[논문]고주파 기판용 PTFE 복합체 형성 압력에 따른 유전 특성

최홍제; 전명표; 조용수; 조학래

doi:10.4313/jkem.2013.26.6.429

고주파 기판용 PTFE 복합체 형성 압력에 따른 유전 특성
Dielectric Characteristics of Polytetrafluoroethylene-based Composites for Microwave Substrates with Formation Pressure 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.26 no.6, 2013년, pp.429 - 433

최홍제 (한국세라믹기술원 나노IT소재팀) , 전명표 (한국세라믹기술원 나노IT소재팀) , 조용수 (연세대학교 신소재공학과) , 조학래 (이너트론 주식회사)

Abstract ▼ AI-Helper

PTFE composites for use of microwave substrate were fabricated by impregnation and heat treatment fabrication with glass fabric. This study shows dielectric properties such as dielectric constant and loss can be controlled by thickness of PTFE composite with change of pressure condition in heating press process. The dielectric constant of the PTFE composites has decreasing tendency as given higher pressure condition. The dielectric loss has similar result too. Especially, the case of the dielectric loss was affected by the condition of pressure at heating press and had the best performance under 3 MPa. In order to see the reason why thickness conditions make different, their microstructures were also observed.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

PTFE 복합체의 함침 및 hot press 과정을 통한 공정 과정에서 압력 조건의 차이를 이용해 조절할 수 있는 PTFE 복합체의 두께로 인한 PTFE 복합체의 유전 특성에 미치는 영향을 1 MHz부터 100 MHz의 주파수 영역에 걸쳐서 분석하였다. 일정 수준 이상의 온도를 유지시켜 주었을 때 높은 압력을 가해줄수록 유리섬유 사이로 많은 양의 PTFE 층이 침투하여 복합체의 두께가 얇아지는 것을 알 수 있었다.
본 실험에서 설정한 PTFE 복합체 제조를 위한 hot press 조건을 표 1에 나타내었으며 전극과 유전체층으로 이루어진 PTFE 복합체의 구조는 그림 2와 같다. PTFE의 녹는점 (327℃) 이상의 365℃의 온도에서 2시간 동안 유지하는 조건으로 동일하게 하고 추가적으로 압력 조건을 1 MPa, 2 MPa, 3 MPa로 다양하게 하여 복합체의 두께를 조절하는 방법을 이용하였다. 목표온도에서 일정 시간 동안 유지 후에는 150℃까지 서서히 냉각을 시키는 과정까지 압력을 계속 유지시켜준 후 냉각수를 이용하여 최종 냉각시켰다.
다양한 압력 조건의 차이에 따른 PTFE 복합체의 두께의 변화에 대한 유전 상수 및 손실 등 유전 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해 SEM (scanning electron microscope)을 이용하여 PTFE 복합체의 미세구조를 살펴보았다. 그림 5에서 약간의 굴곡을 그리면서 연속적으로 연결된 부분이 유리섬유이고 유리섬유층 사이를 위, 아래로 메우고 있는 상대적으로 어두운 부분이 PTFE 층이다.
본 연구에서는 PTFE 분산액에 유리섬유를 함침시키는 방법을 이용하여 수지침투 가공제를 중간열처리 과정을 거친 후에 적층시켜 hot press를 통해 열과 압력을 가하는 방법으로 PTFE 복합체를 제작하여 유전 특성을 측정하였다. 또한, hot press 공정에서 중요한 요소 중 하나인 압력 조건의 변화를 통해 PTFE 복합체의 두께를 조절하여 이에 따른 유전특성의 영향을 규명하였다 [7].
이에 비해 PTFE 분산액에 유리섬유를 함침시키는 방법은 공정 시간이 오래 걸리고 여러 단계를 거치지만 좀 더 균일한 표면을 갖는 수지침투 가공제 (prepreg)를 제조할 수 있으며 작은 크기의 PTFE 분자가 유리섬유의 내부 구조에 잘 침투하여 우수한 성능의 복합체를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 PTFE 분산액에 유리섬유를 함침시키는 방법을 이용하여 수지침투 가공제를 중간열처리 과정을 거친 후에 적층시켜 hot press를 통해 열과 압력을 가하는 방법으로 PTFE 복합체를 제작하여 유전 특성을 측정하였다. 또한, hot press 공정에서 중요한 요소 중 하나인 압력 조건의 변화를 통해 PTFE 복합체의 두께를 조절하여 이에 따른 유전특성의 영향을 규명하였다 [7].
입자크기가 0.05 ∼ 0.5 ㎛인 PTFE powder가 60 wt%로 분산되어 있는 수용액(PTFE TE-3893, DuPont, U.S.A.)에 4 cm × 4 cm의 크기로 절단한 유리섬유를 10분 간 상온에서 함침하고, 120℃의 오븐에서 40분 동안 건조하여 수분을 제거하는 과정을 통해 수지침투 가공제를 제조하였다.
전극 역할을 해줄 동박과 수지침투 가공제들의 계면 접착 상태는 측정 단계에서 필수적으로 알아야 할 정전용량의 크기에 절대적인 영향을 주는데 여기에서는 기판의 정확한 특성 평가를 하기 위하여 이러한 변수가 될 요인을 최대한 배제시키고자 완성된 복합체를 질산수용액에 10분 간 처리한 후에 상온전극을 이용하여 전극을 부착하는 방법을 도입하였다. 제조한 PTFE 복합체의 유전상수 및 유전손실 특성을 측정하고 평가해 보기 위하여 Precision LCR meter (Agilent, E4284A, U.
전극 역할을 해줄 동박과 수지침투 가공제들의 계면 접착 상태는 측정 단계에서 필수적으로 알아야 할 정전용량의 크기에 절대적인 영향을 주는데 여기에서는 기판의 정확한 특성 평가를 하기 위하여 이러한 변수가 될 요인을 최대한 배제시키고자 완성된 복합체를 질산수용액에 10분 간 처리한 후에 상온전극을 이용하여 전극을 부착하는 방법을 도입하였다. 제조한 PTFE 복합체의 유전상수 및 유전손실 특성을 측정하고 평가해 보기 위하여 Precision LCR meter (Agilent, E4284A, U.S.A)를 사용하였다. 이와 같은 전체적인 공정 과정 및 각 과정별 실험 조건을 간략히 표시하여 그림 1을 통해 나타내었다.

