Bio-based benzoxazine electrically conductive adhesives for sustainable and epoxy-free hybrid printed electronics
본 연구는 상용 에폭시 시스템과 대등한 전기적 성능 및 신뢰성을 달성하면서도 더 낮은 경화 온도, 감소된 독성, 그리고 더 낮은 지구 온난화 지수를 제공하는 지속 가능한 바이오 기반 벤조옥사진 이방성 도전성 접착제를 제시한다.
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현대 전자 기기는 우리 기기를 작동시키는 부품들을 연결하기 위해 작고 보이지 않는 다리에 의존합니다. 정밀한 센서와 칩이 유연한 플라스틱 시트나 심지어 종이 위에 장착되는 인쇄 회로의 세계에서, 이 다리들은 흔히 전기 전도성 접착제라고 불리는 특수한 풀로 만들어집니다. 이 풀은 두 가지 어려운 일을 동시에 수행해야 합니다. 즉, 부품을 단단하게 고정해야 하며, 회로를 완성하기 위해 특정 방향으로 전기가 흐를 수 있도록 해야 합니다. 수십 년 동안 업계는 일반적인 플라스틱 수지인 에폭시를 기반으로 한 풀에 의 reliance 해왔습니다. 효과적이긴 하지만, 이러한 전통적인 풀에는 어두운 면이 있습니다. 이들은 제조 시 독성 화학 물질을 필요로 하는 경우가 많고, 이를 다루는 작업자들에게 알레르기 반응을 일으킬 수 있으며, 너무 빨리 굳는 것을 방기하기 위해 냉동고에 보관해야 합니다. 더욱이, 이들은 환경에 해로운 금속 충전물을 포함하는 경우가 많습니다. 더 친환경적인 기술에 대한 요구가 커짐에 따라, 과학자들은 석유가 아닌 자연에서 유래되어 더 안전하고 사용하기 쉬운 결합제를 찾고 있습니다.
스웨덴의 RISE 연구소와 오스트리아의 요아눔 연구소(Joanneum Research)의 연구진은 이러한 문제들을 해결하는 새로운 유형의 전도성 풀을 개발했습니다. 연구진은 에폭시를 사용하는 대신 바이오 기반의 원료로 만들 수 있는 벤조옥사진(benzoxazines)이라는 물질군을 활용했습니다. 구체적으로, 그들은 목재 산업 폐기물에서 발견되는 물질인 디페놀산(diphenolic acid)에서 유래한 분자를 긴 사슬의 아민(amine)과 결합하여 혼합물을 만들었습니다. 이 조합은 기존의 벤조옥사진보다 훨씬 낮은 온도에서 경화되는 결합제를 생성하며, 이는 현대 전자 기기에 사용되는 얇은 플라스틱 필름과 같이 열에 민데한 재료에 사용하기에 안전하게 만듭니다. 풀을 전도성 있게 만들기 위해 연구진은 미세한 금속 구체를 혼합했습니다. 아연과 철을 포함한 여러 옵션을 테스트한 끝에, 그들은 구리 구체가 가장 효과적이라는 것을 발견했습니다. 무게 기준으로 35%의 구리가 포함된 최종 혼합물은 층 사이를 수직으로 흐르게 하면서도 옆으로 퍼지는 것은 차단하는 결합을 형성했는데, 이는 미세한 전자 부품에서 단락(쇼트)을 방지하는 데 매우 중요한 특징입니다.
연구진은 이 새로운 접착제가 현재의 업계 표준을 대체할 수 있는지 확인하기 위해 일련의 엄격한 테스트를 진행했습니다. 그들은 가열 도구를 사용하여 부품을 눌러 고정함으로써 종이와 카프톤(Kapton)이라 불리는 내구성이 강한 플라스틱 필름 위에 아주 작은 컴퓨터 칩들을 장착했습니다. 이 풀은 놀라운 성능을 보여주었으며, 선도적인 상업용 에폭시 기반 제품이 만든 것만큼이나 강력하고 전도성이 높은 전기적 연결을 만들어냈습니다. 실제로, 이 새로운 풀은 부품을 매우 견고하게 고정하여, 칩을 떼어내려 했을 때 접착제가 떨어지기 전에 종이 기판 자체가 먼저 찢어질 정도였습니다. 이는 이 결합이 전기적으로 우수할 뿐만 아니라 기계적으로도 매우 견고하다는 것을 입증했습니다. 또한 연구진은 몇 주 만에 수년간의 마모를 시뮬레이션하기 위해 설계된 급격한 온도 변화와 고온 및 습도를 포함한 가혹한 조건에 접착된 부품들을 노출시켰습니다. 접착제는 이러한 과정 전반에 걸쳐 안정적인 상태를 유지했으며, 변질이나 전기적 연결 손실의 징후를 보이지 않았습니다.
성능 외에도, 이 연구는 이 새로운 재료를 생산하는 데 드는 환경적 비용을 조사했습니다. 연구진은 이 바이오 기반 풀을 상업용 니켈 기반 접착제와 비교하여, 생성 과정 중에 배출되는 이산화탄소량을 계산했습니다. 바이오 기반 버전은 1kg당 5.48kg의 이산화탄소를 배출하여, 상업용 대안 제품의 6.27kg에 비해 현저히 적은 양을 기록했습니다. 연구는 제조 공정을 용매가 없는 방식으로 만들고 구리를 재활용 소재에서 조달한다면 이 환경적 이점이 더욱 커질 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 독성 에폭시나 환경에 해로운 금속에 의존하지 않고도 고성능 전자 접착제를 만드는 것이 가능하다는 점을 확인해 줍니다. 바이오 기반의 저온 풀이 현재의 상업용 제품과 동일한 신뢰성을 갖출 수 있음을 증명함으로써, 이 연구는 우리 일상을 움직이는 전자 기기의 조립을 위한 더 지속 가능한 미래로 가는 길을 열어주고 있습니다.
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