KR100408815B1 - 초고전하보존 특성을 갖는 다층 일렉트릿 및 그 제조방법 - Google Patents

초고전하보존 특성을 갖는 다층 일렉트릿 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면실장기술에 의한 작업이 가능하도록 고온에서도 견딜 수 있고 초고전하 보존 특성(Ultra-High Charge Stability)을 갖는 멀티 레이어 일렉트릿 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일렉트릿은, 금속판위에 두께가 대략 12.5㎛~25㎛인 플루오르 에틸렌 프로필렌(FEP) 필름이 용융접착되어 있고, 상기 FEP필름 위에 대략 30㎛~100㎛인 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE) 필름이 용융접착되어 있고, 이를 제조하는 방법은, 금속판위에 FEP필름을 적층하는 단계; FEP필름이 적층된 금속판을 고온으로 가열함과 아울러 고압을 가해 용융접착하는 단계; 금속판에 접착된 FEP필름 위에 PTFE필름을 적층하는 단계; 적층된 PTFE필름이 FEP필름과 접착하도록 적층된 금속판을 고온으로 가열함과 아울러 고압을 가해 용융접착하는 단계; 용융접착된 판을 냉각하는 단계; 및 냉각된 일렉트릿을 하전하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따라 플루오르 에틸렌 프로필렌와 폴리 테트라 플루오르 에틸렌로 제작된 멀티레이어 폴리머 일렉트릿은 기존의 일렉트릿 재료 중 고온 특성이 뛰어난 세라믹 일렉트릿 재료에 비해서 폴리머로 제작되기 때문에 가공성이 매우 우수하고, 제조공정이 매우 간단하여 제조비용도 절감되는 잇점이 있다.

Description

초고전하보존 특성을 갖는 다층 일렉트릿 및 그 제조방법{ MULTI-LAYER ELECTRET HAVING ULTRA-HIGH CHARGE STABILITY AND METHOD OF MAKING IT }
본 발명은 콘덴서 마이크로폰에 사용되는 일렉트릿 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면실장기술(SMT)에 의한 작업이 가능하도록 고온에서도 견딜 수 있고 초고전하 보존 특성(Ultra-High Charge Stability)을 갖는 멀티 레이어 일렉트릿 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로폰은 기계적인 진동을 전기적인 신호로 변환하는 방식에 따라 탄소입자의 전기적 저항 특성을 이용한 카본형과, 로셀염(rochelle salt)의 압전기 효과를 이용하는 결정형, 코일이 장착된 진동판을 자기장 속에 진동시켜 유도전류를 발생시키는 가동 코일형, 자기장 내에 장치된 금속박이 음파를 받아 진동하면 유도전류가 발생하는 것을 이용하는 속도형(velocity microphone), 음파에 의한 막의 진동으로 정전용량이 변하는 것을 이용한 콘덴서형 등으로 구분된다.
여기서, 소형 마이크로폰으로서 콘덴서형이 널리 사용되나 콘덴서형은 콘덴서에 전압을 걸어주기 위한 직류전원(배터리)이 필요한 문제점이 있다. 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 반영구적인 전하를 지닌 일렉트릿(electret)을 이용한 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰이 널리 사용되는데, 일렉트릿 마이크로폰은 바이어스 전원이 필요없으므로 전치 증폭기가 간단해지는 동시에 저렴한 가격으로 성능을 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.
한편, 전자제품의 제조기술이 발전하면서 모든 제품이 보다 소형화되는 추세에 있고, 이러한 소형제품의 제조를 위해 표면실장기술(SMT:Surface Mount Technology)이 널리 사용되고 있다. 표면실장기술(SMT)은 전자기판(PCB)위에 부품을 올려놓는 공정이나 시스템이다. 표면실장부품은 기판의 표면에 있는 랜드에 결합(납땜)되기 위해서 아주 작은 리드를 가지거나 리드가 없다. 표면실장기술을 적용하면 제품의 가격과 성능을 향상시킬 수 있으나 리플로우시에 부품에 고온이 가해지기 때문에 온도에 약한 부품은 SMT기술을 적용할 수 없다.
