B-stage epoxy film is one of the most widely used adhesive in electronic packaging. Since its ad-vantages in processing, B-stage adhesive film is being used as advanced electronic packaging technologies such as anisotropic conductive films (ACFs) and die attach film for 3D packaging.
Graphene, a layer of carbon atoms, has been paid attention to many different scientists and engineers due to its own unique and excellent properties. There are various potential applications studied such as elec-trode, gas sensor, and transistor, and one of the applications of graphene is graphene-polymer composite, which graphene flakes are incorporated into polymeric matrix. Recent studies on graphene-polymer compo-site have demonstrated that small amount of graphene flakes improved the properties of neat polymer mate-rials significantly. Therefore, graphene flakes can be an effective filler for B-stage film for electronic packag-ing.
Moreover, recent studies on nano-sized filler-polymer composites focus on tailoring the structure of the composites. Especially alignment of nanoparticles or nano-flakes such as carbon nanotubes and gra-phene flakes, has widely studied. Alignment methods such as mechanical strain, in-situ polymerization, and electric or magnetic field application were studied on carbon nanotubes and graphene flakes in polymeric composite materials. However, most of the studies are focused on bulk-type composite, not film-type com-posite, which various applications are possible.
In this study, alignment of graphene flakes in B-stage graphene-epoxy composite film, was studied. Commercial graphene flakes were used, and B-stage graphene-epoxy composite film was fabricated by pre-paring graphene-epoxy resin by solution mixing process. During preparation, sonication of graphene flakes in organic solvent was done, therefore the effects of sonication time on the dimension and quality of graphene flakes were demonstrated. After the film was prepared, characterization of B-stage graphene-epoxy compo-site film was done in terms of morphology and viscosity.
The response time of a flake rotating by electric field application, depends on the viscosity of matrix material and electric field strength. The rotation of a graphene flake were studied theoretically and experi-mentally. The rotation of the flake inside the liquid epoxy was observed directly, and the rotating angle ver-sus time was analyzed, which the results were quite consistent with theoretical relation between rotation time and viscosity and electric field strength.
Alignment of graphene flakes in B-stage composite film, was studied in terms of temperature, electric field strength, and electric field application time. Electric field was applied in the direction parallel to the film surface (horizontal). Film viscosity was controlled by heating to elevated temperature, while electric field strength was controlled by electric voltage and electrode spacing. All samples were analyzed in terms of flake orientation distribution. These distribution results suggest that graphene flakes were aligned to electric field direction better when high electric field was applied for long time at elevated temperature. However, further alignment was not achieved by field application at high temperature (low viscosity), and curing behavior studies indicated that B-stage composite film was slowly cured for long time at high temperature, which vis-cosity drastically increased. Finally, effects of horizontal alignment by electric field application on properties of B-stage graphene-epoxy composite film were evaluated in terms of water vapor transmission rate (WVTR), and aligned graphene-epoxy composite film showed lower WVTR than as-coated graphene-epoxy composite film.
With this electric field application method, graphene flakes have shown aligned structure. This align-ment method could be used for different type of graphene-polymer composite materials, and the method is applicable to EMI shielding, gas impermeable membrane, and thermal management materials.
B-stage 에폭시 필름은 전자패키징 등 다양한 분야에 사용되는 접착물질이다. 일반적으로, 접착물질의 전기적, 열적, 기계적 물성을 향상시키기 위해 다양한 첨가물질들이 사용되며 특히 도전성 필름, 혹은 열전달 필름으로 사용하기 위해 은이나 boron nitride 등의 입자들이 첨가된다. 그러나 이러한 도전성 및 높은 열전도율을 만들기 위해 필요한 첨가물질의 양이 상대적으로 많기 때문에 새로운 첨가물질에 대한 요구가 커지고 있다.
탄소 원자들이 한 층으로 이뤄진 그래핀은 그 뛰어난 물성 때문에 전극, 가스 센서 및 트랜지스터 등의 다양한 분야에서 사용하기 위해 연구를 진행하고 있다. 그 중에서, 그래핀 조각 (flake)을 고분자 물질에 첨가한 그래핀-고분자 복합재료에 대한 연구가 다양한 고분자에 대해 진행되고 있으며, 적은 양으로도 물성이 크게 향상되는 결과가 보고 되고 있다.
나노입자 / 고분자 복합재료 입자들을 배향시킴으로써, 복합재료의 물성을 조절하려는 연구가 다양하게 진행이 되고 있으며, 특히 한 방향으로 입자들을 정렬시키는 연구가 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 다양한 첨가재들에 대해 활발히 이뤄지고 있다. 보고된 정렬방식에는 기계적인 변형, in-situ 중합법, 전기장/자기장의 인가 등이 있지만, 필름형태의 복합재료에서 정렬시키는 연구가 많이 이뤄지지 않고 있다.
따라서 본 연구에서, B-stage 그래핀/에폭시 복합필름에서 전기장을 인가하여 그래핀 조각들을 정렬시키는 것을 연구하였다. 상용화된 그래핀 조각을 사용하여 용액제조공정을 통해 그래핀 / 에폭시 복합재료를 만든 다음, 필름으로 코팅하여 샘플을 제작하였다. 용액제조공정 중에 초음파 처리 (sonication)를 하여 그래핀 조각들을 유기용매에 분산시키는 공정이 포함되기 때문에 처리 시간에 따른 그래핀의 사이즈 및 특성에 대해 알아보았으며, 처리시간이 길수록 평면 방향의 크기가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
고분자 물질 내 조각이 전기장에 의해 반응하는 시간은 고분자의 점도와 전기장의 세기와 관련이 있다. 이와 관련하여 액상 에폭시 내 그래핀 조각이 전기장에 의해 반응하는 것을 직접 관찰함으로써, 에폭시의 점도와 전기장의 세기가 그래핀 조각의 회전에 미치는 영향을 직접 관찰함으로써 알아보았다. 또한 B-stage 필름 내에서의 그래핀 조각들이 정렬되는 것을 필름점도, 전기장의 세기, 전기장 인가시간에 대해 알아보았다. 전기장의 방향은 필름에 평행한 방향으로 인가하였다.
실험결과, 점도가 낮은 높은 온도에서 강한 전기장이 오래 걸릴수록 그래핀 조각들이 수평방향으로 더 정렬이 잘 되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 경화가 갈 수 있는 높은 온도에서는 그 보다 낮은 온도에서의 경우에 비해 정렬 정도가 낮았는데, 경화거동을 분석한 결과 높은 온도에서 장시간 처리한 샘플이 경화가 이뤄졌기 때문에 점도가 높아져 정렬이 잘 이뤄지지 않은 것을 확인하였고, 온도와 전기장의 세기, 시간을 최적화한 샘플에 대한 수분투과도 테스트 결과 가장 낮은 수분투습도를 나타내는 것을 확인하였다.
위와 같은 실험을 통해, 그래핀 조각들이 전기장에 의해 정렬된 것을 확인하였으며, 이러한 정렬방법은 다양한 그래핀/고분자 복합재료에 적용되어 전자파차폐, 기체투과차단막 및 전도성 필름 등에 활용될 수 있다.
