CH651418A5

CH651418A5 - CARBON LAYER RESISTANCE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME.

Info

Publication number: CH651418A5
Application number: CH13184/78A
Authority: CH
Inventors: Pierre Hubertus Maria Jacobs; Jacob Klaas Vondeling
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1977-12-30
Filing date: 1978-12-27
Publication date: 1985-09-13
Also published as: FR2413764B1; JPS5496759A; GB2011729B; SE7813298L; BE873166A; GB2011729A; DE2854926A1; NL7714567A; FR2413764A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kohleschichtwiderstand, bei welchem eine Widerstandsschicht, die Kohlenstoff, ein nichtleitendes Pigment und ein Bindemittel enthält, auf einem elektrisch nichtleitenden Träger angebracht und mit Elektroden versehen ist. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kohleschichtwiderstandes, bei welchem eine Suspension, die Kohlenstoff, ein elektrisch nichtleitendes Pigment und ein Bindemittel in einem Lösungsmittel enthält, hergestellt und dann auf einen elektrisch nichtleitenden Träger, der mit Elektroden versehen ist, angebracht wird, wonach die Suspension getrocknet wird. The invention relates to a carbon film resistor, in which a resistor layer containing carbon, a non-conductive pigment and a binder is applied to an electrically non-conductive carrier and provided with electrodes. The invention further relates to a method for producing a carbon film resistor, in which a suspension containing carbon, an electrically non-conductive pigment and a binder in a solvent is produced and then applied to an electrically non-conductive carrier which is provided with electrodes , after which the suspension is dried.

Die Erfindung ist insbesondere bei Kohleschichtpotentiometern (veränderliche Kohleschichtwiderstände), die eine Widerstandsschicht hoher Abriebfestigkeit, einen niedrigen Kontaktwiderstand und die Möglichkeit einer Kontaktänderung über die Widerstandsschicht haben sollen, anwendbar. Weiter ist es erwünscht, dass die genannten Eigenschaften und auch der Widerstand der Schicht bei Einwirkung von Lösungsmitteln und Feuchtigkeit auf die Schicht nicht oder nahezu nicht beeinflusst werden. The invention is particularly applicable to carbon layer potentiometers (variable carbon layer resistors) which are supposed to have a resistance layer of high abrasion resistance, a low contact resistance and the possibility of a contact change via the resistance layer. Furthermore, it is desirable that the properties mentioned and also the resistance of the layer under the influence of solvents and moisture on the layer are not or hardly influenced.

Bei der Herstellung von Widerstandsschichten durch Aufbringen von Suspensionen, die Kohlenstoff und nichtleitende Teilchen enthalten, ist es erwünscht, von möglichst stabilen Suspensionen auszugehen. Derartige Suspensionen ergeben ein Sediment möglichst dicht gestapelter Teilchen. Die Suspensionen enthalten dazu polymere Bindemittel, die die gegenseitige Abstossung der Teilchen vergrössern, so dass sich keine flockigen Niederschläge bilden und vermieden wird, dass leitende und nichtleitende Teilchen ihr kolloidchemisches Verhalten derart gegenseitig beeinflussen, dass flok-kige Niederschläge geringer Dichte entstehen können. Es hat sich in der Praxis als schwierig erwiesen, mit den für derartige Schichten bereits vorgeschlagenen nichtleitenden Teilchen stabile Suspensionen herzustellen, mit denen durch Änderung des Gehalts an leitenden und nichtleitenden Teilchen unterschiedliche Widerstandswerte erhalten werden können. In der Regel werden daher eine Anzahl von Suspensionen verschiedener Zusammensetzungen hergestellt, um Widerstandsschichten mit unterschiedlichen Widerstandswerten bilden zu können. Ein weiterer Nachteil der üblicherweise verwendeten nichtleitenden Teilchen, wie Siliciumkarbid, Siliciumdioxid, Glaspulver u.dgl., ist, dass dies harte Teilchen sind, die zur Abnutzung der Schiebekontakte bei Potentiometern führen können und dadurch eine Erhöhung des Kontaktwiderstandes und der Kontaktwiderstandsänderung herbeiführen können. Andere vielfach angewendete Füllmittel, wie Molybdän-disulfid, weisen zwar den letzteren Nachteil nicht auf, aber bei Anwendung in Widerstandsschichten für Kohlepotentiometer beeinträchtigen sie, wie sich herausgestellt hat, die elektrischen Eigenschaften (den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes TCR, die Feuchtigkeitsbeständigkeit und das Rauschen). When producing resistance layers by applying suspensions which contain carbon and non-conductive particles, it is desirable to start from suspensions which are as stable as possible. Such suspensions result in a sediment of particles stacked as densely as possible. For this purpose, the suspensions contain polymeric binders, which increase the mutual repulsion of the particles, so that no flocculent precipitates are formed and that conductive and non-conductive particles are prevented from mutually influencing their colloidal chemical behavior in such a way that low-density flocculent precipitates can occur. In practice, it has proven difficult to produce stable suspensions with the non-conductive particles already proposed for such layers, with which different resistance values can be obtained by changing the content of conductive and non-conductive particles. As a rule, a number of suspensions of different compositions are therefore produced in order to be able to form resistance layers with different resistance values. Another disadvantage of the commonly used non-conductive particles, such as silicon carbide, silicon dioxide, glass powder and the like, is that these are hard particles, which can lead to wear of the sliding contacts in potentiometers and can thereby cause an increase in the contact resistance and the change in contact resistance. Other commonly used fillers, such as molybdenum disulfide, do not have the latter disadvantage, but when used in resistance layers for carbon potentiometers, they have been found to impair the electrical properties (the temperature coefficient of the resistance TCR, the moisture resistance and the noise).