그런데 콘덴서 마이크로폰에 사용되는 종래의 일렉트릿은 도 1에 도시된 바와 같이 플루오르 에틸렌 프로필렌(Fluoro Ethylene Propylene:FEP)로 구성되는데, FEP는 고온에 약하기 때문에 표면실장기술을 적용하지 못하므로 마이크로폰을 이용한 여러 제품, 예컨대 휴대폰 단말기 등의 제조원가를 낮출 수 없는 문제점이 있다. 즉, 기존의 일렉트릿(16)은 금속판(11)위에 적층되는 플루오르 에틸렌 프로필렌(Fluoro Ethylene Propylene: FEP) 필름(12)으로 제작되고, PET(14) 위에 금속(15)이 증착된 진동판(17)과 스페이서(13)로 공간을 형성하여 백일렉트릿 구조를 형성하는데, FEP 필름(12)은 제조 공정상에서 용융압출 방법으로 필름을 제조하기 때문에 결정화도(Crystallinity)를 증대시키는 것이 한정되어 있다. 그리고 재료의 물리적인 특성중에서 용융점(melting point)이 약 260℃로 낮은 온도에서 액상으로 된다. 따라서 FEP 필름으로는 SMT 작업을 통과하기 위한 일렉트릿을 제조하기 어렵다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 꾸준한 연구개발에 의해 고온에서 양호한일렉트릿의 재료로서 SiO2, Si3N4등이 개발되었으나 이러한 재료는 세라믹(Ceramic) 재료로서, 제조공정이 까다로우며 제조원가가 비싸다는 문제점이 있다. 그리고 세라믹 재료의 특성상 밀도(Density)가 높기 때문에 유전체(Dielectric)를 일렉트릿(Electrets)으로 변환시키는 공정인 충전(Charging) 공정이 매우 어렵고, 비록 충전되었다 하더라도 표면에만 충전되기 때문에 습도나 다른 이물질이 표면에 접촉될 경우 전하들이 매우 쉽게 감소되는 특성을 가지게 된다. 따라서 이러한 재료들은 열에는 강하지만 습도나 주위환경에 매우 약한 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 온도 및 습도에 강한 초고전하보존특성(Ultra-High Charge Stability)를 가지는 폴리머 일렉트릿을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 표면실장기술(SMT)용 일렉트릿을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 마이크로폰용 종래의 백 일렉트릿의 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 멀티 레이어 일렉트릿 제조개념을 도시한 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 백 일렉트릿의 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 멀티 레이어 일렉트릿 제조 절차를 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 멀티 레이어 일렉트릿 제조 개념을 도시한 개략도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11: 금속판 12: FEP 필름
13: 스페이서 14: PET 필름
15: 금속증착층 17: 진동판
20: PTFE 필름 16,22: 일렉트릿
52: 유도가열 롤러 54: 가압 롤러
56: 냉각기
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일렉트릿은, 금속판위에 두께가 대략 12.5㎛~25㎛인 플루오르 에틸렌 프로필렌(FEP) 필름이 용융접착되어 있고, 상기 FEP필름 위에 대략 30㎛~100㎛인 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE) 필름이 용융접착되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 금속판위에 FEP필름을 적층하는 제1 단계; 상기 FEP필름이 적층된 금속판을 고온으로 가열함과 아울러 고압을 가해 용융접착하는 제2 단계; 상기 금속판에 접착된 FEP필름 위에 PTFE필름을 적층하는 제3 단계; 상기 적층된 PTFE필름이 상기 FEP필름과 접착하도록 적층된 금속판을 고온으로 가열함과 아울러 고압을 가해 용융접착하는 제4 단계; 용융접착된 상기 판을 냉각하는 제5 단계; 및 냉각된 일렉트릿을 하전하는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 전하보존특성(Charge Stability)이 뛰어난 폴리머 일렉트릿은 도 2에 도시된 바와 같이, 금속판(metal plate: 11) 위에 대략 12.5∼25㎛의 플루오르 에틸렌 프로필렌(Fluoro Ethylene Propylene: 이하 FEP라 함) 필름(12)을 접착시킨 후, 그 위에 고결정화도(High Crystallinity)를 갖는 30㎛∼100㎛의 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(Poly Tetra Fluoro Ethylene 이하 PTFE라 함) 필름(20)을 적층하여 다층으로 구성한 것이다.
이와 같이 FEP와 PTFE 필름으로 제작된 일렉트릿이 SMT작업이 가능하게 된 것은 결정화도(Crystallinity)가 높기 때문이다. PTFE 필름의 경우 제조방법이FEP 필름과는 완전히 다른 공정으로 제조된다.
즉, FEP필름은 용융압출 방법으로 제조되기 때문에 고결정화도(High Crystallinity)를 충족시키기 어려우며, 결정화도가 높다하더라도 하나의 그레인(Grain)이 거대해지기 때문에 미세 그레인(Grain)을 전체적으로 생성하기 어려워 전하보존특성(Charge Stability)를 향상시킬 수 없는 한계가 있다. 그러나 PTFE 필름의 경우에는 PTFE 수지(Resin)를 성형한 후 성형체를 얇게 자르는 방식으로 제조하므로 다량의 미세 그레인(Grain)이 형성되어 결정화도(Crystallinity)와 전하보존특성(Charge Stability)를 향상시킬 수 있다. 여기서, PTFE 수지(Resin)는 사이즈가 10㎛∼20㎛로 매우 미세한 결정의 덩어리이다. 따라서 성형시에 강한 압력과 열을 받아 그레인이 더욱 더 미세하게 형성되는 것이다.