성능/효과

이로 인해 PTFE 층과 유리섬유 층간의 간격이 좁아지고 PTFE 층 자체의 두께도 얇아지게 되는 것을 알 수 있다. 1 MPa의 압력을 주었을 때의 복합체의 두께가 2 mm, 2 MPa의 압력을 받은 경우 1.61 mm, 3 MPa를 가했던 복합체의 두께는 1.18 mm의 결과를 보이는 것으로 보아 1 MPa 만큼의 압력을 증가시킬 때마다 대략적으로 0.4 mm 만큼의 PTFE 복합체의 두께 감소 효과가 있다는 것을 알 수 있다. 추가적으로 실험을 해본 결과 3 MPa를 초과하는 압력을 가해주었을 때 복합체 두께의 감소폭이 크게 줄어들었는데, 이는 기본적으로 제한된 유리섬유가 갖고 있는 두께 내에 이미 PTFE 입자들이 충분히 침투가 이루어졌기 때문인 것으로 생각된다.
00035의 유전손실값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 복합체에 가해진 다양한 압력조건에 따른 두께의 변화에 의한 유전손실은 복합체의 두께가 감소할수록 유전손실도 작아지는 우수한 유전특성을 보이는 것을 알 수 있다. 이러한 측정 결과는 유리섬유 내부의 계면 사이 및 구조적으로 존재하는 굴곡이나 기공들이 높은 압력조건을 통해 PTFE 층으로 유리섬유로 조밀하게 채워 더욱 치밀한 구조를 갖게 되었기 때문이라고 판단된다 [12].
PTFE 층의 분포상태를 살펴보면 두께가 두꺼운 복합체 시편의 경우는 두께가 얇은 복합체 시편보다 유리섬유 간의 간격이 넓은 것을 알 수 있다. 유리섬유층 간의 간격과 전체 복합체의 두께의 차이는 hot press 공정 과정에서 가해진 압력이 높을수록 더 많은 양의 PTFE 입자가 유리섬유로 침투했음을 보여줌과 동시에 이로 인해 상대적으로 얇은 PTFE 층으로 인해 발생한 것이라는 것을 확인할 수 있었다. 특히 가장 우수한 유전상수와 유전손실의 값을 보였던 3 MPa의 압력을 준 경우는 1 MPa의 압력을 가한 가장 큰 값의 유전상수와 유전손실을 가졌던 경우에 비해 PTFE 층과 유리섬유층간의 간격이 매우 조밀하다는 것을 알 수 있다.
일정 수준 이상의 온도를 유지시켜 주었을 때 높은 압력을 가해줄수록 유리섬유 사이로 많은 양의 PTFE 층이 침투하여 복합체의 두께가 얇아지는 것을 알 수 있었다. 유전 특성의 경우도 측정 주파수 전반에 걸쳐서 3 MPa의 비교적 높은 압력을 가한 경우에는 1 MPa, 2 MPa의 낮은 압력을 주었던 경우보다 계면 및 내부 구조에서의 굴곡과 기공에 의한 space charge의 감소로 인하여 좀 더 치밀한 미세구조를 갖게 되는 것을 SEM을 통하여 확인하였으며, PTFE 복합체로서 우수한 유전상수와 유전손실의 유전 특성을 가지는 것을 확인하였다. 특히 3 MPa의 압력을 주었을 경우에는 1 MHz부터 100 MHz의 측정범위 주파수에 이르기까지 서서히 감소하여 100 MHz의 높은 주파수에서도 2.
이러한 현상은 각각의 수지침투 가공제 내부의 유리섬유를 중심으로 위, 아래로 채우는 PTFE 층의 두께의 차이에 의한 요인과 hot press 과정에서 최대한 균일하게 적용되어야 하는 압력 조건에서 발생한 변수라고 생각된다. 이러한 미세구조상 드러난 차이를 살펴본 결과 PTFE 복합체에 일정 수준이상의 압력을 가해주면 PTFE 입자가 유리섬유 및 복합체 내부의 기공과 굴곡을 충분히 채워 우수한 유전상수 및 유전손실 등의 유전 특성을 나타냄을 알 수 있다.