Die Erfindung hat die Aufgabe, die genannten Nachteile möglichst zu beheben. The object of the invention is to remedy the disadvantages mentioned as far as possible.

Diese Aufgabe wird bei einem Kohleschichtwiderstand nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Widerstandsschicht als elektrisch nichtleitendes Pigment Kohlenstofffluorid (CF)n enthält. In der angegebenen Bruttoformel (CF)n bedeutet n, dass in der betreffenden Verbindung eine nicht näher zu definierende grosse Anzahl von (CF)-Gruppen vorhanden ist. This object is achieved in a carbon film resistor according to the invention in that the resistor layer contains carbon fluoride (CF) n as an electrically non-conductive pigment. In the given gross formula (CF) n, n means that a large number of (CF) groups, which cannot be defined in more detail, is present in the compound concerned.

Die Verbindung (CF)n kann z.B. dadurch erhalten werden, dass Graphit mit Fluor bei einer Temperatur von etwa 400 °C zur Reaktion gebracht wird. Das Reaktionsprodukt ist grau bis weiss und ist elektrisch nichtleitend (siehe z.B. «Journal of the Electrochem. Soc. of Japan» 32 [1], S. 17-25 [1964]). Das Erzeugnis weist, gleich wie Graphit, die Eigenschaften eines Schmiermittels auf. The connection (CF) n can e.g. can be obtained by reacting graphite with fluorine at a temperature of about 400 ° C. The reaction product is gray to white and is electrically non-conductive (see, for example, "Journal of the Electrochem. Soc. Of Japan" 32 [1], pp. 17-25 [1964]). Like graphite, the product has the properties of a lubricant.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit Kohlenstoff sowie mit Kohlenstofffluorid (CF)n mit demselben Lösungsmittel und demselben Bindemittel und derselben Bindemittelkonzentration stabile Suspensionen erhalten werden können und dass diese Suspensionen bei einer bestimmten Pigmentvolumenkonzentration sowohl gesondert als auch gemischt Schichten optimaler Packung ergeben. Dadurch, The invention is based on the finding that stable suspensions can be obtained with carbon and with carbon fluoride (CF) n with the same solvent and the same binder and the same binder concentration, and that these suspensions, with a specific pigment volume concentration, give both separate and mixed layers of optimal packing. Thereby,

