서
론
폴리이미드 필름은 우수한 기계적, 전기적 특성과 더 불어 -269�C의 극저온에서부터 400�C에 이르는 고온 에서도 열안정 특성을 나타냄으로 각종 전기, 잔자용 내 열 필름으로서 FPCB (Flexible Printed Circuit Board), TAB (Tape Automated Bonding), 내열 전열 피복재, 이온 교환막, 접착소재 등과 같은 응용분야를 가지고 있다. 최 근에는 우주 부품소재로서의 위성체 열 보호재, 전기적 절연재, 위성 안테나 덮개, 고분자 태양 전지막 등으로
응용분야를 넓혀 가고 있다 (Sasuga et al. 1999; Oh et al.
2006). 지구 궤도에 있는 위성체들은 양성자, 전자, 태양 광, 우주선 (Cosmic rays)과 같은 중성입자나 하전입자가 존재하는 환경에서 작동하는 것으로 알려져 있으며 약 1.5~2.0×104kGy 정도의 방사선에 노출되는 것으로 알 려져 있다. 이러한 방사선에 의하여 폴리이미드 필름은 화학 구조의 변화로 인하여 광학적, 전기적, 기계적 특성 이 변화하는 것이 보고되었다. 이러한 변화는 부품 소재 의 수명을 단축시키거나 오작동을 일으킴으로써 예기치 않은 결과들을 가져 오게 되어 값비싼 위성체들을 우주 속으로 잃어버리는 요인이 되고 있다(Pippin 2003; Banks et al. 2004; Artiaga et al. 2005). 따라서 본 연구에서는 폴 리이미드 필름의 전자선 조사에 의한 화학적 구조의 변
Journal of Radiation Industry 4 (3) : 285~288 (2010)
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전자선 조사에 따른 폴리이미드 필름의 유전특성 변화
김 현 빈∙전 준 표∙강 필 현*한국원자력연구원 정읍방사선과학연구소
Effects of Electron Beam Irradiation on the Dielectric
Properties of Polyimide Films
Hyun Bin Kim, Joon Pyo Jeun and Phil Hyun Kang*
Radiation Research Division for Industry & Environment, Korea Atomic Energy Research Institute, Jeongeup 580-185, Korea
Abstract-- Polyimide films have excellent thermal stability, reliable mechanical properties and low
dielectric constant. Therefore, this material is widely used in many industrial fields such as micro-electronics, flexible circuits, semiconductor products and aerospace materials. In space applications, earth-orbiting hardware operates in environments that generally include neutral particles, charged particles such as trapped protons and electrons, solar protons, and cosmic rays. Under these condi-tions, polyimide films were changed in the optical, electrical and mechanical properties. Therefore, in this study, we evaluated the effects of electron beam irradiation on polyimide. The O-H functional groups were created on the polyimide film surface in the results of FT-IR spectra. And it was found that the dielectric constants were changed as a function of electron beam dose.
Key words : Polyimide, Electron beam, FT-IR, Dielectric
* Corresponding authors: Phil Hyun Kang, Tel. +82-63-570-3061, Fax. +82-63-570-3068, E-mail. [email protected]
화를 알아보고 유전특성의 변화에 관해 고찰하였다.
재료 및 방법
폴리이미드 필름은 DuPont Chemical에서 생산한
Kap-ton HN type을 사용하였으며 두께는 75μm였다. 폴리이 미드 필름의 화학 구조식을 Fig. 1에 나타내었다. 전자선 조사 실험은 한국원자력연구원 정읍방사선과학연구소의 전자선 가속기를 이용하였으며 가속전압을 1.14 MeV로 하여 8×103kGy에서 4.3×104kGy까지 폴리이미드 필 름에 조사하였다. 전자선 조사에 따른 폴리이미드 필름 의 화학구조 분석에는 FT-IR (Bruker Tensor 37)을 사용 하였으며, 유전 특성 분석에는 DEA (Novocontrol GmbH, CONCEPT 40)을 이용하여 상온에서 분석하였다.
