[ Nonprejudice ]

폴리이미드의 온도와 이미드화율(index)의 상관 관계

이미드화 공정은 발열 반응으로, 중합이 이루어짐에 따라 열을 방출한다는 것을 의미한다.

이미드화율은 온도의 영향을 강하게 받는다. 온도가 증가할수록 반응 속도가 증가하고 이미드화 반응이 더욱 빠르게 진행된다. 이것은 더 높은 온도에서 단량체가 더 많은 운동 에너지를 가지고 있기 때문에 더 쉽게 반응할 수 있다.

다만, 온도를 너무 높이면 고분자 사슬의 열분해가 일어나 기계적 물성이 떨어지고 최종 제품의 열적 안정성이 낮아질 수 있다는 점에 유의해야 한다.

또한 이미드화 속도는 촉매의 종류 및 사용량, 단량체의 농도, 반응 혼합물의 점도 등의 다른 요인에도 영향을 받는다. 이미드화 속도는 또한 특정 폴리이미드와 사용되는 공정 파라미터에 따라 결정된다는 점에 유의하는 것이 중요하다.

폴리이미드의 결정성

 폴리이미드의 결정성은 재료의 특성과 성능에 영향을 미치기 때문에 중요하다. 폴리이미드는 이미드 단량체의 반복 단위로 구성된 중합체의 일종이다. 이러한 단량체들은 다양한 방식으로 배열될 수 있으며, 이에 따라 결정성의 수준이 달라질 수 있다.

• 높은 결정성: 결정성이 높은 폴리이미드는 보다 질서정연하고, 고도로 패킹된 구조를 가지며, 이는 고강도 및 모듈러스, 낮은 열팽창 및 양호한 치수 안정성과 같은 기계적 특성을 향상시킨다.
• 저결정성: 결정성이 낮은 폴리이미드는 보다 무질서한 구조를 가져 유연성 및 인성이 향상된다. 그들은 또한 덜 깨지기 쉽고, 균열이 일어날 가능성이 적으며, 환경적인 응력 균열에 대한 더 나은 내성을 가지고 있다.
• 무정형: 결정 구조가 없는 폴리이미드는 완전히 비정질이며, 기계적 물성은 좋지 않지만 열적, 화학적 열화에 대한 저항성이 좋다.

폴리이미드의 결정성은 또한 제조 공정 중에 원하는 특성의 균형을 이루기 위해 조절될 수 있다. 중합 조건을 제어함으로써, 예를 들어 우수한 기계적 물성을 나타내는 결정성이 높거나, 유연성 및 인성이 우수한 결정성이 낮은 폴리이미드를 제조할 수 있다.

결론적으로 폴리이미드의 결정성은 강도, 모듈러스, 유연성, 열팽창 등 재료의 기계적 특성에 영향을 미치기 때문에 중요하다. 따라서 최종 생성물의 원하는 특성은 폴리이미드에 필요한 결정성의 정도를 결정한다.

결정성에 영향을 미치는 요인들

폴리이미드의 결정성에 영향을 미치는 요인은 다음과 같다:

• 중합 조건: 사용되는 개시제의 온도, 압력, 종류 등의 중합 조건은 폴리이미드의 결정성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 높은 온도와 압력은 높은 결정성 구조의 형성을 촉진하는 반면, 낮은 온도와 압력은 적은 결정성 구조의 형성을 촉진할 수 있다.
• 체인 이동성(Chain mobility): 고분자의 사슬 이동성은 결정성에 영향을 미칠 수 있다. 낮은 분자량을 갖는 고분자나 용매성이 높은 환경에 있는 고분자와 같이 사슬 이동성이 높은 고분자는 사슬 이동성이 낮은 고분자에 비해 결정화도가 낮을 것이다.
• 방향(Orientation): 고분자 사슬의 배향은 또한 결정성에 영향을 미칠 수 있다. 어떤 식으로든 늘어나거나 잡아당기거나 방향을 잡은 중합체는 방향을 잡지 않은 중합체보다 더 높은 수준의 결정성을 가질 것이다.
• 첨가제: 필러, 가소제, 가교제 등의 첨가제는 폴리이미드의 결정성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 필러는 보다 결정적인 구조의 형성을 촉진할 수 있는 반면, 가소제는 보다 덜 결정적인 구조를 촉진할 수 있다.
• 냉각 속도: 중합 후 고분자가 냉각되는 속도도 결정성에 영향을 미칠 수 있다. 냉각 속도가 빠르면 결정성 구조가 더 강해지는 반면, 냉각 속도가 느리면 결정성 구조가 덜 강해진다.
• Aging : 결정성은 저장 조건에 따라 시간에 따라 변할 수도 있습니다. 예를 들어, 고온에 장시간 노출된 폴리이미드는 고분자의 열분해로 인해 보다 비정질적인 구조를 갖게 된다.
• 분자량: 고분자의 분자량은 결정성에 영향을 미칠 수 있다. 분자량이 높은 중합체는 분자량이 낮은 중합체보다 결정성이 높은 경향이 있다. 이것은 긴 사슬들이 더 가깝게 함께 포장될 수 있고, 결과적으로 더 질서 있고 결정적인 구조를 만들 수 있기 때문이다.
• 용제(Solvents): 중합 공정 중 용매의 사용은 폴리이미드의 결정성에 영향을 미칠 수 있다. 용매는 가소제로 작용하여 결정성의 정도를 감소시킬 수 있다. 이들은 또한 질서정연한 결정성 도메인의 형성을 방해함으로써 비정질 구조의 형성을 촉진할 수 있다.
• 변형률(Strain rate): 폴리이미드가 변형되는 속도도 결정성에 영향을 미친다. 고속 충격시와 같은 급격한 변형은 고분자 사슬의 배향과 정렬을 유발하여 결정성의 정도를 증가시킬 수 있다.
• 나노 결정체(Nano-crystalline): 폴리이미드에 나노 결정 구조를 형성하는 것도 가능하다. 이들은 고분자 사슬의 제한된 이동성으로 인해 형성되는 작은 결정성 도메인이다. 이들은 기계적 특성을 개선한 폴리이미드를 생성한다.
• 표면 수정(Surface modification): 표면 개질은 폴리이미드의 결정성을 변경하는 또 다른 방법이다. 예를 들어 폴리이미드를 산 또는 염기로 처리함으로써 고분자의 표면 특성을 변화시켜 결정성에 영향을 줄 수 있다.

폴리이미드의 결정성에 영향을 줄 수 있는 요인은 중합 조건, 사슬 이동성, 배향성, 첨가제, 냉각 속도, 노화, 분자량, 용매, 변형률, 나노 결정성, 표면 개질 등 몇 가지가 있다. 최종 생성물의 원하는 특성은 폴리이미드에 필요한 적절한 수준의 결정성을 결정할 것이다.

 개요

저유전 손실 폴리이미드는 폴리이미드 소재의 일종으로 통과하면서 전기에너지 손실이 적어 마이크로파 회로, 안테나 등 고주파 전자기기에 사용하기에 이상적인 소재다. 에너지 손실이 적은 것은 재료의 전기 에너지 저장 능력을 측정하는 낮은 유전율과 열로서 전기 에너지를 방출하는 재료의 능력을 측정하는 낮은 소멸 계수 때문이다. 저유전체 손실 폴리이미드는 우수한 기계적, 열적, 화학적 저항 특성으로도 알려져 있다.

저유전 Polyimide를 만들기 위해서는

 Polyimide가 유전손실이 높은 이유는 근본적으로 물을 함유하고 있기 때문이다. 때문에 대부분의 업체가 흡습율을 낮추기 위한 연구를 수행하고 있으며 또 다른 방법으로는 PTFE와 같은 유전율이 낮은 소재를 혼합해서 사용하는 방법이 있다. 

저유전 손실 폴리이미드는 특정 종류의 단량체를 사용하고 폴리이미드의 제조 시 처리 조건을 조정함으로써 제조될 수 있다.

낮은 유전율 상수를 갖는 단량체는 낮은 유전율 상수를 갖는 중합체를 제조하기 위해 사용될 수 있으며, 따라서 낮은 유전율 손실을 갖는 중합체를 제조할 수 있다. 저유전체 손실 폴리이미드를 만드는 데 사용되는 일반적인 단량체로는 3,3', 4,4'-벤조페논 테트라카복실릭 이무수물(BTDA) 및 4,4'-옥시디아닐린(ODA)이 있다. 이들 단량체는 유전율이 낮은 폴리이미드를 제조하는데 사용되는데, 일반적으로 3-3.5 정도로, 유전율이 약 4 정도인 종래의 폴리이미드보다 현저히 낮다.