dass derartige Suspensionen in verschiedenen Verhältnissen gemischt werden, können Kohleschichten mit verschiedenem spezifischem Widerstand, aber im übrigen gleichen Eigenschaften erhalten werden. Potentiometer mit verschiedenen Widerstandswerten weisen also alle denselben Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (TCR), denselben Kontaktwiderstand (RC), dieselbe Kontaktwiderstandsänderung (CRV) und dieselbe Empfindlichkeit für Feuchtigkeit und Lösungsmittel auf. Insbesondere ergibt dies einen Vorteil, wenn Potentiometer hergestellt werden müssen, in denen sich der spezifische Widerstand der Kohleschicht mit der Stelle in der Kontaktbahn ändert (sogenannte logarithmische Potentiometer). Bei solchen Potentiometern ändert sich die abgenommene Spannung nicht oder nahezu nicht bei Änderung der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit. Ein derartiger Widerstand kann z.B. dadurch erhalten werden, dass die Bahn, über die sich der Kontakt bewegt, in zwölf Teile unterteilt und dass durch Änderung des Mischungsverhältnisses der Suspensionen auf jedem folgenden Teil eine Schicht mit einem grösseren spezifischen Widerstand als der des vorangehenden Teiles abgelagert wird. Die angebrachten Suspensionsschichten können dann alle auf gleiche Weise und opti5 that such suspensions are mixed in different ratios, carbon layers with different resistivities but otherwise the same properties can be obtained. Potentiometers with different resistance values all have the same temperature coefficient of resistance (TCR), the same contact resistance (RC), the same contact resistance change (CRV) and the same sensitivity to moisture and solvents. In particular, this results in an advantage if potentiometers have to be produced in which the specific resistance of the carbon layer changes with the point in the contact path (so-called logarithmic potentiometers). With such potentiometers, the voltage taken off does not change or changes almost not with the change in temperature and relative humidity. Such resistance can e.g. are obtained by dividing the path over which the contact travels into twelve parts and by changing the mixing ratio of the suspensions on each subsequent part to deposit a layer with a greater specific resistance than that of the preceding part. The applied suspension layers can then all in the same way and opti5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

mal ausgeheizt werden. Dies ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung. times are baked out. This is an important advantage of the invention.

Für die industrielle Produktion veränderlicher Kohleschichtwiderstände mit unterschiedlichen Widerstandswerten eignet sich daher das erfindungsgemässe Verfahren nach Anspruch 2. The inventive method according to claim 2 is therefore suitable for the industrial production of variable carbon film resistors with different resistance values.

Vorzugsweise kann das Verhältnis zwischen den Pigmentvolumenkonzentrationen und dem Bindemittelgehalt der stabilen Suspensionen dabei derart gewählt werden, dass beim Eintrocknen der Suspensionsschicht und allfälliger Nachhärtung Schichten mit optimalen Eigenschaften (TCR, RC, CRV usw.) erhalten werden. Bei Mischung der Suspensionen hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die gemischte Suspension dann ebenfalls eine optimale Widerstandsschicht ergibt. Optimale mechanische Eigenschaften werden erhalten, wenn der Bindemittelgehalt in der Widerstandsschicht derartig ist, dass die Poren zwischen den Pigmentteilchen wenigstens nahezu vollständig ausgefüllt sind. Nun wurde gefunden, The ratio between the pigment volume concentrations and the binder content of the stable suspensions can preferably be chosen such that layers with optimal properties (TCR, RC, CRV etc.) are obtained when the suspension layer dries and any post-curing. When mixing the suspensions, it has surprisingly been found that the mixed suspension then also results in an optimal resistance layer. Optimal mechanical properties are obtained if the binder content in the resistance layer is such that the pores between the pigment particles are at least almost completely filled. Now it has been found

dass bei denselben Konzentrationsverhältnissen nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern auch die elektrischen Eigenschaften optimal sind. In den erfindungsgemässen Kohleschichtwiderständen können die üblichen Kohlenstoffarten, wie Russ, Graphit u.dgl., verwendet werden. Geeignete Bindemittel sind z.B. Lackharze auf Basis von Harnstoff- und Melaminformaldehydharzen, wie sie käuflich erhältlich sind. Die Suspensionen können auf den zu überziehenden Substraten in dünnen Schichten ausgegossen oder z.B. durch ein Siebdruckverfahren angebracht werden. Die Lösungsmittelmenge wird an die erforderliche Viskosität bei dem angewandten Aufbringungsverfahren angepasst. that not only the mechanical properties but also the electrical properties are optimal at the same concentration ratios. The usual types of carbon, such as carbon black, graphite and the like, can be used in the carbon film resistors according to the invention. Suitable binders are e.g. Lacquer resins based on urea and melamine formaldehyde resins, as are commercially available. The suspensions can be poured out in thin layers on the substrates to be coated or e.g. attached by a screen printing process. The amount of solvent is adjusted to the required viscosity in the application process used.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung, deren einzige Figur schematisch einen veränderlichen Kohleschichtwiderstand zeigt, und einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. The invention is explained in more detail below with the aid of the drawing, the sole figure of which schematically shows a variable carbon film resistance, and some exemplary embodiments.