이와 같이 제작된 일렉트릿을 이용하여 제조된 마이크로폰용 백-일렉트릿(BACK ELECTRET)은 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 금속판(11) 위에 FEP필름(12)과 PTFE필름(20)이 적층된 일렉트릿(22)과, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephtalate) 필름(14) 위에 금속(15)이 증착된 진동판(17), 및 진동판(17)과 일렉트릿(22) 사이에 공간을 형성하기 위한 스페이서(13)로 구성되어 마이크로폰에서 음압을 전기적인 신호로 변환하는 역할을 한다.
도 4는 본 발명에 따른 멀티 레이어 일렉트릿 제조 개념을 도시한 개략도이고, 도 5는 본 발명에 따른 멀티 레이어 일렉트릿 제조 절차를 도시한 순서도이다.
일반적으로, 금속판과 박막(필름)의 용융접착은 라미네이팅(Laminating) 공정으로 제작하게 되는데, PTFE 필름의 경우 용융점이 대략 327℃로서 상대적으로 높기 때문에 금속판(metal plate)과 접착이 잘 되지 않는다. 또한 PTFE 필름 자체가 금속판과 접착이 된다고 하더라도 라미네이팅 작업시에 강한 열과 압력을 받기 때문에 일렉트릿 특성인 전하보존특성(Charge Stability)이 현저히 감소하게 된다.
따라서 본 발명에서는 먼저 FEP필름을 금속판과 접착시킨 후에 FEP필름 위에 다시 PTFE필름을 접착시켜서 다층으로 일렉트릿을 구성한 것이다. FEP와 PTFE는 같은 플루오르(Fluoro)화 계열로서 열과 압력을 가했을 경우, 강한 접착력을 가지는 특성이 있다. 그리고 FEP 필름 위에 PTFE 필름이 접착된 멀티-레이어(FEP-PTFE) 폴리머 일렉트릿은 전하보존특성(Charge Stability)이 매우 뛰어난 장점을 갖는다. 이와 같이 PTFE 필름이 뛰어난 전하보존특성을 갖는 이유는 앞서 설명한 바와 같이, 결정화도(Crystallinity)가 높기 때문이다. 결정화도가 높다는 것은 우선 재료 내부에 많은 그레인 바운더리(Grain Boundery)가 존재하게 되는데, 이들 그레인 바운더리(Grain Boundery)는 충전(Charging)시에 전자들이 볼륨(Volume)으로 이동할 수 있는 경로가 되고, 또한 전자들이 안정하게 트랩(Trap)되는 트랩핑 사이트(Trapping Site)가 되기도 한다. 따라서 전하들이 안정하게 재료에 남게 됨으로써 일렉트릿(Electrets)의 전하보존특성(Charge Stability)이 증가하게 되는 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따라 멀티 레이어 일렉트릿을 제조하는 절차는 금속판 위에 FEP필름을 접착하는 1차 라미네이팅 공정(S1,S2)과, FEP필름위에 다시 PTFE 필름을 접착하는 2차 라미네이팅 공정(S3,S4), 냉각공정(S5), 하전공정(S6)으로 이루어진다.
일차 라미네이팅 공정은 도 5에 도시된 바와 같이, 금속판(11) 위에 FEP필름(12)을 적층한 후 유도가열 롤러(52)와 가압 롤러(54) 사이를 통과하면서 용융 접착되게 한다. 이때 FEP 필름의 두께는 12.5㎛~25㎛인 것이 바람직하다.
즉, 단계 S1에서 금속판(11) 위에 롤 형태로 감긴 FEP필름(12)을 풀어 적층한 후, 단계 S2에서 금속판(11) 아래에 유도가열 롤러(52)로 열을 가함과 동시에 금속판(11)에 적층되어 있는 FEP필름(12) 위에 가압롤러(54)로 압력을 가하면서 롤러를 통과시켜 금속판(11)과 FEP필름(12)을 용융접착시킨다. 이때 가압롤러(54)에 의한 압력은 대략 10KgF~100KgF이고, 유도가열 롤러(52)에 의한 가열 온도는 330℃~400℃인 것이 바람직하다. 이와 같이 압력을 인가함과 동시에 고온으로 가열하면 FEP필름과 금속판이 접촉되는 부분에서 전체적으로 용융이 일어나고 FEP필름의 내부에서는 부분적인 용융이 일어난다.