낮은 유전 손실 폴리이미드를 만드는 또 다른 방법은 폴리이미드의 제조 중 처리 조건을 조정하는 것이다. 예를 들어, 낮은 온도 또는 긴 경화 시간을 사용하는 것은 유전 손실이 낮은 폴리이미드를 초래할 수 있다. 낮은 경화 온도와 긴 경화 시간은 폴리이미드가 더 질서정연한 결정 구조를 형성할 수 있게 하여 재료의 유전체 손실을 감소시킨다.

낮은 유전 손실 폴리이미드는 기계적 특성과 트레이드오프를 가지며, 표준 폴리이미드보다 덜 견고한 경향이 있다는 것에 주목할 필요가 있다. 유전체 손실을 줄이는 질서정연한 결정 구조도 재료의 유연성을 떨어뜨리기 때문이다. 폴리이미드 매트릭스에 탄소 섬유와 같은 필러를 첨가함으로써 소재의 인성을 향상시킬 수 있으며, 이는 소재의 유전 특성에 영향을 미치지 않으면서 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

전반적으로 저유전체 손실 폴리이미드는 마이크로파 회로, 안테나 등의 고주파 전자기기에 사용되는 바람직한 재료로서, 이를 통과함에 따라 전기 에너지 손실이 적고, 기계적, 열적, 화학적 저항 특성이 우수하기 때문이다.

제조 업체

5G 시대에 맞게 저유전 손실 폴리이미드를 연구하고 생산하는 업체는 여러곳이 있다.  

PI첨단소재 : 구 SKC코오롱업체 이며 사모펀드 합병이후 업체명을 PI첨단소재로 변경하였다 국내업체로서 저흡습 폴리이미드를 개발하며 매우 높은 수준의 연구 개발단계에 있으며 몇개의 grade는 이미 시장에서 판매 되고 있다. 

넥스플렉스 : SK이노베이션에서 사업부가 독립적인 회사로 분사하였다. (사모펀드에 매각) 고주파용 저유전소재에서는 Top tier 회사로 평가받고 있으며 선도적인 위치에 있는 회사이다. 

듀폰: 듀폰은 폴리이미드 필름의 가장 큰 제조사 중 하나이며, 그들의 캡톤 브랜드로 다양한 저유전율 폴리이미드 필름을 제공한다. 이러한 필름은 마이크로파 회로, 안테나 및 PCB와 같은 다양한 고주파 전자 애플리케이션에 사용된다.

Toray: Toray는 첨단 고분자 재료의 선도적인 제조업체이며, Torelina 브랜드로 다양한 저유전율 폴리이미드 필름을 제공합니다. 이러한 필름은 마이크로파 회로, 안테나 및 PCB와 같은 고주파 전자 애플리케이션에도 사용된다.

Saint-Gobain : 생고뱅은 NOMEX 브랜드로 다양한 저유전율 폴리이미드 필름을 생산한다. 이 필름들은 마이크로파 회로, 안테나, PCB와 같은 응용 분야에 사용되며, 높은 열적 및 기계적 안정성으로 알려져 있다.

Hitachi Chemical : Hitachi Chemical은 첨단 고분자 재료의 선두적인 생산업체이며 폴리이미드-F 브랜드로 다양한 저유전율 폴리이미드 필름을 제공합니다. 이러한 필름은 마이크로파 회로, 안테나 및 PCB와 같은 다양한 고주파 전자 애플리케이션에 사용된다.

저유전 소재로서 Polyimide vs LCP

저유전체 손실 폴리이미드와 액정 폴리머(LCP)는 모두 유전체 손실이 적은 물질로 마이크로파 회로, 안테나 등 고주파 전자기기에 일반적으로 사용된다. 하지만, 그들은 몇 가지 주목할 만한 차이점이 있다.

LCP와 폴리이미드의 주요 차이점 중 하나는 기계적 특성이다. LCP는 높은 기계적 강도, 강성 및 우수한 치수 안정성으로 알려져 있는 반면, 폴리이미드는 LCP에 비해 기계적 강도가 낮고 강성이 낮은 경향이 있다. 그러나 LCP는 폴리이미드보다 깨지기 쉽고 내충격성이 낮다.

또한 LCP는 폴리이미드보다 열팽창 계수가 낮고 치수 안정성이 우수하여 마이크로파 회로 및 안테나와 같이 정밀한 치수 제어가 필요한 용도에 사용하기에 적합하다. 하지만 최근에는 Polyimide도 열팽창계수를 동박과 유사하게 매칭 하였다. 