Ausführungsbeispiel I Herstellung Kohlenstoffsuspension A 60 g Graphit Embodiment I Preparation of carbon suspension A 60 g of graphite

120 ml einer käuflich erhältlichen 120 ml of a commercially available

Melaminformaldehydharzlösung (60 Gew.-°/o) in Butanol und 850 ml Butylacetat werden durch 16stündiges Mahlen in einer Kugelmühle dis-pergiert; dabei wird eine stabile Suspension erhalten. Melamine formaldehyde resin solution (60% by weight) in butanol and 850 ml of butyl acetate are dispersed by grinding in a ball mill for 16 hours; a stable suspension is obtained.

Ausführungsbeispiel II Herstellung Kohlenstofffluoridsuspension B 75 g Kohlenstofffluorid (CF)n 120 ml Harzlösung gemäss Ausführungsbeispiel I und 850 ml Butylacetat werden 16 Stunden lang in einer Kugelmühle gemahlen; es wird eine stabile Suspension erhalten. Embodiment II Preparation of Carbon Fluoride Suspension B 75 g of carbon fluoride (CF) n 120 ml of resin solution according to embodiment I and 850 ml of butyl acetate are milled in a ball mill for 16 hours; a stable suspension is obtained.

Ausführungsbeispiel III Embodiment III

Herstellung eines Kohleschichtwiderstandes Production of a carbon film resistor

Die Suspensionen A und B werden in einem Mischungsverhältnis gemischt, das von dem endgültig gewünschten Widerstandswert abhängig ist. Das Gemisch wird auf einem Suspensions A and B are mixed in a mixing ratio which depends on the final desired resistance value. The mixture is on a

651 418 651 418

ringförmigen Träger 1 aus Hartpapier ausgegossen, der bereits mit Metallkontakten 2 und 3, z.B. aus Silber, versehen ist, getrocknet und während 20 Minuten bei 220 °C ausgeheizt. Dann wird der Träger 1 mit der Kohleschicht in ein Potentiometer montiert, von dem in der Zeichnung ein Träger 4, ein drehbarer Kontakt 5 und Kontakte 6, 7 und 8 dargestellt sind. ring-shaped carrier 1 is poured out of hard paper, which already has metal contacts 2 and 3, e.g. made of silver, is dried and baked at 220 ° C. for 20 minutes. Then the carrier 1 with the carbon layer is mounted in a potentiometer, of which a carrier 4, a rotatable contact 5 and contacts 6, 7 and 8 are shown in the drawing.

Ausführungsbeispiel IV Embodiment IV

Die Eigenschaften der nach dem Ausführungsbeispiel III erhaltenen Potentiometer werden mit käuflich erhältlichen Potentiometern vom gleichen Typ verglichen. In der nachstehenden Tabelle sind in Spalte 1 das Mischungsverhältnis in Vol.-% der Suspensionen A und B, in Spalte 2 der erhaltene Widerstand (R), in Spalte 3 der Temperaturkoeffizient des Widerstandes zwischen 20 und 60 °C (TCR), in Spalte 4 der Kontaktwiderstand nach 104 Umdrehungen (RC) des Kontaktes 5 über die Kohleschicht auf dem Träger 1 in Spalte 5 die Kontaktwiderstandsänderung über die Kohleschicht (CRV) und in Spalte 6 die Widerstandsänderung AR nach Drehung des Kontakts 5 angegeben. The properties of the potentiometers obtained according to embodiment III are compared with commercially available potentiometers of the same type. In the table below, column 1 shows the mixing ratio in vol .-% of suspensions A and B, column 2 the resistance (R) obtained, column 3 the temperature coefficient of resistance between 20 and 60 ° C (TCR), column 4 the contact resistance after 104 revolutions (RC) of the contact 5 over the carbon layer on the carrier 1 in column 5 the contact resistance change over the carbon layer (CRV) and in column 6 the resistance change AR after rotation of the contact 5.

