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KR102287602B1 - 인계 난연성 중합체 및 이를 포함하는 난연성 수지 조성물 - Google Patents

인계 난연성 중합체 및 이를 포함하는 난연성 수지 조성물 Download PDF

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KR102287602B1
KR102287602B1 KR1020170180890A KR20170180890A KR102287602B1 KR 102287602 B1 KR102287602 B1 KR 102287602B1 KR 1020170180890 A KR1020170180890 A KR 1020170180890A KR 20170180890 A KR20170180890 A KR 20170180890A KR 102287602 B1 KR102287602 B1 KR 102287602B1
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South Korea
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phosphorus
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retardant polymer
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이민우
황광춘
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코오롱인더스트리 주식회사
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Abstract

본 발명은 인계 난연성 중합체 및 이를 포함하는 난연성 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분자구조 내 에스테르 구조의 카보닐기를 포함함으로써 난연성 및 유전 특성을 동시에 확보할 수 있어 전기전자 부품의 절연재료, 인쇄 회로 기판, 절연판 등의 각종 복합재료, 접착제, 코팅제, 도료 등에 폭넓게 적용할 수 있다.

Description

인계 난연성 중합체 및 이를 포함하는 난연성 수지 조성물{PHOSPHORUS CONTAINING FLAME-RETARDANT POLYMER AND FLAME-RETARDANT RESIN COMPOSITION COMPRISING THE SAME}
본 발명은 인계 난연성 중합체 및 이를 포함하는 난연성 수지 조성물에 관한 것이다.
컴퓨터, 반도체, 디스플레이, 통신 기기 등 다양한 전자 제품에는 특정한 전자 회로가 인쇄된 인쇄 회로 기판(printed circuit board; PCB)이 사용되고 있다. 기판 위에는 신호 전달을 위한 배선(signal lines), 배선 간의 단락 등을 방지하기 위한 절연막(insulating layers), 스위칭 소자(switching element) 등이 형성될 수 있다.
인쇄 회로 기판은 유리섬유(glass cloth)에 에폭시 수지를 함침시키고 반경화시킨 프리프레그를 회로가 형성된 내층 회로기판상에 적층하는 방식으로 형성될 수 있다. 또는 회로가 형성된 내층 회로 기판의 회로 패턴 상에 절연층을 교대로 적층하여 기판을 제조하는 빌드-업(build-up)공법으로 제조될 수 있다. 이때 빌드-업 공법은 비아 홀(via hole)을 형성하여 배선 밀도를 증가시키고, 레이저 가공 등에 의해 회로를 형성하기 때문에 인쇄 회로 기판의 고밀도화 및 박막화에 이점을 가진다.
최근 전자 기기의 경박단소화 추세로 인쇄 회로 기판 또한 고집적화 및 고밀도화됨에 따라 전자 기기의 안정성 및 신뢰성을 위하여 인쇄 회로 기판의 전기적, 열적, 기계적 안정성이 중요한 요소가 되고 있다.
에폭시 수지는 우수한 전기적, 열적 특성을 나타내므로, 반도체 봉지재 또는 인쇄 회로 기판의 절연 재료로서 폭넓게 이용되고 있다.
인쇄 회로 기판에 있어서, 전자 기기의 소형화, 박막화, 고성능화의 흐름에 수반하여 배선 피치의 협소화에 의한 고밀도 배선의 구현이 요구되고 있다. 이를 위해 기존의 와이어 본딩 방식을 대신하여 땜납 볼에 의해 반도체 장치와 배선 기판을 접합시키는 플립 칩 접속 방식이 주로 이용되고 있다.
플립 칩 접속 방식은 배선 기판과 반도체 장치 사이에 땜납 볼을 배치하고 전체를 가열함으로써 땜납을 리플로우시켜 접합하기 때문에 보다 내인화성이 높은 절연 재료가 요구되고 있다.
이에 더해서, 전술한 바의 전자 기기의 고성능화 요구에 따라 전자 기기의 내부에서의 신호의 고속화 및 고주파화되는 경향을 나타내고 있다. 전기 신호의 전송 손실은 유전 손실 계수(dielectric dissipation factor; Df) 및 주파수와 비례한다. 따라서, 주파수가 높은 만큼 전송 손실은 커지고 신호의 감쇠를 불러 신호 전송의 신뢰성 저하가 생긴다. 또한, 전송 손실이 열로 변환되어 발열의 문제도 야기될 수 있다. 따라서, 기존의 절연 재료보다 유전율과 유전 손실 계수가 더욱 작은 절연 재료가 필요로 한다.
그러나, 종래 절연 재료로 많이 사용되는 에폭시 수지 조성물 및 그 경화물의 경우 고유의 특성으로 인하여 유전율과 유전 손실 계수를 낮추기가 용이하지 않다.
따라서, 에폭시 수지 조성물과 함께 사용되어 우수한 내인화성과 더불어 고속화, 고주파수화된 신호에 대해 낮은 유전 특성을 나타낼 수 있는 고분자 재료가 요구되고 있다.
이와 관련하여 대한민국 등록특허 제10-1596992호는 함침성, 접착력, 난연성 및 다른 고분자와의 상용성이 우수한 비할로겐계 난연성 중합체 및 그 제조방법에 대해 개시하고 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제2016-0018507호는 에폭시 수지 조성물에 사용되어 난연성, 내열성 및 유전 특성 등을 개선시키는 인 원자 함유 활성 에스테르 수지에 대해 개시하고 있다.
이들 특허에서 제시하는 난연성 중합체 또는 활성 에스테르 수지의 경우 최종 경화물의 난연 특성을 어느 정도 개선하였으나, 그 효과가 충분치 않고, 특히 전자의 경우 유전 특성에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않다. 따라서, 높은 난연성과 낮은 유전 특성을 동시에 확보할 수 있는 난연성 화합물에 대한 연구가 더욱 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1596992호(2016.02.17), 비할로겐 난연성 중합체 및 이를 함유하는 난연성 중합체 조성물 대한민국 공개특허 제2016-0018507호(2016.02.17), 인 원자 함유 활성 에스테르 수지, 에폭시 수지 조성물, 그 경화물, 프리프레그, 회로 기판, 및 빌드업 필름
이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 인계 난연성 중합체에 존재하는 하이드록시기를 에스테르 구조의 카보닐기로 치환하는 경우 난연성 및 유전 특성을 동시에 만족할 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
이에 본 발명의 목적은 높은 난연성 및 낮은 유전 특성을 갖는 인계 난연성 중합체를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 하기 화학식 1 및 2로 표시되는 반복단위 중에서 1종 이상을 포함하며, 전체 반복단위 내의 R1 중 적어도 하나가 카보닐기인 인계 난연성 중합체를 제공한다:
[화학식 1]
Figure 112017129754370-pat00001
[화학식 2]
Figure 112017129754370-pat00002
(상기 화학식 1 및 2에서, R1 내지 R4, Ra, m 및 n은 명세서 내 설명한 바를 따른다.).
상기 반복단위는 하기 화학식 3 내지 9로 표시되는 반복단위 중 선택되는 1종 이상일 수 있다:
[화학식 3]
Figure 112017129754370-pat00003
[화학식 4]
Figure 112017129754370-pat00004
[화학식 5]
Figure 112017129754370-pat00005
[화학식 6]
Figure 112017129754370-pat00006
[화학식 7]
Figure 112017129754370-pat00007
[화학식 8]
Figure 112017129754370-pat00008
[화학식 9]
Figure 112017129754370-pat00009