유전 특성 측면에서, LCP 및 폴리이미드는 모두 낮은 유전 손실을 가지며, 유전율 상수는 전형적으로 3.1-3.3 정도로, 유전율 상수가 약 3.4 정도인 종래의 폴리이미드에 비해 낮다. 그러나 LCP는 폴리이미드에 비해 소산계수가 낮은 경향이 있으며, 이는 고주파에서 폴리이미드에 비해 손실이 적다는 것을 의미한다. 

전반적으로 LCP와 폴리이미드는 모두 고주파 전자기기에 사용하기에 적합한 재료이지만 장단점이 다르다. LCP는 일반적으로 기계적으로 더 안정하고, 치수 안정성이 더 좋은 반면, 폴리이미드는 내충격성이 더 우수하고, 유연성이 더 좋다. LCP와 폴리이미드 중에서 저유전체 손실 재료를 선택할 때는 애플리케이션의 특정 요구사항을 고려하는 것이 중요하다.

저유전 소재 사용처

저유전 손실 폴리이미드, 액정 폴리머(LCP)와 같은 저유전체 손실 재료는 신호 손실을 감소시킴으로써 전자 장치의 전반적인 성능을 향상시키는 낮은 유전체 손실 특성으로 인해 다양한 고주파 전자 애플리케이션에 널리 사용되고 있다.

마이크로파 회로에서 저유전율 재료는 마이크로파 집적회로(MIC)의 기판 재료 및 필터, 공진기, 전송선과 같은 마이크로파 회로 부품의 유전 재료로 사용된다. 낮은 유전 손실 특성은 신호 손실을 줄이고 회로의 전반적인 성능을 향상시킨다.

안테나에 있어서, 저유전율 재료는 안테나의 구성, 특히 고주파 위상 어레이 안테나의 설계에 사용되는데, 이는 이러한 재료의 저유전율 특성이 신호 손실을 감소시키고 안테나의 전반적인 성능을 향상시키기 때문이다.

인쇄회로기판(PCB)에서는 고주파 전자기기의 기판재료로서 저유전율 재료가 사용되는데, 이들 재료의 저유전율 특성이 신호손실을 줄이고 PCB의 전반적인 성능을 향상시키는데 도움이 되기 때문이다.

고주파 필터에서는 마이크로파 필터와 같은 고주파 필터의 유전체 재료로서 저유전체 손실 재료가 사용되는데, 이들 재료의 유전체 손실 특성이 낮으면 신호 손실이 감소하고 필터의 전반적인 성능이 향상되기 때문이다.

고속 통신 장치에 있어서, 저유전체 손실 재료는 신호 손실을 줄이고 장치의 전반적인 성능을 향상시키는 낮은 유전체 손실 특성으로 인해, 고속 광통신 장치 및 고속 데이터 전송 케이블의 제조에 사용된다.

플렉시블 전자기기에서는 플렉시블 OLED 디스플레이, 플렉시블 태양전지 등의 플렉시블 전자기기의 제조에 저유전율 재료가 사용된다. 저유전체 손실 폴리이미드의 유연성은 이러한 용도에 사용하기에 적합하다.

자동차 산업에서는 센서, 전력 전자 장치, 무선 충전 장치와 같은 전자 부품의 제조에 저유전율 재료가 사용된다.  특히나 자율주행의 주파수도 고주파 이기 때문에 저유전손실 소재가 필요할 것으로 판단된다.

항공 우주 산업에서, 저유전 손실 재료는 레이더 시스템 및 항법 시스템과 같은 항공 우주 응용을 위한 전자 부품의 제조에 사용된다.

요약

저유전 손실 폴리이미드 및 액정 폴리머(LCP)와 같은 저유전 손실 재료는 신호 손실을 줄여 전자 장치의 전반적인 성능을 향상시키는 낮은 유전 손실 특성을 가지고 있다. 

마이크로파 회로, 안테나, 인쇄 회로 기판, 고주파 필터, 고속 통신 장치, 유연한 전자 장치, 자동차 및 항공 우주 산업과 같은 고주파 전자 응용 분야에 널리 사용된다.

또한 우수한 내열성 및 내화학성, 높은 열 안정성과 같은 다른 바람직한 특성을 가지고 있어 열악한 환경에서 사용하기에 적합하다.