00082의 값을 가진다. 이밖에도 2 MPa의 압력을 준 경우 1 MHz에서 0.01270, 10 MHz에서 0.00245, 100 MHz의 주파수에서는 0.00077의 유전손실값을 보이며 가장 높은 3MPa의 압력을 주었을 때는 1 MHz에서 0.01245, 10 MHz에서 0.00227, 100 MHz의 주파수에서는 0.00035의 유전손실값을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 복합체에 가해진 다양한 압력조건에 따른 두께의 변화에 의한 유전손실은 복합체의 두께가 감소할수록 유전손실도 작아지는 우수한 유전특성을 보이는 것을 알 수 있다.
PTFE 복합체의 함침 및 hot press 과정을 통한 공정 과정에서 압력 조건의 차이를 이용해 조절할 수 있는 PTFE 복합체의 두께로 인한 PTFE 복합체의 유전 특성에 미치는 영향을 1 MHz부터 100 MHz의 주파수 영역에 걸쳐서 분석하였다. 일정 수준 이상의 온도를 유지시켜 주었을 때 높은 압력을 가해줄수록 유리섬유 사이로 많은 양의 PTFE 층이 침투하여 복합체의 두께가 얇아지는 것을 알 수 있었다. 유전 특성의 경우도 측정 주파수 전반에 걸쳐서 3 MPa의 비교적 높은 압력을 가한 경우에는 1 MPa, 2 MPa의 낮은 압력을 주었던 경우보다 계면 및 내부 구조에서의 굴곡과 기공에 의한 space charge의 감소로 인하여 좀 더 치밀한 미세구조를 갖게 되는 것을 SEM을 통하여 확인하였으며, PTFE 복합체로서 우수한 유전상수와 유전손실의 유전 특성을 가지는 것을 확인하였다.
4 mm 만큼의 PTFE 복합체의 두께 감소 효과가 있다는 것을 알 수 있다. 추가적으로 실험을 해본 결과 3 MPa를 초과하는 압력을 가해주었을 때 복합체 두께의 감소폭이 크게 줄어들었는데, 이는 기본적으로 제한된 유리섬유가 갖고 있는 두께 내에 이미 PTFE 입자들이 충분히 침투가 이루어졌기 때문인 것으로 생각된다.
유전 특성의 경우도 측정 주파수 전반에 걸쳐서 3 MPa의 비교적 높은 압력을 가한 경우에는 1 MPa, 2 MPa의 낮은 압력을 주었던 경우보다 계면 및 내부 구조에서의 굴곡과 기공에 의한 space charge의 감소로 인하여 좀 더 치밀한 미세구조를 갖게 되는 것을 SEM을 통하여 확인하였으며, PTFE 복합체로서 우수한 유전상수와 유전손실의 유전 특성을 가지는 것을 확인하였다. 특히 3 MPa의 압력을 주었을 경우에는 1 MHz부터 100 MHz의 측정범위 주파수에 이르기까지 서서히 감소하여 100 MHz의 높은 주파수에서도 2.12의 유전상수와 0.00035의 유전손실 값을 보여 가장 우수한 유전 특성을 보이는 것으로 나타났다.
유리섬유층 간의 간격과 전체 복합체의 두께의 차이는 hot press 공정 과정에서 가해진 압력이 높을수록 더 많은 양의 PTFE 입자가 유리섬유로 침투했음을 보여줌과 동시에 이로 인해 상대적으로 얇은 PTFE 층으로 인해 발생한 것이라는 것을 확인할 수 있었다. 특히 가장 우수한 유전상수와 유전손실의 값을 보였던 3 MPa의 압력을 준 경우는 1 MPa의 압력을 가한 가장 큰 값의 유전상수와 유전손실을 가졌던 경우에 비해 PTFE 층과 유리섬유층간의 간격이 매우 조밀하다는 것을 알 수 있다. 실제로 4장의 수지침투 가공제들을 적층시킨 결과 2 MPa, 3 MPa의 압력을 가해주었던 복합체의 경우 내부적으로 아래 2장의 수지침투 가공제들이 좁은 간격으로 인하여 거의 밀착되어 있는 것처럼 보이는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PTFE 분말을 사용하여 복합체를 제조하는 방법의 단점은?	PTFE 복합체의 제조공정에는 일반적으로 PTFE 분말을 이용하는 방법과 PTFE 분산액을 이용하는 방법이 알려져 있다. 이 중에서 PTFE 분말을 사용하는 경우 압축성형을 거쳐야 하고 고체 상태의 입자를 이용하므로 복합체의 두께를 조절하는 과정의 제어가 힘든 문제점이 있다. 이에 비해 PTFE 분산액에 유리섬유를 함침시키는 방법은 공정 시간이 오래 걸리고 여러 단계를 거치지만 좀 더 균일한 표면을 갖는 수지침투 가공제 (prepreg)를 제조할 수 있으며 작은 크기의 PTFE 분자가 유리섬유의 내부 구조에 잘 침투하여 우수한 성능의 복합체를 얻을 수 있다.