(상기 화학식 3 내지 9에서, R1 내지 R4, Ra 및 m은 명세서 내 설명한 바를 따른다.).
상기 인계 난연성 중합체 내 전체 R1 중 카보닐기 비율이 20 내지 100 %일 수 있다.
상기 인계 난연성 중합체는 중합체 총 중량을 기준으로 인 함량이 5.0 내지 9.0 중량%일 수 있다.
상기 인계 난연성 중합체는 1 ㎓에서 유전율(Dk)이 3.8 미만이며, 1 ㎓에서 유전 손실 계수(Df)가 0.015 이하일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 인계 난연성 중합체를 포함하는 난연성 수지 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 난연성 수지 조성물을 포함하는 인쇄 회로 기판을 제공한다.
본 발명에 따른 인계 난연성 중합체는 반복단위 내 수산기 대신 에스테르 구조의 카보닐기를 일정 비율 이상으로 포함함으로써 최종 제조되는 경화물이 기존과 동등한 수준의 난연성을 나타내면서도 유전율 및 유전 손실 계수를 저감시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 인계 난연성 중합체는 고신뢰성, 우수한 난연성 및 저유전 특성이 요구되는 반도체 봉지재 또는 인쇄 회로 기판 등 각종 전기전자 부품에 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 인계 난연성 중합체의 GPC 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 3 및 실시예 4에서 제조된 인계 난연성 중합체의 GPC 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 인계 난연성 중합체의 IR 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, ‘포함하다’또는 ‘가지다’등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하여는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용된 용어 “난연 특성”, “난연성” 또는 “내인화성”은 가연성과 불연성의 중간으로 연소하기 어려운 재료의 성질을 의미하며, 내인화성, 방염성(防炎性), 방연(防然性) 등과 동일한 의미를 가진다.
본 발명에 사용된 용어 “알킬기”는 1 내지 20개, 바람직하게는 1 내지 10개, 보다 바람직하게는 1 내지 8개의 탄소 원자의 선형 또는 분지형 포화 1가 탄화수소기를 의미한다. 상기 알킬기는 비치환된 것뿐 아니라 후술하는 일정한 치환기에 의해 더욱 치환된 것도 포괄하여 지칭할 수 있다. 상기 알킬기의 예로서 메틸기, 에틸기, 프로필기, 2-프로필기, n-부틸기, 이소-부틸기, t-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 도데실기, 플루오로메틸기, 디플루오로메틸기, 트리플루오로메틸기, 클로로메틸기, 디클로로메틸기, 트리클로로메틸기, 요오도메틸기, 브로모메틸기 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “알콕시기”는 다른 설명이 없는 한 산소 라디칼을 포함하는 탄소수 1 내지 20의 알킬기를 의미하며 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 알콕시기의 예로서 메톡시기, 에톡시기, 프로폭시기, 이소프로폭시기, 부톡시기, 펜톡시기, 헤톡시, 도덱시 등이 가능하고, 추가적으로 할로겐으로 치환될 경우 플루오로메톡시, 디플루오로메톡시, 트리플루오로메톡시, 클로로메톡시, 디클로로메톡시, 트리클로로메톡시, 요오도메톡시, 브로모메톡시 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “알케닐기”는 하나 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 2 내지 20, 바람직하게는 2 내지 10, 보다 바람직하게는 2 내지 6개의 탄소 원자의 선형 또는 분지형 1가 탄화수소기를 의미한다. 상기 알케닐기는 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 탄소 원자를 통해 또는 포화된 탄소 원자를 통해 결합될 수 있다. 상기 알케닐기는 비치환된 것뿐 아니라 후술하는 일정한 치환기에 의해 더욱 치환된 것도 포괄하여 지칭할 수 있다. 상기 알케닐기의 예로서 에테닐기, 1-프로페닐기, 2-프로페닐기, 2-부테닐기, 3-부테닐기, 펜테닐기, 5-헥세닐기, 도데세닐기 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “알키닐기”는 하나 이상의 탄소-탄소 삼중 결합을 포함하는 2 내지 20, 바람직하게는 2 내지 10, 보다 바람직하게는 2 내지 6개의 탄소 원자의 선형 또는 분지형 1가 탄화수소기를 의미한다. 상기 알키닐기는 탄소-탄소 삼중 결합을 포함하는 탄소 원자를 통해 또는 포화된 탄소 원자를 통해 결합될 수 있다. 상기 알키닐기는 후술하는 일정한 치환기에 의해 더욱 치환된 것도 포괄하여 지칭할 수 있다. 예를 들어, 상기 알키닐기로는 에티닐기, 프로피닐기 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “사이클로알킬기”는 3 내지 20개, 바람직하게는 3 내지 12개의 고리 탄소의 포화 또는 불포화된 1가 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 트리사이클릭 비방향족 탄화수소기를 의미하며, 후술하는 일정한 치환기에 의해 더욱 치환된 것도 포괄하여 지칭할 수 있다. 예를 들어, 사이클로프로필기, 사이클로부틸기, 사이클로펜틸기, 사이클로펜테닐기, 사이클로헥실기, 사이클로헥세닐기, 사이클로헵틸기, 사이클로옥틸기, 데카하이드로나프탈레닐기, 아다만틸기, 노르보닐기(즉, 바이사이클로 [2,2,1] 헵트-5-에닐) 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “아릴기”는 6 내지 40개, 바람직하게는 6 내지 30개의 고리 원자를 가지는 1가 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 트리사이클릭 방향족 탄화수소기를 의미하며, 후술하는 일정한 치환기에 의해 더욱 치환된 것도 포괄하여 지칭할 수 있다. 상기 아릴기의 예로서 페닐기, 바이페닐기, 플루오렌기 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “헤테로아릴기”는 5 내지 40개, 바람직하게는 5 내지 30개의 고리 원자를 가지며, 고리 내 적어도 하나 이상의 탄소가 탄소가 질소(N), 산소(O), 황(S), 또는 인(P)으로 치환된 것을 의미한다. 예를 들어 1개 내지 4개의 헤테로원자를 함유하는 모노사이클릭 또는 바이사이클릭 이상의 방향족 그룹을 의미한다. 모노사이클릭 헤테로아릴기의 예로는 티아졸일기, 옥사졸일기, 티오펜일기, 퓨란일기, 피롤일기, 이미다졸일기, 이소옥사졸일기, 피라졸일기, 트리아졸일기, 티아다이아졸일기, 테트라졸일기, 옥사다이아졸일기, 피리딘일기, 피리다진일기, 피리미딘일기, 피라진일기 및 이와 유사한 그룹이 가능하며, 이들로 제한되는 것은 아니다. 바이사이클릭 헤테로아릴기의 예로는 인돌릴기, 벤조티오펜일기, 벤조퓨란일기, 벤즈이미다졸일기, 벤즈옥사졸일기, 벤즈이속사졸일기, 벤즈티아졸일기, 벤즈티아다이아졸일기, 벤즈트리아졸일기, 퀴놀린일기, 이소퀴놀린일기, 퓨린일기, 퓨로피리딘일기 및 이와 유사한 그룹을 들 수 있으며, 이들로 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 사용된 용어 “알킬렌기”는 1 내지 20개, 바람직하게는 1 내지 10개, 보다 바람직하게는 1 내지 6개의 탄소 원자의 선형 또는 분지형의 포화된 2가 탄화수소기를 의미한다. 상기 알킬렌기는 후술하는 일정한 치환기에 의해 더욱 치환된 것도 포괄하여 지칭할 수 있다. 상기 알킬렌기의 예로서 메틸렌기, 에틸렌기, 프로필렌기, 부틸렌기, 헥실렌기 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “알케닐렌기”는 1 이상의 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 2 내지 20, 바람직하게는 2 내지 10개, 보다 바람직하게는 2 내지 6개의 탄소 원자의 선형 또는 분지형의 2가 탄화수소기를 의미한다. 상기 알케닐렌기는 탄소-탄소 이중 결합을 포함하는 탄소 원자 및/또는 포화된 탄소 원자를 통해 결합될 수 있으며, 후술하는 일정한 치환기에 의해 더욱 치환될 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “사이클로알킬렌기”는 3 내지 20개, 바람직하게는 3 내지 12개의 고리 탄소의 포화 또는 불포화된 2가 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 트리사이클릭 비방향족 탄화수소기를 의미하며, 후술하는 일정한 치환기에 의해 더욱 치환될 수 있다. 상기 사이클로알킬렌기의 예로서 사이클로프로필렌기, 사이클로부틸렌기 등을 들 수 있다.