Tabelle table

1 1

2 2nd

3 3rd

4 4th

5 5

6 6

Mischver Mixed Ver

R R

TCR TCR

RC RC

CRV CRV

AR AR

hältnis ratio

(20-60 °C) (20-60 ° C)

60A + 40B 60A + 40B

8kQ 8kQ

— 240 ppm - 240 ppm

+ 1% + 1%

±0,2% ± 0.2%

-1,8% -1.8%

37A + 63B 37A + 63B

60kŒ 60kŒ

— 220 ppm - 220 ppm

+ 1% + 1%

±0,2% ± 0.2%

-3,1% -3.1%

25A + 75B 25A + 75B

2 MQ 2 MQ

-390 ppm -390 ppm

+ 1% + 1%

±0,3% ± 0.3%

-6,7% -6.7%

Handels Commercial

8kO 8kO

-500- -500-

+ 0,5- + 0.5-

±0,5- ± 0.5-

-5% -5%

produkten products

60 kQ 60 kQ

+ 500 ppm + 500 ppm

+ 2% + 2%

±2% ± 2%

2 MQ 2 MQ

Die Empfindlichkeit für Feuchtigkeit und Lösungsmittel der Kohleschicht wird als Widerstandsänderung gemessen. Bei dem angewandten Testverfahren änderte sich der Widerstand um höchstens 20% bei Verwendung einer Schicht mit optimalen Eigenschaften, d.h. bei einer Schicht, bei welcher die Poren zwischen den Pigmentteilchen völlig oder fast völlig mit Bindemittel gefüllt sind unter der Einwirkung von Feuchtigkeit und Lösungsmitteln. Bei Abweichungen von einem optimalen Füllgrad, z.B. zur Erzielung verschiedener Widerstandswerte, stellte sich heraus, dass Änderungen von 200 bis 300% unter den gleichen Bedingungen auftreten konnten. The sensitivity to moisture and solvents in the carbon layer is measured as a change in resistance. In the test method used, the resistance changed by at most 20% when using a layer with optimal properties, i.e. in a layer in which the pores between the pigment particles are completely or almost completely filled with binder under the action of moisture and solvents. If there are deviations from an optimal filling level, e.g. To achieve different resistance values, it was found that changes of 200 to 300% could occur under the same conditions.

Ausführungsbeispiel V Embodiment V

Bei der Herstellung eines sogenannten logarithmischen Potentiometers besteht die Widerstandsschicht auf dem Träger 1 aus einer Anzahl nebeneinander liegender Bereiche mit unterschiedlichem spezifischen Widerstand, die dadurch erhalten sind, dass Suspensionsgemische geeigneter Zusammensetzung an den gewünschten Stellen auf dem Träger 1 angebracht werden. In the production of a so-called logarithmic potentiometer, the resistance layer on the carrier 1 consists of a number of adjacent areas with different specific resistances, which are obtained by applying suspension mixtures of a suitable composition at the desired locations on the carrier 1.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

651 418

1. Carbon layer resistor, in which a resistance layer containing carbon, an electrically non-conductive pigment and a binder is attached to an electrically non-conductive carrier and provided with electrodes *, characterized in that the resistance layer contains carbon fluoride (CF) n as the electrically non-conductive pigment .

2. A method for producing a carbon film resistor as claimed in claim 1, in which a suspension which contains carbon, an electrically non-conductive pigment and a binder in a solvent is prepared and is then applied to an electrically non-conductive carrier which is provided with electrodes, after which the suspension is dried, characterized in that the carbon-containing suspension is produced by producing separate stable suspensions of carbon and carbon fluoride (CF) n with the same binder and the same binder concentration in the same solvent in a first step and in a second step these suspensions are mixed with one another in a ratio which gives the desired resistance value when the suspension layer dries.

2nd

PATENT CLAIMS

3. The method according to claim 2, characterized in that after the drying of the suspension layer, the layer is treated for post-curing the binder.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that a carbon-containing suspension is used which, when dried, gives rise to layers in which the pores between the particles are completely or almost completely filled with binder.

5. The method according to claim 2 or 3, characterized in that layer areas with different resistivities are applied next to one another on a carrier.