa)	전단 결합 강도 (MPa)
	인가 압력 (MPa)	1차	2차
제조예 1	30	21.7	18.9
제조예 2	30	27.6	24.6
제조예 3	20	18.4	18.9
제조예 4	10	13.7	12.1
비교제조예 1	-	13.0	13.9

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

①: 내측 열가소성 고분자층
②: 외측 열가소성 고분자층

Claims

내측 열가소성 고분자층;
상기 내측 열가소성 고분자층의 양면에 배치된 외측 열가소성 고분자층을 포함하며,
상기 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도는 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도보다 높은, 샌드위치형 고분자 접착 시트.
제1항에 있어서, 상기 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도는 상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도보다 50 내지 200℃ 높은, 샌드위치형 고분자 접착 시트.
제1항에 있어서, 상기 외측 열가소성 고분자층은 폴리이미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌 및 플루오로폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 고분자로 이루어진, 샌드위치형 고분자 접착 시트.
제1항에 있어서, 상기 내측 열가소성 고분자층은 폴리이미드, 폴리에틸렌 및 플루오로폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 고분자로 이루어진, 샌드위치형 고분자 접착 시트.
제1항에 있어서, 상기 외측 열가소성 고분자층의 두께는 5 내지 100μm인, 샌드위치형 고분자 접착 시트.
제1항에 있어서, 상기 내측 열가소성 고분자층의 두께는 50 내지 200μm인, 샌드위치형 고분자 접착 시트.
제1항에 있어서, 상기 외측 열가소성 고분자층은 내측 열가소성 고분자층의 일면에 배치된 제1 외측 열가소성 고분자층 및 내측 열가소성 고분자층의 타면에 배치된 제2 외측 열가소성 고분자층으로 이루어지며, 상기 제1 외측 열가소성 고분자층 및 제2 외측 열가소성 고분자층은 동일한 고분자 재료로 이루어지는, 샌드위치형 고분자 접착 시트.
제1항에 있어서, 상기 외측 열가소성 고분자층은 내측 열가소성 고분자층의 일면에 배치된 제1 외측 열가소성 고분자층 및 내측 열가소성 고분자층의 타면에 배치된 제2 외측 열가소성 고분자층으로 이루어지며, 상기 제1 외측 열가소성 고분자층 및 제2 외측 열가소성 고분자층은 상이한 고분자 재료로 이루어지는, 샌드위치형 고분자 접착 시트.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 샌드위치형 고분자 접착 시트를 접착이 요구되는 두 면 사이에 배치하는 단계; 및
상기 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도와 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도 사이의 온도로 가열하는 단계
를 포함하는, 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용한 접착 방법.
제9항에 있어서, 상기 접착이 요구되는 두 면은 각각 금속 및 세라믹으로 이루어진 그룹으로부터 독립적으로 선택되는, 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용한 접착 방법.
제10항에 있어서, 상기 금속은, 스테인레스 스틸, 구리 및 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속인, 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용한 접착 방법.
제9항에 있어서, 상기 가열하는 단계의 온도는 외측 열가소성 고분자층의 연화 온도보다 5℃ 이상 높고, 내측 열가소성 고분자층의 연화 온도 보다 5℃ 이상 낮은 온도인, 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용한 접착 방법.
제9항에 있어서, 상기 가열하는 단계와 동시에 또는 후속적으로 압력을 가하는 단계가 추가로 수행되는, 샌드위치형 고분자 접착 시트를 이용한 접착 방법.