본 발명에 사용된 용어 “아릴렌기”는 6 내지 40개, 바람직하게는 6 내지 30개의 고리 원자를 가지는 2가 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 트리사이클릭 방향족 탄화수소기를 의미하며, 후술하는 일정한 치환기에 의해 더욱 치환될 수 있다. 예를 들어, 상기 아릴렌기는 페닐렌, 비페닐렌, 나프틸렌, 안트라세닐렌 등이 있으나, 이들에 한정되지 않는다.
본 발명에 사용된 용어 “할로겐 원소”는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I)이며, 본 발명에 사용된 용어 “할로”는 전술한 할로겐 원소로 치환된 기를 의미한다.
본 발명에서 모든 화합물 또는 치환기는 특별한 언급이 없는 한 치환 또는 비치환된 것일 수 있다. 여기서, 치환된이란 수소 원자가 할로겐 원자, 하이드록시기, 카르복실기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 사이오기, 메틸사이오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 사이클로알킬기, 헤테로사이클로알킬기, 알릴기, 벤질기, 아릴기, 헤테로아릴기, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 대체된 것을 의미한다.
본 발명은 우수한 난연 및 유전 특성을 나타내는 인계 난연성 중합체를 제공한다.
최근 전자 및 통신 기기의 소형화 및 고성능화 추세에 따라 이들 제품에서의 신호 전달 속도가 빨라지고 있으며, 사용되는 신호의 주파수대는 ㎒에서 ㎓ 영역으로 이행해가고 있다. 그러나 이와 같이 신호의 주파수가 높아지는 경우 손실되는 신호의 양이 증가할 뿐만 아니라 노이즈가 증가하기 때문에 신호 전송의 신뢰성을 확보하기 어려우며, 전송 손실이 열로 변환되어 발열 문제가 발생할 수 있다. 그러나, 기존 인쇄 회로 기판의 절연 소재로 많이 사용되고 있는 에폭시 수지의 경우 높은 유전율과 유전 손실 계수를 갖기 때문에 미세화, 고집적화된 인쇄 회로 기판에 적용되기에는 한계가 있다. 따라서 전자 기기의 고속화 및 고주파수화와 더불어 할로겐계 난연제의 배제 등의 기술 흐름에 맞추어 낮은 유전 특성 및 우수한 난연 특성을 동시에 가지는 절연 재료가 필요하다.
인쇄 회로 기판용 에폭시 수지 조성물을 경우 난연성을 높이기 위해 인계 난연성 중합체를 혼합 사용한다. 이에 본 발명에서는 상기 인계 난연성 중합체에 에스테르 구조의 카보닐기를 일정 비율 이상으로 도입함으로써 높은 난연성과 저유전 특성을 모두 확보한 인계 난연성 중합체를 제시한다.
본 발명에 따른 인계 난연성 중합체는 하기 화학식 1 및 2로 표시되는 반복단위 중에서 1종 이상을 포함한다:
[화학식 1]
Figure 112017129754370-pat00010
[화학식 2]
Figure 112017129754370-pat00011
(상기 화학식 1 및 2에서,
R1은 각각 독립적으로 수소,
Figure 112017129754370-pat00012
또는
Figure 112017129754370-pat00013
이고;
R2는 각각 독립적으로 C1∼C20의 알킬기 또는 C6~C20의 아릴기이며;
R3은 각각 독립적으로 -CH2-A이며, 이때 A는 하이드록시기, C1∼C10의 알콕시기 또는
Figure 112017129754370-pat00014
이되, 상기 반복단위 내의 A 중 적어도 하나 이상은
Figure 112017129754370-pat00015
이고;
R4는 각각 독립적으로 단순결합, -CH2- 또는 -CH2-O-CH2-이며,
R5는 C1∼C20의 알킬기, C2∼C20의 알케닐기, C2∼C20의 알키닐기, C3∼C20의 사이클로알킬기, C6∼C20의 아릴기 또는 C5∼C20의 헤테로아릴기이고;
R6은 C1∼C20의 알킬렌기, C2∼C20의 알케닐렌기, C3∼C20의 사이클로알킬렌기 또는 C6∼C20의 아릴렌기이며;
R7은 카복실기(-C(=O)OH) 또는 할로포르밀기(-C(=O)X)이고, 이때 X는 할로겐 원소이고;
Ra는 단순결합 또는 C1∼C10의 알킬렌기, C6∼C20의 아릴렌기, C3∼C20의 사이클로알킬렌기, 설포닐기(-SO2-, sulfonyl group)기이며;
m은 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이고;
n은 각각 독립적으로 0 또는 1의 정수이되, 상기 반복단위 내의 n 중 적어도 두개 이상은 1이다.).
본 발명에 있어서, 상기 화학식 1 및 2로 표시되는 반복단위는 에스테르화(esterification) 반응을 이용하여 반복단위 내 벤젠 고리에 위치하는 하이드록시기(hydroxyl group)의 수소 원자를 카보닐기(carbonyl group, C=O)로 치환함으로써 에폭시 수지와의 경화 반응시 생성되는 에폭시 내의 2차 알코올을 에스테르 구조의 카보닐기와 반응함으로써 최종 얻어지는 경화물의 유전율과 유전 손실 계수를 저하시켜 저유전 특성을 확보할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 반복단위를 포함하는 인계 난연성 중합체는 분자 구조 내 에스테르 구조를 포함하여 높은 난연성과 낮은 유전 특성을 동시에 확보할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 있어서, 상기 R1
Figure 112017129754370-pat00016
또는
Figure 112017129754370-pat00017
로 표시되는 카보닐기일 수 있다.
바람직하기로 상기 R5는 C1∼C10의 알킬기 또는 C6∼C20의 아릴기이며, R6은 C1∼C10의 알킬렌기 또는 C6∼C20의 아릴렌기이다.
상술한 바의 화학식으로 표시되는 카보닐기는 상기 화학식 1 및 2로 표시되는 각각의 반복단위 내 R1 중 적어도 하나 이상일 수 있다. 일례로, 상기 화학식 1의 경우 상기 화학식 1 내 모든 R1이 카보닐기인 경우, 상기 화학식 1의 R1 중 적어도 하나가 카보닐기인 경우 및 상기 화학식 1 내 모든 R1이 수소인 경우와 같이 본 발명에 따른 각각의 반복단위는 크게 3가지 형태를 가진다. 이러한 반복단위의 형태는 화학식 2에 대해서도 동일하게 적용되며, 3가지 형태의 반복단위를 가진다. 최종 얻어지는 본 발명의 인계 난연성 중합체에서 상술한 형태의 반복단위는 교대로, 블록 형태로 또는 불규칙하게 배열될 수 있으며, 반복단위 내 모든 R1이 카보닐기인 형태 및 반복단위 내 R1 중 적어도 하나가 카보닐기인 형태를 적어도 하나 포함한다. 바람직하기로, 상기 인계 난연성 중합체를 구성하는 전체 반복단위 내의 R1 중 적어도 하나가 카보닐기일 수 있다.
또한, 상기 화학식 2에 있어서, 상기 n이 0인 경우 인접하는 다른 반복단위와의 결합이 존재하지 않는다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 반복단위는 하기 화학식 3 내지 9로 표시되는 반복단위 중 선택되는 1종 이상일 수 있다.
[화학식 3]
Figure 112017129754370-pat00018
[화학식 4]
Figure 112017129754370-pat00019
[화학식 5]
Figure 112017129754370-pat00020
[화학식 6]
Figure 112017129754370-pat00021
[화학식 7]
Figure 112017129754370-pat00022
[화학식 8]
Figure 112017129754370-pat00023
[화학식 9]
Figure 112017129754370-pat00024
(상기 화학식 3 내지 9에서,
R1은 각각 독립적으로 수소,
Figure 112017129754370-pat00025
또는
Figure 112017129754370-pat00026
이고;
R2는 각각 독립적으로 C1∼C20의 알킬기 또는 C6~C20의 아릴기이며;