결과 및 논의
폴리이미드 필름의 전자선 조사에 의한 표면의 화학 구조 변화를 확인하기 위하여 FT-IR을 이용하여 trans-mittance를 측정하였으며 그 결과를 Fig. 2에 나타내었 다. 폴리이미드 필름의 전형적인 특성 피크인 1,780 cm-1 에서 C==O stretching이 관찰되었고 1,370 cm-1에서 C-N stretching이 관찰되었다. 전자선 조사에 의하여 이러한 특성 피크들의 특별한 변화가 관찰되지 않았지만 3,600 cm-1에서 3,200 cm-1에 이르는 O-H stretching에 의한 피 크 변화가 관찰되어졌다 (Park et al. 2009). 이는 전자선 조사에 의하여 가속된 전자들이 폴리이미드 필름의 표 면에 충돌하여 높은 반응성을 가진 자유 라디칼을 생성 함으로써 공기중의 산소와 반응하여 폴리이미드 필름 표 면위에 산소를 함유하는 극성 관능기가 도입되어진 것으 로 사료된다. 이러한 극성 관능기가 폴리이미드 필름의 유전율에 미 치는 영향을 알아보고자 DEA를 통하여 유전 특성을 분 석하였다. Fig. 3에는 폴리이미드 필름의 전자선 조사에 따른 유전 상수 실수부의 주파수 의존성을 나타내었다. 여기에서 복소 유전율은 다음과 같이 정의되며(Tataro˘gluet al. 2007; Dökme et al. 2008),
ε*==ε′-jε′′ (1) ε′와 ε′′는 각각 복소유전상수의 실수부와 허수부이다. 이러한ε*는 어드미턴스(admittance)를 측정함으로써 구 할 수 있고 다음과 같은 관계식을 갖는다. Y* C G ε*==mmmmm==mmm-j mmmm (2) jωC0 C0 ωC0 여기에서 Y*, C, G은 각각 어드미턴스, 정전용량 (capaci-tance), 전도도 (conductance)를 나타내며, ω는 각주파수 로서ω==2πf로 정의된다. 또한 C0는 C0==ε0(A/d) (3) 김현빈∙전준표∙강필현 286
Fig. 1. Chemical structure of polyimide.
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Control 8 MGy 15 MGy 25 MGy 33 MGy 38 MGy Transmittance (arb. unit) Wavenumber (cm-1)
Fig. 2. FT-IR spectra of polyimide films with different electron
beam irradiations. 0 1 2 3 4 5 6 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Control
8 MGy 10 MGy 12 MGy 15 MGy 20 MGy 25 MGy 30 MGy 33 MGy 38 MGy 43 MGy
Dielectric constant
log f (Hz)
Fig. 3. The frequency dependency of dielectric constant of electron
beam irradiated polyimide films.
