In this study noble UV-curable epoxy modified acrylates binder was designed and synthesized to apply an organic insulating film. Firstly, diesteric acid (DA) derivatives were prepared from anhydrides and hydroxy acrylates to synthesize epoxy modified acrylates. UV-curable epoxy modified acrylates were prepared from synthesized diesteric acid (DA) and epoxy chemicals, glycidyl methacrylate (GMA). The miscibility with silica millbase ‘NANOBYK-3650’ was investigated. Appropriate binder with silica was chosen by considering the monomer chemical structure. To obtain an organic insulating film with high transmittance and low k silica resist, optimum composition of UV-curable epoxy modified acrylates was also formulated. Transmittance, patternability, and electrical properties (dielectric constant) was measured.

본 연구에서는 유기 절연막에 적용 가능한 새로운 광경화 에폭시 변성 아크릴레이트의 합성 및 그 특성에 대해 살펴보았다. 우선 다양한 에폭시 변성 아크릴레이트를 합성하기 위하여 산 무수물과 하이드록시 아크릴 단량체의 조합에 의해 diesteric acid(DA) 유도체를 반응시켰다. 합성된 diesteric acid(DA)에 에폭시 화합물인 글리시딜 메타아크릴레이트(glycidyl methacrylate)를 반응시켜 광경화 타입의 에폭시 변성 아크릴레이트를 합성하였다. 그리고 실리카 분산액인 NANOBYK-3650과의 호환성을 살펴보았다. 사용한 단량체의 구조에 기인하여 실리카와 최적의 바인더를 선정하고 이를 고투과율·저유전 실리카 레지스트에 적용시키고자 배합을 하여 유기 절연막을 제조하였다. 실리카 함량에 따른 투과율, 패턴성, 열 안정성 그리고 전기적 특성(유전 상수)을 확인하였다.

Keywords: silica resist, epoxy modified acrylate, binder, insulating thin film

현재 디스플레이 시장 규모는 지속적으로 성장하고 있으며, 앞으로는 더욱 더 사실적인 시각 이미지 전송을 요구하는 유비쿼터스(ubiquitous) 환경에 적합한 초고해상도, 대면적, 저전력, 유연성 등의 기술 개발이 요구되고 있다. 이러한 차세대 디스플레이의 개발을 위하여 디스플레이의 핵심 구동소자인 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)의 성능향상이 필수적이다.¹ 이러한 소자의 구동력을 높이기 위한 여러 방안 중 유기 절연막에 대하여 집중적으로 다루었다.
절연막 소재 개발의 초기에는 미세 유리, SiO₂와 같은 무기 재료를 이용한 연구가 진행되었다. 무기 재료를 이용한 절연막은 유기 재료 기반 절연막에 비하여 높은 내화학성, 내열성, 내수성을 가지고 광학 특성이 좋지만, 고가의 공정으로 인하여 제조 단가가 높아지고, brittle한 특성으로 기계적 손상에 약한 단점이 있다.
이러한 이유 때문에 무기 재료 기반의 절연막의 대체용으로 benzocyclobutene(BCB), polyimide(PI), polytetrafluoroethylene(PTFE)와 같은 유기 재료에 대한 연구가 진행되고있다.^2,3 유기 소재 기반의 절연 박막은 우수한 유연성과 낮은 제조 비용을 가지고, 낮은 유전율인 장점이 있지만 무기 소재 기반의 박막에 비해 열 안정성과 투명성이 낮은 단점이 있다. 유기물과 무기물의 단점을 최소화하고, 장점을 이용하기 위해서 hydrogen silsesquioxane과 methyl silsesquioxane을 비롯한 실리콘 기반의 유-무기 하이브리드 소재의 연구가 진행되고 있다.⁴ 그러나 졸-젤 공정을 통한 유-무기 하이브리드 소재는 높은 광학적 특성과 높은 내열성을 나타내지만 기계적 강도가 낮다는 단점으로 실제 공정에 적용하기 어려움이 있다.
저유전 박막의 제조 공정 방법에 대해서, 증착 공정 방법은 다양한 소재에 적용이 가능하며 형성된 박막의 전기적 특성이 좋다는 장점이 있지만, 높은 비용의 공정과 공정 수율이 낮다는 단점을 가지고 있다.⁵ Spin-On 공정은 넓은 면적의 피막을 쉽게 형성하고, 공정 속도가 빠르고 다양한 재료를 이용할 수 있지만, 생성된 박막의 기계적 물성과 전기적 특성이 낮은 단점이 있다.⁶
일반적인 아크릴계 바인더는 단량체, 개시제, 사슬 전달제를 사용하는 라디칼 중합 방법으로 합성된다. 투과도, 내화학성, 내열성, 접착 성능 같이 전자 재료에서 요구되는 특성과첨가제와의 혼화성을 만족시키기 위해 methyl methacrylate(MMA), benzyl methacrylate(BzMA), methacrylic acid(MAA) isobornyl methacrylate(IBMA)와 같은 다양한 단량체들을 공중합하여 사용하는 연구들, 또는 실란계 단량체와 BA나 MMA와 같은 아크릴계 단량체와 공중합을 하는 등 다양한 연구들이 진행되고 있다.^7-9
본 연구에서는 실리카 나노 입자를 사용하여 저유전 특성과 높은 기계적 물성, 높은 광학적 특성을 나타내면서 기존의 포토리소그래피(photo-lithography) 기술을 응용하여 편리성 및 낮은 제조 단가를 가지며, patterning이 가능한 유-무기하이브리드 실리카 레지스트(silica resist)를 제조하였다. 먼저 저유전 첨가 재료로 비수계에 적합한 분산액을 선정하였다. 그리고 분산액과 호환성이 높고 기계적 물성, 절연성, 접착성, 내열성 등의 특성을 가지는 에폭시 화합물을 이용하여 현상액에 용해 가능한 작용기를 갖는 에폭시 변성 아크릴레이트 바인더를 합성하였다. 실리카 분산액과 합성된 바인더를 다관능 단량체 및 광개시제와 혼합한 후 스핀 코팅과 포토리소그래피 공정을 통하여 유기 절연막을 제조하였다.