R3은 각각 독립적으로 -CH2-A이며, 이때 A는 하이드록시기, C1∼C10의 알콕시기 또는
Figure 112017129754370-pat00027
이되, 상기 반복단위 내의 A 중 적어도 하나 이상은
Figure 112017129754370-pat00028
이고;
R4는 각각 독립적으로 단순결합, -CH2- 또는 -CH2-O-CH2-이되, 상기 R4가 모두 단순결합인 경우는 제외하고;
R5는 C1∼C20의 알킬기, C2∼C20의 알케닐기, C2∼C20의 알키닐기, C3∼C20의 사이클로알킬기, C6∼C20의 아릴기 또는 C5∼C20의 헤테로아릴기이고;
R6은 C1∼C20의 알킬렌기, C2∼C20의 알케닐렌기, C3∼C20의 사이클로알킬렌기 또는 C6∼C20의 아릴렌기이며;
R7은 카복실기(-C(=O)OH) 또는 할로포르밀기(-C(=O)X)이고, 이때 X는 할로겐 원소이며;
Ra는 단순결합 또는 C1∼C10의 알킬렌기, C6∼C20의 아릴렌기, C3∼C20의 사이클로알킬렌기, 설포닐기(-SO2-, sulfonyl group)기이며;
m은 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이다.).
바람직하기로, 상기 R2는 각각 독립적으로 C1∼C10의 선형 또는 분지형의 알킬기일 수 있다.
또한, 바람직하기로, 상기 R3은 각각 독립적으로 -CH2-A이며, 이때 A는 각각 독립적으로 C1∼C5의 알콕시기 또는
Figure 112017129754370-pat00029
일 수 있다.
또한, 바람직하기로, 상기 R4는 각각 독립적으로 -CH2- 또는 -CH2-O-CH2-이며, 상기 화학식으로 표시되는 반복단위 내에서 상기 R4는 -CH2-와 -CH2-O-CH2-를 모두 포함할 수 있다.
본 발명의 인계 난연성 중합체는 중합체 내 총 반복단위수를 기준으로 상기 화학식으로 표시되는 반복단위를 50 내지 100 %, 바람직하게는 75 내지 100%로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 상기 인계 난연성 중합체는 하기 화학식 10 내지 16으로 표시되는 화합물 중 어느 하나일 수 있다:
[화학식 10]
Figure 112017129754370-pat00030
[화학식 11]
Figure 112017129754370-pat00031
[화학식 12]
Figure 112017129754370-pat00032
[화학식 13]
Figure 112017129754370-pat00033
[화학식 14]
Figure 112017129754370-pat00034
[화학식 15]
Figure 112017129754370-pat00035
[화학식 16]
Figure 112017129754370-pat00036
(상기 화학식 10 내지 16에서,
R1은 각각 독립적으로 수소,
Figure 112017129754370-pat00037
또는
Figure 112017129754370-pat00038
이고;
R3은 각각 독립적으로 -CH2-A이며, 이때 A는 하이드록시기, C1∼C10의 알콕시기 또는
Figure 112017129754370-pat00039
이되, 상기 반복단위 내의 A 중 적어도 하나 이상은
Figure 112017129754370-pat00040
이고;
R4는 각각 독립적으로 단순결합, -CH2- 또는 -CH2-O-CH2-이되, 상기 R4가 모두 단순결합인 경우는 제외하고;
R5는 C1∼C20의 알킬기, C2∼C20의 알케닐기, C2∼C20의 알키닐기, C3∼C20의 사이클로알킬기, C6∼C20의 아릴기 또는 C5∼C20의 헤테로아릴기이고;
R6은 C1∼C20의 알킬렌기, C2∼C20의 알케닐렌기, C3∼C20의 사이클로알킬렌기 또는 C6∼C20의 아릴렌기이며;
R7은 카복실기(-C(=O)OH) 또는 할로포르밀기(-C(=O)X)이고, 이때 X는 할로겐 원소이며;
R' 및 R"은 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소, C1∼C10의 알킬기, C3∼C20의 사이클로알킬기 또는 C6∼C20의 아릴기이고;
A1 내지 A14는 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 하이드록시기, C1∼C10의 알콕시기 또는
Figure 112017129754370-pat00041
이며;
m은 각각 독립적으로 0 내지 2의 정수이고;
p 내지 z는 0 내지 4의 유리수이다.).
바람직하기로, 상기 화학식 10 내지 16에서, 상기 R1은 상술한 바와 같으며, 본 발명의 인계 난연성 중합체에서 반복단위 내 전체 R1 중 카보닐기인 비율은 20 내지 100 %인, 바람직하게는 50 내지 100 %, 보다 바람직하게는 70 내지 100%일 수 있다. 상기 카보닐기의 비율이 전술한 범위 내인 경우 충분한 유전 특성 개선 효과를 얻을 수 있다. 이때 상기 인계 난연성 중합체 내 모든 R1이 상술한 카보닐기로 치환되는 것은 아니며 중합체 내 전체 R1 중 적어도 하나는 수소일 수도 있다.
전술한 바와 같이, 상기 R3은 바람직하기로, 각각 독립적으로 -CH2-A이며, 이때 A는 각각 독립적으로 C1∼C5의 알콕시기 또는
Figure 112017129754370-pat00042
일 수 있다.
또한, 바람직하기로, 상기 R4는 각각 독립적으로 -CH2- 또는 -CH2-O-CH2-이며, 상기 화학식 10 내지 16으로 표시된 각각의 화합물 내에서 -CH2-와 -CH2-O-CH2-가 혼재되어 있을 수 있다.
또한, 바람직하기로, 상기 R′및 R″은 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소, C1∼C5의 알킬기, C3∼C12의 사이클로알킬기 또는 C6∼C12의 아릴기일 수 있다. 보다 바람직하기로는 상기 R′및 R″은 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 메틸기, 에틸기, 프로필기, 사이클로헥실기, 페닐기 또는 메틸페닐기일 수 있다.
또한, 바람직하기로, 상기 A1 내지 A8은 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 C1∼C5의 알콕시기 또는
Figure 112017129754370-pat00043
일 수 있다.
또한, 바람직하기로, p 내지 z는 1 내지 4의 유리수이다.
상기 화학식 12에 있어서, 상기 R4가 모두 -CH2-인 경우 상기 R3인 -CH2-A에서 A는 각각 독립적으로 하이드록시기 또는 C1∼C10의 알콕시기일 수 있다.
상기한 화학식으로 표시되는 본 발명의 인계 난연성 중합체는 하이드록시기 대신 카보닐기를 포함함으로써 에스테르 구조가 도입되어 저유전 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 인계 난연성 중합체는 인 원자를 포함하는 방향족 고리를 반드시 포함함으로써 난연성 향상을 도모한다.
상기 인계 난연성 중합체는 중합체 총 중량을 기준으로 인 함량이 5.0 내지 9.0 중량%, 바람직하게 는 7 내지 8.5 중량%일 수 있다. 상기 인 함량이 상기 범위 미만인 경우 난연 효과가 미비하여 수지 배합시 투입량이 증가하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 화학구조상 변성이 불가능하다는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 인계 난연성 중합체는 중량평균분자량(Mw)이 1000 내지 2000 g/mol, 바람직하게는 1,000 내지 1,600 g/mol일 수 있다. 상기 인계 난연성 중합체의 중량평균분자량이 상기 범위 미만인 경우 유전 특성의 개선 효과를 얻을 수 없으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 용매에 잘 용해지되 않는 문제가 있다. 또한, 본 발명의 인계 난연성 중합체는 유리전이온도(Tg)가 150 내지 170 ℃ 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 인계 난연성 중합체는 1 ㎓에서 유전율(Dk)이 3.8 미만, 바람직하게는 2.7 내지 3.5일 수 있다. 또한, 상기 인계 난연성 중합체는 1 ㎓에서 유전 손실 계수(Df)가 0.015 이하, 바람직하게는 0.0050 내지 0.010일 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 인계 난연성 중합체의 제조방법을 제공한다.
일례로, 본 발명에 따른 인계 난연성 중합체는 촉매 존재 하에 하기 화학식 15로 표시되는 중합체와 화학식 16 또는 17로 표시되는 화합물을 반응시켜 화학식 11로 표시되는 중합체를 제조할 수 있다:
[화학식 11]
Figure 112017129754370-pat00044
[화학식 17]
Figure 112017129754370-pat00045
[화학식 18]
Figure 112017129754370-pat00046
[화학식 19]
Figure 112017129754370-pat00047
(상기 화학식 11 및 17 내지 19에서,
R1, R3, R4 내지 R7, A3, A4, m 및 s는 상기 언급한 바를 따르며;
R8은 수소 또는 할로겐 원소이다.)
본 발명에 따른 상기 인계 난연성 중합체의 제조방법에 있어서, 출발물질인 화학식 17로 표시되는 중합체는 공지의 여러 방법을 통해 이루어질 있으며, 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.
일례로, 상기 화학식 17로 표시되는 중합체는 비스페놀 A, 비스페놀 F 등의 비스페놀 구조를 포함하는 단량체와 알데하이드 화합물을 중합 반응시킨 후, 여기서 얻어진 중간 생성물을 포스핀(phosphine) 구조를 가지는 유기 인 화합물과 차례로 반응시킴으로써 제조될 수 있다. 이때 최종 제조되는 인계 난연성 중합체가 알킬 페놀 구조인 경우 출발물질은 알킬 페놀 구조를 포함하는 단량체일 수 있으며, 예를 들어 파라-tert-부틸페놀(PTBP) 및 파라-tert-옥틸페놀(PTOP) 등일 수 있다.
이때 상기 알데하이드 화합물로는 비스페놀 구조를 포함하는 단량체와의 반응을 통해 각각의 단량체 말단을 메티올기로 치환시킬 수 있는 화합물이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 포름알데하이드, 아세트알데하이드, 알킬 알데하이드, 벤즈 알데하이드, 알킬 치환 알데하이드, 하이드록시 벤즈 알데하이드, 나프토 알데하이드 및 글루타르 알데하이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있고, 바람직하게는 포름알데하이드를 사용할 수 있다.
상기 알데하이드 화합물과의 반응에 있어서, 반응성을 높이기 위해 촉매 존재 하에 반응을 진행할 수 있으며, 상기 촉매는 예를 들어, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화리튬, 수산화마그네슘, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산칼슘 등의 알칼리 촉매일 수 있다.
또한, 상기 알데하이드 화합물과의 반응으로부터 얻어진 말단이 메티올기로 치환된 중간 생성물은 자가중합이 쉽게 일어나는 불안정한 물질이기 때문에 유기 인 화합물과의 반응 이전에 알코올과 반응시킴으로써 메티올기의 자가중합을 억제할 수 있다. 이때 사용가능한 알코올은 메탄올, 에탄올, 부탄올, 프로판올, 글리콜, 2-메톡시 에탄올, 에테르 및 페놀로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 부탄올을 사용하는 것이 물성 향상에 매우 유리하다.
상기 유기 인 화합물은 난연성을 부여하기 위한 것으로, 예를 들어 페닐포스핀, 디페닐 포스페이트, 디에틸 포스페이트, 디메틸포스파이트, 페닐포스핀산, 페닐포스폰산, 디메틸포스핀산 및 9,10-디히드로-9-옥사-10-포스파페난트렌-10-옥시드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있고 바람직하게는 9,10-디히드로-9-옥사-10-포스파페난트렌-10-옥시드일 수 있다.
전술한 바를 통해 얻어진 상기 화학식 17의 중합체는 촉매 존재 하에 상기 화학식 18 또는 19로 표시되는 화합물과 반응시킨다.
상기 촉매는 상기 화학식 17의 중합체 내 상기 화학식 18 또는 19로부터 유래되는 카보닐기의 도입을 반응이 보다 용이하게 진행될 수 있도록 반응성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 촉매로는 아민계 화합물이 사용될 수 있으며, 일례로, 메틸 디에탄올 아민, 트리에틸아민, 트리부틸아민, 디메틸 벤질아민, 트리페닐아민, 트리시클로헥실 아민, 피리딘, 퀴놀린 및 1,8-디아자비시클로(5.4.0)운데스-7-엔으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 트리에틸아민, 트리부틸아민 및 피리딘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 촉매는 화학식 17의 중합체 100 중량%를 기준으로 0.1 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 0.2 중량%로 사용될 수 있다. 만약 상기 촉매가 전술한 범위 미만으로 사용되는 경우 반응성 향상 효과를 얻을 수 없으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 부반응을 일으키는 문제가 발생할 수 있다.
상기 화학식 18 또는 19로 표시되는 화합물은 상기 화학식 17의 중합체 내 카보닐기를 도입하기 위한 것으로, 카보닐기를 포함하는 화합물이면 제한없이 사용될 수 있다.
바람직하기로 상기 화학식 18 또는 19에서 상기 R5 내지 R7은 앞서 설명한 바와 동일하며, 상기 R8은 R7이 카복실기인 경우 수소이며, R7이 할로포르밀기인 경우 동일한 할로겐 원소일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 18 또는 19로 표시되는 화합물은 하기 그림에 나타낸 바와 같이 벤조일 클로라이드(benzoyl chloride), 이소프탈로일 디클로라이드(isophthaloyl dichloride), 테레프탈로일 디클로라이드(terephthaloyl dichloride), 벤조산(benzoic acid), 이소프탈산(isophthalic acid), 테레프탈산(terephthalic acid) 등이 있으며, 바람직하기로 벤조일 클로라이드를 사용한다:
Figure 112017129754370-pat00048
상기 화학식 18 또는 19의 화합물은 화학식 13의 중합체 100 중량%를 기준으로 0.01 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.04 내지 0.3 중량%로 사용될 수 있다. 만약 상기 화학식 18 또는 19의 화합물이 상기 범위 미만으로 사용되는 경우 유리전이온도 변화에 미미한 문제가 있으며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 용해도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 인계 난연성 중합체를 포함하는 난연성 수지 조성물을 제공한다.
일례로, 상기 난연성 수지 조성물은 에폭시 수지, 에폭시 경화제, 경화 촉진제 및 비할로겐 난연제를 포함하며, 특히 본 발명에서는 상기 비할로겐 난연제로 인계 난연성 중합체를 포함함으로써 우수한 난연 특성과 저유전 특성을 확보할 수 있다.
기존의 인계 난연성 중합체를 포함하는 난연성 수지 조성물과는 달리, 본 발명의 난연성 수지 조성물은 전술한 화학식으로 표시되는 인계 난연성 중합체를 포함함으로써 기존의 인계 난연성 중합체와 동등 이상 수준의 난연 특성을 가지면서도 유전율 및 유전 손실 계수를 낮춤으로써 최종 얻어지는 경화물의 유전 특성을 보다 저감시킬 수 있다.
상기 에폭시 수지는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 당 업계에서 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 상기 에폭시 수지의 비제한적인 예로는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 안트라센 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 테트라메틸 비페닐형 에폭시 수지, 지환식 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 A 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀 F 노볼락형 에폭시 수지, 디시클로 펜타디엔형 에폭시 수지, 다관능 페놀형 에폭시 수지, 비페닐 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 페놀 공축 노볼락형 에폭시 수지, 나프톨 코레졸 공축 노볼락형 에폭시 수지, 방향족 탄화수소 포름알데히드 수지 변성 페놀 수지형 에폭시 수지, 트리페닐 메탄형 에폭시 수지, 테트라 페닐에탄형 에폭시 수지, 디시클로펜타디엔 페놀 부가 반응형 에폭시 수지, 페놀 아랄킬형 에폭시 수지 및 나프톨 아라킬형 에폭시 수지 등이 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.