N N O O O O O n
로 정의되며 여기에서 ε0는 진공 유전율(ε0==8.85×10-14 F cm-1)을, A는 시편의 면적을 d는 두께를 나타낸다. 따 라서 유전 상수의 실수부는, ε′==Cm/C0 (4) 의 관계식으로부터 구할 수 있다. Fig. 3에서의 폴리이미 드 필름은 전자선 조사량에 따라 유전율의 실수부가 증 가하였다가 감소하는 특성이 나타남을 알 수 있다. 하지 만 주파수 변화에 따른 유전 상수 실수부의 변화는 크 게 발생하지 않았다. Fig. 3에 나타난 유전 상수의 실수 부를 전자선 조사량의 변화에 따라 Fig. 4에 다시 나타 내었다. 전자선 조사량의 함수로 결과를 관찰한 결과 주 어진 측정 주파수마다 전체적으로 전자선 조사량의 증가 에 의하여 유전 상수값의 증가가 관찰되었다. 이러한 특 성은 앞서 FT-IR spectra에서 확인된 O-H 극성 관능기의 도입에 의한 것으로 판단된다. 전자선 조사량이 10 MGy 까지는 매우 급격한 증가를 보이며 15 MGy 이상에서는 유전 상수가 안정된 특성을 가지고 있음이 관찰되었다. 또한 같은 전자선 조사량을 갖는 시편에서 측정 주파수 가 높을수록 낮은 유전 상수값을 가지고 있는 것이 확 인되었으며 특히 10 MGy가 조사된 시편의 경우 이러한 주파수 의존성이 크게 나타나는 것이 확인되었다. 따라 서 10 MGy가 조사된 시편은 O-H 극성 관능기가 부분적 으로 존재하여 불안정한 상태에 있으며 15 MGy 이상의 전자선 조사량에 의해서 폴리이미드 표면의 O-H 극성 관능기 도입이 완전히 이루어짐으로써 같은 조사량에서 주파수 의존성이 크게 나타나지 않는 것으로 사료된다. 이러한 특성은 유전 손실에서도 확인 할 수 있었다. 복 소 유전상수의 허수항이, G ε′′==mmmm (5) ωC0 임을 고려할 때, 유전 손실항은 다음과 같이 정의 되어 진다. ε′′ tanδ==mm (6) ε′ 이러한 유전 손실항의 주파수 의존성을 Fig. 5에 나타내 었다. Fig. 3에 나타난 복소 유전율의 실수부가 주파수에 따라 거의 상수값을 가짐을 고려할 때 유전 손실항은 복 소 유전율의 허수부 특성에 의존함을 알 수 있다. 유전 손실항 역시 전자선 조사에 의하여 낮은 측정 주파수에 서 그 값이 불안정한 상태에 있음을 알 수 있으며 주파 수가 증가함에 따라 전자선 조사량에 무관하게 거의 같 은 값을 갖는다는 것을 알 수 있다. 이러한 특성 역시 전자선 조사에 의한 폴리이미드 필름 표면의 O-H 극성 관능기의 도입에 의한 것으로 사료된다.
결
론
본 연구에서는 우주 전자 부품소재로 활용도가 높은 폴리이미드 필름의 전자선 조사에 의한 영향 평가를 8 ×103kGy에서 4.3×104kGy의 전자선을 조사하여 수행 하였다. FT-IR 분석 결과 전자선 조사에 의하여 폴리이미 드 필름의 표면에 전자선 조사량이 증가함에 따라 O-H 피크의 크기의 증가가 확인되었다. 이러한 폴리이미드 필름 표면의 극성 관능기의 도입은 유전 특성에 영향을 주었으며 10 MGy가 조사된 시료에서 복소 유전율의 실 전자선 조사에 따른 폴리이미드 필름의 유전특성 변화 287 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 1 MHz 100 kHz 10 kHz 1 kHz 100 Hz 10 Hz 1 Hz Dielectric constant Dose (MGy)Fig. 4. Dielectric constant variation as a function of electron beam irradiation dose rate at given frequency.
0 1 2 3 4 5 6 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 Control 8 MGy 10 MGy 12 MGy 15 MGy 20 MGy 25 MGy 30 MGy 33 MGy 38 MGy 43 MGy tan δ log f (Hz)
Fig. 5. The frequency dependency of tan loss of electron beam irra-diated polyimide films.
수부가 가장 높게 나타나게 되었다. 전자선 조사된 시료 들은 저주파에서 유전 손실이 크게 나타났으며 이러한 특성은 주파수가 높아져 감에 따라 감소하는 특성을 나 타내었다.
사
사
본 연구는 교육과학기술부 지원 원자력연구개발사업 에 의하여 수행되었으며 이에 감사드립니다.참 고 문 헌
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Irradiation effect on dielectric properties and electrical
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Manuscript Received: August 19, 2010 Revision Accepted: September 7, 2010
김현빈∙전준표∙강필현 288
