KIMS 해외단신 89호 (2011.09.02)

350℃로 가열해도 수축률이 0.04%인 내열필름

    마이컴저널에서는 일본 산업기술종합연구소, 스미토모정밀화학, 동경이과대학의 연구원으로 구성된 공동 연구팀이 350℃의 고온으로 가열해도 수축률이 0.04%로 적은 내열필름을 개발하는데 성공했다고 밝혔다.

    다음은 관련기사에서 발췌, 번역한 내용이다.

   -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

   일본 산업기술종합연구소(산종연)은 8월 30일 스미토모정밀화학社 및 동경이과대학과 공동으로 점토와 플라스틱의 한 종류인 폴리이미드를 원료로 하는 내열 필름을 개발했다고 발표했다. 이 필름은 350℃에서 가열해도 수축률이 0.04%라는 특징을 가진다. 연구팀은 산종연 콤펙트화학시스템 연구센터 첨단기능재료팀 연구팀장, 산종연 플렉시블 일렉트로닉연구센터 인쇄 일렉트로닉 디바이스팀 주임연구원, 동경 이과대학공학부 공업화학과 준교수로 구성되어 있다.

   산종연에서는 지금까지 점토를 주성분으로 하는 독자의 필름 재료 ‘클레이스트’를 개발해왔다. 클레이스토는 부드러우면서 높은 가스차단성 및 수증기차단성, 내열성, 불연성을 가지고 있어 식품, 의약품의 포장재료, 디스플레이 및 태양전지용 투명 시트, 태양전지 백시트, 수소 실재 등에 이용할 수 있다.

   하지만 롤 제품으로의 연속합성이 어렵고 막이 깨지기 쉬워 취급하기가 쉽지 않다는 등의 문제가 있어 저비용으로 유통할 수 없었고, 실용화도 어려웠다.

   최근 주목받고 있는 가볍고 얇은, 떨어뜨려도 부서지지 않는 특징을 가진 플렉시블 디바이스에 사용되는 기판재료는 거의 대부분이 플라스틱이지만 불연성을 첨가하는 것이 어려웠다.

   또한 가열 및 냉각 공정으로 확장과 수축이 발생해 미세한 형상으로 가공하는 것이 어렵다는 결점도 있어 가열처리해도 길이가 변하지 않는 재료의 개발이 요구되고 있었다. 내열플라스틱으로는 폴리이미드가 있는데 가열에 의한 길이변화가 크다는 점, 수증기 차단성이 높지 않다는 점 등 시장의 니즈를 충분히 만족시킬 수 없었다.

   산종연에서는 2004년에 ‘클레이스트’를 개발한 이래 대학 등의 연구기관 및 민간기업과의 공동연구를 통해 실용화에 노력해왔다. 스미토모 정밀화학은 재생가능 에너지 관련재료 등 고기능재료를 개발하던 중 산종연의 점토 필름 기술에 주목하여 공동연구를 시작했다.

   다양한 점토와 플라스틱의 조합 중에서 종래의 점토 필름과 비교해 비약적으로 다루기 쉬운 내열 필름을 발견했고 동경이과대학교 연구팀의 폴리이미드에 관한 식견을 더해 더욱 다루기 쉽게 하였다. 우수한 필름 특성의 파악 등에 일정 성과를 올렸다고 할 수 있다. 이와 동시에 공업용 시트재료로써 필수항목인 롤 제품의 연속생산에 관해서도 그 해결책을 찾았다고 할 수 있다.

   점토 필름은 사용하는 점토 및 플라스틱의 종류에 특별히 제한이 없어 여러 가지 조합으로 시험제작을 수행할 수 있었다고 한다. 그 결과 특수가공을 한, 물을 흡수해도 팽창하지 않는 특징을 가지는 ‘비팽윤성점토’를 개발하게 되었고 폴리이미드를 최적의 배합율로 혼합하면 약점이 개선될 뿐만 아니라 가열처리 전후에 크기가 거의 변화하지 않고 더욱이 수증기 방지성도 향상한다는 사실이 판명되었다.

   일반적으로 점토와 플라스틱의 나노복합재료는 두께 약 1nm의 널빤지모양 점토결정이 완전히 뿔뿔이 흩어진 상태에서 플라스틱과 혼합되는 것이 좋다. 점토결정과 플라스틱의 극성이 가까워야 한다. 이번에 사용한 비팽윤성점토는 비극성의 점토로 극성 플라스틱인 폴리이미드의 상성이 잘 맞다고는 생각되지 않았지만 혼합 방법의 개선 등에 의해 점토의 우수한 특성과 폴리이미드의 다루기 쉬운 점을 모두 가지는 필름 재료가 개발되었다.

   이 필름 재료를 제조하기 위해 폴리이미드를 용해시킨 용제에 특수가공한 비팽윤점토를 분산시킨 원료 패스트를 유연하여 용제를 건조시킨 후 가열처리 한다. 종래에는 균일한 원료패스트로 하기 위해 필요한 용제의 양이 많고 건조가공에 시간이 걸려 연속제조가 어려웠다. 하지만 특수 가공한 비팽윤점토를 사용하는 것으로 용제량의 저감도 실현 할 수 있다.

   그리고 350℃까지 올라가는 고온열로가 있는 제조장치에서의 시험제작을 반복해 두께는 30~120μm까지, 폭은 50cm까지가 가능한 롤 제품의 제조방법 및 제조조건을 확립했다.

   개발한 필름재료(두께 80μm)는 450℃의 내열성을 가진다. 더욱이 앞서 말한바와 같이 실온에서 350℃까지 가열한 후의 수축률이 0.04%로 매우 작다는 사실도 판명했다. 이러한 특성으로부터 필름 상태 인쇄법 등으로 매우 미세한 전자회로를 작성할 수 있다.

   또한 약 10ppm/℃의 낮은 선팽창계수(온도 상승에 대한 길이 변화의 비율), 플라스틱 재료 중 최고 레벨의 난연성, 폴리이미드와 맞먹는 전기절연성, 폴리이미드 보다 우수한 저흡습성 등의 특징을 가진다.

   이 필름 재료는 결정계 Si 태양전지 백시트로 사용하는데 충분한 레벨의 수증기방지성을 가지지만 필름 재료를 제조할 때 점토의 결정을 막 표면에 평행하게 배열하는데도 성공하여 수증기방지성을 더욱 향상시켰다.

   향후에는 이번에 개발한 재료에 대해 더욱 광범위한 성능평가시험을 실시함과 동시에 장기 내구성 평가 및 제품의 대량생산체제를 확립해 6개월 이내 제품화를 계획하고 있다. 또한 스미토모 정밀화학이 테스트샘플의 제공을 시작해 필름 재료의 특성을 살린 용도의 탐색도 실시할 예정이다. 구체적으로 검토를 하고 있는 것은 프린터블 일렉트로닉스 및 센서 등의 기판재료, 축전지, 파워 일렉트로닉스용 재료 등이다. 태양전지 백시트로의 응용에 대해서는 내구성 평가 및 내후성평가를 실시할 계획이다.

   -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------