상기 에폭시 경화제는 에폭시 수지와 경화반응이 진행될 수 있는 것으로서 당 업계에 알려진 통상적인 경화제라면 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 아민 경화제, 산무수물 경화제, 이소시아눌산 경화제, 페놀계 경화제 등을 사용할 수 있으며, 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 아민 경화제로는 디시안디아미드, 디에틸렌트리아민, 테트라에틸렌트리아민, 테트라에틸렌펜타아민, 이소프로필디아민, 비스(아미노메틸)시클로헨산, 1,4-부탄디올 비스(3-아미노프로필)에테르, 자일렌디아민, 1,4-페닐렌디아민 등을 사용할 수 있다.
산무수물 경화제로는 무수프탈산, 무수말레산, 무수트리멜리트산, 무수피로멜리트산, 헥사히드로무수프탈산, 테트라히드로무수프탈산, 무수메틸나딕산, 무수나딕산, 무수글루탈산, 무수디메틸글루탈산, 무수디에틸글루탈산, 무수숙신산, 메틸헥사히드로무수프탈산, 메틸테트라히드로무수프탈산 등을 사용할 수 있다.
이소시아눌산 경화제로는, 1,3,5-트리스(1-카르복시메틸)이소시아누레이트, 1,3,5-트리스(2-카르복시에틸)이소시아누레이트, 1,3,5-트리스(3-카르복시프로필)이소시아누레이트, 1,3-비스(2-카르복시에틸)이소시아누레이트 등을 들 수 있다.
페놀계 경화제로는 페놀, 크레졸, 레졸신, 카테콜, 비스페놀 A, 비스페놀 F, 페닐페놀, 아미노페놀 등의 페놀류 및/또는 α-나프톨, β-나프톨, 디히드록시나프탈렌 등의 나프톨류와 포름알데히드, 벤즈알데히드, 살리실알데히드 등의 알데히드기를 갖는 화합물을 산성 촉매 하에서 축합 또는 공축합시켜 얻어지는 노볼락형 페놀수지; 페놀류 및/또는 나프톨류와 디메톡시파라크실렌 또는 비스(메톡시)비페닐로부터 합성되는 페놀?아랄킬 수지; 비페닐렌형 페놀·아랄킬 수지, 나프톨·아랄킬 수지 등의 아랄킬형 페놀수지; 페놀류 및/또는 나프톨류와 디시클로펜타디엔과의 공중합에 의해 합성되는 디시클로펜타디엔형 페놀 노볼락 수지, 디시클로펜타디엔형 나프톨 노볼락 수지 등의 디시클로펜타디엔형 페놀 수지; 트리페닐메탄형 페놀 수지; 테르펜 변성 페놀 수지; 파라크실렌 및/또는 메타크실렌 변성 페놀 수지; 멜라민 변성 페놀 수지; 또는 시클로펜타디엔 변성 페놀 수지를 사용할 수 있다.
이 밖에도, 이소시아네이트계, 머캅탄계, 멜라민 등 기타 에폭시 경화제가 사용될 수 있다.
상기 경화 촉진제는 에폭시 수지와 경화제의 반응을 촉진하는 물질로서, 예를 들어, 이미다졸계 경화 촉진제, 아민계 경화촉진제, 금속계 경화촉진제 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
사용 가능한 이미다졸계 경화촉진제의 비제한적인 예를 들면, 이미다졸, 2-메틸이미다졸, 2-에틸이미다졸, 2-데실이미다졸, 2-헥틸이미다졸, 2-이소프로필이미다졸, 2-운데실 이미다졸, 2-헵탄데실 이미다졸, 2-에틸-4-메틸 이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-페닐-4-메틸 이미다졸, 1-벤질-2-메틸 이미다졸, 1-벤질-2-페닐 이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸, 1-시아노에틸-2-페닐이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실-이미다졸 트리멜리테이트, 1-시아노에틸-2-페닐 이미다졸 트리멜리테이트, 2,4-디아미노-6-(2′-메틸이미다졸-(1′)-에틸-s-트리아진, 2-페실-4,5-디하이드록시메틸이미다졸, 2-페실-4-메틸-5-하이드록시메틸이미다졸, 2-페실-4-벤질-5-하이드록시메틸이미다졸, 4,4′-메틸렌-비스-(2-에틸-5-메틸이미다졸), 2-아미노에틸-2-메틸 이미다졸, 1-시아노에틸-2-페닐-4,5-디(시아노에톡시 메틸)이미다졸, 1-도데실-2-메틸-3-벤질이미다졸리늄클로라이드, 이미다졸 함유 폴리아미드, 또는 이들의 혼합물 등이 있다. 그 외, 제 3급 아민, 유기금속화합물, 유기인화합물, 붕소화합물 등을 추가로 사용할 수 있다.
아민계 경화촉진제의 비제한적인 예를 들면, 트리에틸아민, 트리부틸아민 등의 트리알킬아민; 4-디메틸아미노피리딘, 벤질디메틸아민, 2,4,6-트리스(디메틸아미노메틸)페놀, 1,8-디아자비사이클로(5,4,0)-운데셀(DBU) 등의 아민 화합물, 또는 이들의 1종 이상 혼합물 등이 있다.
금속계 경화촉진제로는 코발트, 구리, 아연, 철, 니켈, 망간, 주석 등의 유기 금속 착체 또는 유기 금속염을 들 수 있다. 상기 유기 금속 착체의 예로는, 코발트(Ⅱ) 아세틸아세토네이트, 코발트(Ⅲ) 아세틸아세토네이트 등의 유기 코발트 착체, 구리(Ⅱ) 아세틸아세토네이트 등의 유기 구리 착체, 아연(Ⅱ) 아세틸아세토네이트 등의 유기 아연 착체, 철(Ⅲ) 아세틸아세토네이트 등의 유기 철 착체, 니켈(Ⅱ) 아세틸아세토네이트 등의 유기 니켈 착체, 망간(Ⅱ) 아세틸아세토네이트 등의 유기 망간 착체 등을 들 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. 상기 유기 금속염의 예로는, 옥틸산아연, 옥틸산주석, 나프텐산아연, 나프텐산코발트, 스테아르산주석, 스테아르산아연 등을 들 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다. 상기와 같은 금속계 경화 촉진제는 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 난연성 수지 조성물은 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 상기 에폭시 경화제는 30 내지 70 중량부, 상기 경화촉진제는 0.1 내지 1 중량부 및 상기 인계 난연성 중합체는 10 내지 150 중량부로 포함하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 인계 난연성 중합체를 에폭시 수지 100 중량부에 대하여 10 중량부 미만으로 포함할 경우, 전체 배합 중 인 함량이 부족하여 난연성을 확보할 수 없는 문제가 있고, 150 중량부를 초과하는 경우 반응성이 저하되고 타 수지와의 용해성이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명에 따른 인계 난연성 중합체를 포함하는 난연성 수지 조성물은 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene; ABS), 내충격성 폴리스티렌(High Impact Polystyrene; HIPS) 등 엔지니어링 플라스틱의 첨가제로서 우수한 난연, 내열 특성 및 물리, 화학적 물성을 가지며, 에폭시 레진, 시아네이트 레진 및 아크릴레이트 레진의 원료 및 에폭시 레진의 경화제로서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 난연성 수지 조성물은 에폭시 몰딩재(Epoxy Molding Compound; EMC)와 같은 고신뢰성 전기 전자 부품의 절연재료, 할로겐 프리 화합물로써 우수한 난연성 및 열적 안정성을 요구하는 인쇄회로기판(PCB), 절연판 등 각종 복합재료, 접착제, 코팅제, 도료 등에 폭넓게 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 효과에 대한 이해를 돕기 위하여 실시예, 비교예 및 실험예를 기재한다. 다만, 하기 기재는 본 발명의 내용 및 효과에 관한 일 예에 해당할 뿐, 본 발명의 권리 범위 및 효과가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 및 비교예 1: 인계 난연성 중합체의 제조
[실시예 1]
비스(4-하이드록시페닐)메탄(bis(4-hydroxyphenyl)methane) 800 g, 포름알데하이드 수용액(40%) 1580.7 g, 수산화나트륨 50% 수용액 31.98 g 및 부탄올 650 g을 반응기에 투입한 다음, 가열하여 80 ℃에서 교반하면서 반응시켰다. 이어서, 부탄올 650 g을 투입한 다음, 140 ℃에서 32 시간 동안 생성되는 물을 빼주면서 알코올 첨가반응을 수행하였다. 반응완료 후, 물 250 g 및 카르보닐 디아민(carbonyl diamine) 60 g(2mol)을 반응기에 투입하여 미반응 포름알데하이드를 제거 및 수세하였다. 미반응 포름알데하이드가 제거된 윗 층의 수지층을 분액하여 추가로 물 100 g 씩 2번 수세를 더 진행하였다. 상기 수지층에 3,4,5,6-dibenzo-1,2-oxaphosphane-2-oxice 540 g(2.5mol)를 투입하여 반응혼합물에 존재하는 부탄올과 물을 제거하면서 170℃에서 12시간 반응시켰다. 반응종료 후, 감압 탈기하여 고형의 중합체 A를 수득하였다.