	PTFE란?	PTFE (polytetrafluoroethylene)는 탄소와 불소로 이루어진 고분자로서 높은 기계적 강도와 열적안정성 및 낮은 유전상수를 가지며 절연 특성이 뛰어나고, 뛰어난 내화학성 특성을 갖는 안정한 물질이므로 다양한 분야에서 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 [4,5]. 특히 낮은 유전 상수는 기판의 높은 신호 전달 속도를, 낮은 손실은 rise-time degradation의 절감 등 전기적 특성의 개선을 기대할 수 있다 [6].
	PTFE 복합체의 제조공정 중 PTFE 분산액에 유리섬유를 함침시키는 방법의 장점은?	이 중에서 PTFE 분말을 사용하는 경우 압축성형을 거쳐야 하고 고체 상태의 입자를 이용하므로 복합체의 두께를 조절하는 과정의 제어가 힘든 문제점이 있다. 이에 비해 PTFE 분산액에 유리섬유를 함침시키는 방법은 공정 시간이 오래 걸리고 여러 단계를 거치지만 좀 더 균일한 표면을 갖는 수지침투 가공제 (prepreg)를 제조할 수 있으며 작은 크기의 PTFE 분자가 유리섬유의 내부 구조에 잘 침투하여 우수한 성능의 복합체를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 PTFE 분산액에 유리섬유를 함침시키는 방법을 이용하여 수지침투 가공제를 중간열처리 과정을 거친 후에 적층시켜 hot press를 통해 열과 압력을 가하는 방법으로 PTFE 복합체를 제작하여 유전 특성을 측정하였다.

참고문헌 (13)

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J. C. Velasco, D. Bercovich, H. Long, O. K. Eriksson, M. O'Connor, P. M. Rizzi, R. Yaron, and P. Croy, MEF, 11 (2011).
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K. H. Yoon, D. H. Jung, B. D. Yang, J. H. Jang, and J. H. Kim, Preparation and Dielectric Characteristics of PTFE(Polytetrafluoroethylene) Composites for Microwave Circuit Board (2003).

원문보기 상세보기
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I. Mhaidata, J. A. Mergosb, S. Hamilakisa, C. Kolliaa, Z. Loizosa, A. Tsolomitisa, and C. T. Dervos, Mat. Lett., 63, 2587 (2009).

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J. R. Carroll, L. W. McGinnis, T. L. Miller, and M. B. Norris, Glass Fiber Reinforced Fluoropolymeric Circuit Laminate, U. S. Patent 4,886,699 (1989).
A. Sawada, J. Chem. Phys., 129, 064701 (2008).

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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