이차 라미네이팅 공정은 도 5에 도시된 바와 같이, 일차 라미네이팅 공정에서 FEP필름(12)이 용융 접착된 금속판(11)의 FEP필름 위에 롤에 감긴 PTFE 필름(20)을 적층한 후 유도가열 롤러(52)와 가압 롤러(54) 사이를 통과하면서 용융접착되게 한다. 이때 PTFE 필름의 두께는 30㎛~100㎛인 것이 바람직하다.
즉, 단계 S3에서 금속판에 접착된 FEP필름(12) 위에, 롤 형태로 감긴 PTFE필름(20)을 풀어 적층한 후, 단계 S4에서 금속판(11) 아래에 유도가열 롤러(52)로 열을 가함과 동시에 FEP필름(12) 위에 적층되어 있는 PTFE필름(20) 위에가압롤러(54)로 압력을 가하면서 롤러를 통과시켜 금속판(11)에 접착된 FEP필름(12)과 PTFE필름(20)을 용융접착시킨다. 이때 가압롤러(54)에 의한 압력은 대략 30KgF~150KgF이고, 유도가열 롤러(52)에 의한 가열 온도는 400℃~500℃인 것이 바람직하다.
이와 같은 라미네이팅 공정에서 금속판과 접촉되는 필름이나 필름과 필름의 접촉면에서는 전체적인 용융 혹은 부분적인 용융이 일어난다. 이때, 부분 용융은 고분자의 비정질과 격자가 불일치하는 계면을 형성하게 되는데, 이들 계면에 전하들이 트랩되므로 이 계면의 위치와 크기를 제어하여 일렉트릿의 전하보전 특성을 향상시킬 수 있다.
단계 S5는 용융접착 후 소재를 냉각하는 단계로서, 냉각속도를 제어하여 앞서 설명한 계면의 위치와 크기를 제어할 수 있다.
이어 단계 S6 하전공정에서는 적층된 필름을 충전하여 필름내에 전하를 충전시킨다.
그리고 연속공정을 통해 일렉트릿을 제작할 경우에 라인의 이송속도(작업속도)는 0.3m/min~0.7m/min으로 하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 플루오르 에틸렌 프로필렌(FEP)와 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE)로 제작된 멀티레이어 폴리머 일렉트릿은 폴리머로 제작되기 때문에 가공성이 매우 우수하고, 제조공정이 매우간단하여 제조비용도 절감되는 잇점이 있다. 더욱이 PTFE는 결정화도(Crystallinity)가 높아 내부에 많은 그레인 바운더리(Grain Boundery)가 존재하게 되므로 전하보존특성(Charge Stability)이 증가하게 되고, 이에 따라 SMT 공정이 가능한 마이크로폰을 제작할 수 있다. 또한 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(ECM)의 신뢰성도 상당히 개선된다.
또한 멀티 레이어 폴리머 일렉트릿은 기존에 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(ECM)에서 사용하고 있는 백 일렉트릿과 형태가 동일하기 때문에 기존의 모든 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(ECM)을 SMT작업이 가능한 마이크로폰으로 제작할 수 있다.

Claims (5)

  1. 금속판위에 두께가 대략 12.5㎛~25㎛인 플루오르 에틸렌 프로필렌(FEP) 필름이 용융접착되어 있고, 상기 FEP필름 위에 대략 30㎛~100㎛인 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE) 필름이 용융접착되어 있는 것을 특징으로 하는 초고전하보존 특성을 갖는 다층 일렉트릿.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PTFE 필름은 PTFE 수지가 성형된 후 슬라이싱에 의해 박막으로 제조된 것을 특징으로 하는 초고전하보존 특성을 갖는 다층 일렉트릿.
  3. 금속판위에 FEP필름을 적층하는 제1 단계;
    상기 FEP필름이 적층된 금속판을 고온으로 가열함과 아울러 고압을 가해 용융접착하는 제2 단계;
    상기 금속판에 접착된 FEP필름 위에 PTFE필름을 적층하는 제3 단계;
    상기 적층된 PTFE필름이 상기 FEP필름과 접착하도록 적층된 금속판을 고온으로 가열함과 아울러 고압을 가해 용융접착하는 제4 단계;
    용융접착된 상기 판을 냉각하는 제5 단계; 및
    냉각된 일렉트릿을 하전하는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고전하보존 특성을 갖는 다층 일렉트릿의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제4 단계는 가압롤러에 의한 압력이 대략 30KgF~150KgF이고, 유도가열 롤러에 의한 가열 온도가 400℃~500℃인 것을 특징으로 하는 초고전하보존 특성을 갖는 다층 일렉트릿 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제조방법은 작업속도가 0.3m/min~0.7m/min인 것을 특징으로 하는 초고전하보존 특성을 갖는 다층 일렉트릿 제조방법.
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