수득된 중합체 A 500 중량부에 대하여 트리에틸아민 1.2 중량부, 벤조일 클로라이드 1.2 중량부, 클로로포름 0.65 중량부를 투입한 다음, 가열하여 80 ℃에서 4 시간 교반하면서 반응시켰다.
상기 반응 완료 후, 물 250 g을 반응기에 투입하여 반응 후 생성되는 염을 제거하였다. 상기 수세 과정 완료 후, 감압 탈기하여 고형의 인계 난연성 중합체를 590 g 수득하였다. 용제 혼합방법으로 1-메틸-2-프로판올을 이용하여 고형분의 인계 난연성 중합체 65% 포함하는 액상 형태의 수지를 수득하였다.
[실시예 2]
벤조일 클로라이드를 0.96 중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
[실시예 3]
파라-tert-옥틸페놀(PTOP) 800 g, 포름알데하이드 수용액(40%) 728.16 g, 수산화나트륨 50% 수용액 96 g 및 부탄올 431.07 g을 반응기에 투입한 다음, 가열하여 80 ℃에서 교반하면서 반응시켰다. 이어서, 부탄올 431.07 g을 투입한 다음, 140 ℃에서 32 시간 동안 생성되는 물을 빼주면서 알코올 첨가반응을 수행하였다. 반응완료 후, 물 250 g 및 카르보닐 디아민(carbonyl diamine) 60 g(2mol)을 반응기에 투입하여 미반응 포름알데하이드를 제거 및 수세하였다. 미반응 포름알데하이드가 제거된 윗 층의 수지층을 분액하여 추가로 물 100 g 씩 2번 수세를 더 진행하였다. 상기 수지층에 3,4,5,6-dibenzo-1,2-oxaphosphane-2-oxice 540 g(2.5mol)를 투입하여 반응혼합물에 존재하는 부탄올과 물을 제거하면서 170℃에서 12시간 반응시켰다. 반응종료 후, 감압 탈기하여 고형의 중합체 B를 수득하였다.
중합체 A 대신 중합체 B 300 중량부를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
[실시예 4]
파라-tert-부틸페놀(PTBP) 400 g, 파라-tert-옥틸페놀(PTOP) 400 g, 포름알데하이드 수용액(40%) 864.08 g, 수산화나트륨 50% 수용액 96 g 및 부탄올 511.53 g을 반응기에 투입한 다음, 가열하여 80 ℃에서 교반하면서 반응시켰다. 이어서, 부탄올 511.53 g을 투입한 다음, 140 ℃에서 32 시간 동안 생성되는 물을 빼주면서 알코올 첨가반응을 수행하였다. 반응완료 후, 물 250g 및 카르보닐 디아민(carbonyl diamine) 60g(2mol)을 반응기에 투입하여 미반응 포름알데하이드를 제거 및 수세하였다. 미반응 포름알데하이드가 제거된 윗 층의 수지층을 분액하여 추가로 물 100g 씩 2번 수세를 더 진행하였다. 상기 수지층에 3,4,5,6-dibenzo-1,2-oxaphosphane-2-oxice 540g(2.5mol)를 투입하여 반응혼합물에 존재하는 부탄올과 물을 제거하면서 170℃에서 12시간 반응시켰다. 반응종료 후, 감압 탈기하여 고형의 중합체 C를 수득하였다.
중합체 A 대신 중합체 C를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
[비교예 1]
중합체 A를 사용하였다.
실험예 1: 물성 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 인계 난연성 중합체의 물성을 측정한 다음 그 결과를 하기 표 1 및 도 1 내지 3에 나타내었다. 물성 평가 방법은 다음과 같다.
(1) 중량평균분자량 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 인계 난연성 중합체를 Tetra Hydro Furan(THF)에 4000ppm 농도로 용해시키고, 겔침투크로마트그래피(Gel Permeation Chromatoraphy, GPC(0~100,000g/mol)를 사용하여 중량평균분자량을 측정하였다.
(2) FT-IR(Fourier Transform-Infrared Spectrometer) 측정
실시예 1 및 비교예 1 에서 제조된 인계 난연성 중합체를 FT-IR 측정 기기(Perkin Elmer, Spectrum 100)를 이용해 측정하였다.
(3) 인 함량 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 인계 난연성 중합체의 인 함량을 ICP 장치와 하기 수학식 1을 통해 측정하였다:
[수학식 1]
인 함량(중량%) = (W1 x P1) / W2
(상기 수학식 1에서,
W1은 비교예 1의 중량(g)이고,
W2은 측정 대상 시료의 중량(g)이고,
P1은 비교예 1의 인 함량(중량%)이다.)
(4) 점도 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 인계 난연성 중합체 Rheometer(TA Instruments AR2000)를 사용하여 점도를 측정하였다.
(5) DSC(Differential Scanning Calorimeters; 시차주사열량계) 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 인계 난연성 중합체 50 g, 페놀 노볼락 에폭시 수지(KEP-1138, 코오롱인더스트리(주)사 제품) 100 g, 경화촉진제로 2-Ethyl-4-methyl imidazole(2E4MZ)를 고형 에폭시 대비 0.14phr, 잔부로 용매 1-메톡시-2-프로판올을 배합하여 바니쉬를 제작하였다. 이렇게 제조된 바니쉬에 글라스 섬유를 함침을 하여 상온에서 1시간 자연건조시킨 다음, 155℃ 오븐에서 5분 동안 건조시켜 프리프레그(prepreg)를 제조하였다. 이렇게 제조된 프리프레그를 8겹을 앞뒤에 동박을 적층하고, 195 ℃에서 40kgf/cm2 압력하에서 120 분간 프레싱하여 제조하였다. 이렇게 얻어진 동박 적층판을 TA Instruments DSC Q2000을 이용하여 30~250℃에서 분당 20℃의 승온 속도로 측정하였다.
(6) 유전 특성 측정
상기 (5)에서 제조된 동박 적층판의 유전 특성을 SPDR(split post dielectric resonance) 방법으로, 25℃ 및 50%RH 의 조건에서, Agiletn E5071B ENA장치를 이용하여 1 GHz에서의 유전율 및 유전손실계수를 측정하였다.
(7) 난연성 측정
UL-94 방법에 의해 측정하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1
중량평균분자량(g/mol) 1570 1200 665 663 1280
인 함량(중량%) 8.0 7.4 8.0 8.0 8.8
점도(cps, 25℃) 1100 850 1000 950 1270
유리전이온도(℃) 158 164 154 157 171
유전 특성 유전율 3.12 3.78 3.36 3.12 3.80
유전 손실 계수 0.0076 0.0150 0.020 0.0150 0.0160
난연성 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 인계 난연성 중합체는 비교예 1의 인계 난연성 중합체과 동등 수준의 난연성을 가짐과 동시에 비교예 1보다 낮은 유전율 및 유전 손실 계수를 나타냄으로써 저유전 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 인계 난연성 중합체의 경우 비교예 1과 비교하여 3,247 ㎝-1 에 존재하던 수산기 피크가 감소하였으며, 1,700 ㎝-1에 존재하는 카보닐기의 C=O 피크를 가진다. 이러한 결과로부터 실시예 1의 인계 난연성 중합체는 분자 구조 내 수산기가 카보닐기를 포함하는 작용기로 치환되었음이 확인되며, 이에 따라 유전 특성이 개선됨을 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 하기 화학식 1 및 2로 표시되는 반복단위 중에서 1종 이상을 포함하며, 전체 반복단위 내의 R1 중 적어도 하나는 카보닐기이고,
    전체 반복단위 내의 전체 R1 중 상기 카보닐기의 비율은 20 내지 100%인 인계 난연성 중합체:
    [화학식 1]
    Figure 112021027251385-pat00049

