결합제 조성이 수계 세라믹 테이프의 성형 특성에 미치는 영향 = Effect of binder compositions on the forming properties of water-based ceramic tapes

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl pyrrolidone (PVP), cellulose, gelatine 그리고 아크릴 에멀젼과 같은 수용성 결합제를 사용하여 수계 세라믹 테이프를 제조하고 이들의 단독 또는 혼합 결합제 조성이 세라믹 테이프의 성형성을 중심으로 세라믹 테이프의 특성에 미치는 영향을 관찰하였다. 3차원 형상 제조를 위해 PVP를 결합제로 사용한 알루미나 테이프의 습도증가에 따른 강도의 저하와 낮은 건조속도의 문제점들을 개선하기위해 PVA와 젤라틴을 결합제로 첨가하였다. PVA의 첨가는 PVA의 높은 수화도와 결정성에 의해 PVP 함유 테이프 강도의 습도의존성 문제를 해결할 수 있었으며 젤라틴의 첨가는 건조 시 테이프 내 수분이 젤라틴의 겔화를 유발시켜 건조속도가 향상된 알루미나 테이프를 제조할 수 있었다. 강도, 유연성, 접착성과 건조시간이 최적화된 수계 알루미나 테이프를 위한 복합 수계 결합제의 조성은 89.5 wt% PVP-10 wt% PVA-0.5 wt%gelatine 이었다. 한편 PVP와는 달리 아크릴 에멀젼은 단일 결합제로도 접착성, 유연성이 우수하며 건조속도가 빠른 3차원 형상제조를 위한 수계 알루미나 테이프의 제조가 가능하였다. 이러한 특성은 에멀젼 단량체의 구성에 의한 것으로 이들이 테이프의 유연성에 영향을 주는 유리전이온도 (Tg)와 인장강도의 특성을 결정하기 때문으로 butyl acrylate, methyl aclylate, hexyl acrylate 그리고 methyl-metha acrylate로 구성된 에멀젼의 경우 약 -20℃의 유리전이온도를 나타내었다. 그러나 아크릴 에멀젼이 LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics)용 박막 (100 이하)의 세라믹 테이프를 형성하기 위한 결합제로는 테이프의 강도가 낮고 높은 접착성에 의해 필름으로부터 테이프를 분리해 내기 어려운 문제점들을 가지고 있어 아크릴 에멀젼의 단독사용은 적층형 전자부품을 위한 박막의 세라믹 테이프 제조에 적용할 수 없었다. 이러한 특성을 해결하기 위해 수계 결합제들이 박막의 세라믹 테이프의 특성에 미치는 영향을 연구하고자 Al2O3-SiO2-B2O3-K2O로 구성된 LTCC 분말을 사용하여 수계 세라믹 테이프를 제조하였다. 이를 위해 아크릴 에멀젼, hydroxypropylmethyl cellulose(HPMC), 그리고 PVA를 혼합한 복합결합제를 사용하였다. 높은 강도를 부여하는 HPMC 내 ether backbone의 특성으로 인해 최소 10 두께까지 수계 세라믹 테이프의 제조가 가능하였으며 PVA의 높은 결정성이 세라믹 테이프의 접착력을 저하시킴으로 인해 박막의 세라믹 테이프를 필름으로부터 분리가 용이하였다. 테이프 제조 시 LTCC 분말 내 B2O3의 수화에 의한 슬러리 분산성의 저하는 결합제를 아크릴 에멀젼-HPMC-PVA의 순서로 첨가하여 PVA나 HPMC와의 겔화를 억제시켜 개선함으로 테이프 캐스팅용 슬러리의 점도를 이룰 수 있었다.Mixtures of water-soluble binders, such as polyvinyl alchohol (PVA), polyvinyl pyrrolidone (PVP), cellulose, gelatine, and acrylic emulsion were used for fabrications of water-based ceramic tapes and influences of the binder compositions on tape properties were investigated placing emphasis on formability of the tapes. The drawbacks of the water-based alumina tapes using the PVP as a binder for the applications of three-dimensional forming were eliminated by the addition of PVA and gelatine. The PVA alleviated the relative humidity sensitive strength degradation of the PVP-tape due to the high hydrolysis level and the high molecular weight of the PVA. On the other hand, the gelatine increased the tensile strength and the drying rate of the alumina tapes containing the PVP binder as a result of gelation while drying. The strength, flexibility, adhesiveness, and drying rate of the aqueous-based alumina tape were optimized by using a co-binder whose composition was 89.5 wt% PVP, 10 wt% PVA, and 0.5 wt% gelatine. In contrast with PVP, acrylic emulsion was used as a single binder to fabricate water-based alumina tapes having high flexibility and drying rate, excellent adhesiveness, and humidity-insensitive strength, which are prerequisite to 3-dimensional forming. These properties were attributed to the presence of monomers, such as butyl acrylate, methyl acrylate, hexyl acrylate, and methyl-metha acrylate, in the emulsion, which led to a low glass transition temperature (Tg) of -20℃. Nevertheless, the acrylic emulsion binder alone could not be applied for the fabrication of water-based LTCC tapes whose thickness is less than 100 μm because the acrylic emulsion binder is not stiff enough to form thin tapes and is too sticky to peel off from the Mylar film. The LTCC tapes, containing Al2O3-SiO2-B2O3-K2O were prepared using the binder mixture of acrylic emulsion, hydroxypropylmethyl cellulose(HPMC), and PVA. HPMC conferred a high stiffness so that the tapes could be casted with the thickness of 10 μm. On the other hand, PVA facilitated the removal of the tapes from the tape carrier. Hydration of B2O3 in water caused an coagulation between the LTCC powders and PVA or HPMC so that the tapes could not be casted. The adverse effect of the hydrated B2O3 on the dispersion of the powders was eliminated by the addition of the binders in the sequence of acrylic emulsion-HPMC-PVA. The sequence suppressed the influences of the side groups of OH in HPMC and PVA on charging of the hydrated B2O3 so that the slurry could be had viscosity for casting.