    [화학식 2]
    Figure 112021027251385-pat00050

    (상기 화학식 1 및 2에서,
    R1은 각각 독립적으로 수소,
    Figure 112021027251385-pat00051
    또는
    Figure 112021027251385-pat00052
    이고;
    R2는 각각 독립적으로 C1∼C20의 알킬기 또는 C6~C20의 아릴기이며;
    R3은 각각 독립적으로 -CH2-A이며, 이때 A는 하이드록시기, C1∼C10의 알콕시기 또는
    Figure 112021027251385-pat00053
    이되, 상기 반복단위 내의 A 중 적어도 하나 이상은
    Figure 112021027251385-pat00054
    이고;
    R4는 각각 독립적으로 단순결합, -CH2- 또는 -CH2-O-CH2-이며,
    R5는 C1∼C20의 알킬기, C2∼C20의 알케닐기, C2∼C20의 알키닐기, C3∼C20의 사이클로알킬기, C6∼C20의 아릴기 또는 C5∼C20의 헤테로아릴기이고;
    R6은 C1∼C20의 알킬렌기, C2∼C20의 알케닐렌기, C3∼C20의 사이클로알킬렌기 또는 C6∼C20의 아릴렌기이며;
    R7은 카복실기(-C(=O)OH) 또는 할로포르밀기(-C(=O)X)이고, 이때 X는 할로겐 원소이고;
    Ra는 단순결합 또는 C1∼C10의 알킬렌기, C6∼C20의 아릴렌기, C3∼C20의 사이클로알킬렌기, 설포닐기(-SO2-, sulfonyl group)기이며;
    m은 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수이고;
    n은 각각 독립적으로 0 또는 1의 정수이되, 상기 반복단위 내의 n 중 적어도 두개 이상은 1이다.).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반복단위는 하기 화학식 3 내지 9로 표시되는 반복단위 중 선택되는 1종 이상인, 인계 난연성 중합체:
    [화학식 3]
    Figure 112021027251385-pat00055

    [화학식 4]
    Figure 112021027251385-pat00056

    [화학식 5]
    Figure 112021027251385-pat00057

    [화학식 6]
    Figure 112021027251385-pat00058

    [화학식 7]
    Figure 112021027251385-pat00059

    [화학식 8]
    Figure 112021027251385-pat00060

    [화학식 9]
    Figure 112021027251385-pat00061

    (상기 화학식 3 내지 9에서,
    R1은 각각 독립적으로 수소,
    Figure 112021027251385-pat00062
    또는
    Figure 112021027251385-pat00063
    이고;
    R2는 각각 독립적으로 C1∼C20의 알킬기 또는 C6~C20의 아릴기이며;
    R3은 각각 독립적으로 -CH2-A이며, 이때 A는 하이드록시기, C1∼C10의 알콕시기 또는
    Figure 112021027251385-pat00064
    이되, 상기 반복단위 내의 A 중 적어도 하나 이상은
    Figure 112021027251385-pat00065
    이고;
    R4는 각각 독립적으로 단순결합, -CH2- 또는 -CH2-O-CH2-이되, 상기 R4가 모두 단순결합인 경우는 제외하고;
    R5는 C1∼C20의 알킬기, C2∼C20의 알케닐기, C2∼C20의 알키닐기, C3∼C20의 사이클로알킬기, C6∼C20의 아릴기 또는 C5∼C20의 헤테로아릴기이고;
    R6은 C1∼C20의 알킬렌기, C2∼C20의 알케닐렌기, C3∼C20의 사이클로알킬렌기 또는 C6∼C20의 아릴렌기이며;
    R7은 카복실기(-C(=O)OH) 또는 할로포르밀기(-C(=O)X)이고, 이때 X는 할로겐 원소이며;
    Ra는 단순결합 또는 C1∼C10의 알킬렌기, C6∼C20의 아릴렌기, C3∼C20의 사이클로알킬렌기, 설포닐기(-SO2-, sulfonyl group)기이며;
    m은 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수이다.).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인계 난연성 중합체는 하기 화학식 10 내지 16으로 표시되는 화합물 중 어느 하나인, 인계 난연성 중합체:
    [화학식 10]
    Figure 112021027251385-pat00066

    [화학식 11]
    Figure 112021027251385-pat00067

    [화학식 12]
    Figure 112021027251385-pat00068

    [화학식 13]
    Figure 112021027251385-pat00069

    [화학식 14]
    Figure 112021027251385-pat00070

    [화학식 15]
    Figure 112021027251385-pat00071

    [화학식 16]
    Figure 112021027251385-pat00072

    (상기 화학식 10 내지 16에서,
    R1은 각각 독립적으로 수소,
    Figure 112021027251385-pat00073
    또는
    Figure 112021027251385-pat00074
    이고;
    R3은 각각 독립적으로 -CH2-A이며, 이때 A는 하이드록시기, C1∼C10의 알콕시기 또는
    Figure 112021027251385-pat00075
    이되, 상기 반복단위 내의 A 중 적어도 하나 이상은
    Figure 112021027251385-pat00076
    이고;
    R4는 각각 독립적으로 단순결합, -CH2- 또는 -CH2-O-CH2-이되, 상기 R4가 모두 단순결합인 경우는 제외하고;
    R5는 C1∼C20의 알킬기, C2∼C20의 알케닐기, C2∼C20의 알키닐기, C3∼C20의 사이클로알킬기, C6∼C20의 아릴기 또는 C5∼C20의 헤테로아릴기이고;
    R6은 C1∼C20의 알킬렌기, C2∼C20의 알케닐렌기, C3∼C20의 사이클로알킬렌기 또는 C6∼C20의 아릴렌기이며;
    R7은 카복실기(-C(=O)OH) 또는 할로포르밀기(-C(=O)X)이고, 이때 X는 할로겐 원소이며;
    R′및 R″은 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 수소, C1∼C10의 알킬기, C3∼C20의 사이클로알킬기 또는 C6∼C20의 아릴기이고;
    A1 내지 A14는 서로 같거나 다르며, 각각 독립적으로 하이드록시기, C1∼C10의 알콕시기 또는
    Figure 112021027251385-pat00077
    이며;
    m은 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수이고;
    p 내지 z는 0 내지 4의 유리수이다.).
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인계 난연성 중합체는 중합체 총 중량을 기준으로 인 함량이 5.0 내지 9.0 중량%인, 인계 난연성 중합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 인계 난연성 중합체는 1 ㎓에서 유전율(Dk)이 3.8 미만인, 인계 난연성 중합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인계 난연성 중합체는 1 ㎓에서 유전 손실 계수(Df)가 0.015 이하인, 인계 난연성 중합체.
  8. 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 인계 난연성 중합체를 포함하는, 난연성 수지 조성물.
  9. 제8항에 따른 난연성 수지 조성물을 이용하여 제조된 인쇄 회로 기판.
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