KR100403549B1

KR100403549B1 - 도포형 실리콘 페이스트를 이용한 현장성형 방식의 전자파차폐 방법

Info

Publication number: KR100403549B1
Application number: KR10-2001-0067599A
Authority: KR
Inventors: 박민; 김준경; 이건웅; 정승훈
Original assignee: 남애전자 주식회사; 한국과학기술연구원
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-10-30
Also published as: KR20030035499A

Abstract

도포형의 도전성 실리콘 페이스트를 이용한 전자파 차폐방법. 본 발명에 따라 이동통신용 단말기의 전자파 차단을 위해 현장성형 방식으로 적용되는데 필요한 실리콘 페이스트의 점도조건이 제공되며, 이러한 점도조건과 체적비저항을 만족하는 도포형 실리콘 페이스트를 현장성형 (Form-In-Place) 방식으로 적용할 수 있기 때문에 휴대용 무선전화기 등과 같은 전자기기의 접합부에 단절 없이 하나의 폐쇄된 링과 같은 구조로 직접 분사가 가능하므로 전자파의 효과적인 차폐 및 환경적인 실링효과와 작업시간의 단축 등 코스트 면에서 매우 유리하다.

Description

도포형 실리콘 페이스트를 이용한 현장성형 방식의 전자파 차폐 방법 {A METHOD FOR SHIELDING ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE WAVES BY USING FORM-IN- PLACE TYPE ELECTRICALLY CONDUCTIVE SILICONE PASTES}

본 발명은 전자파 차폐용 도포형 페이스트의 현장성형형 적용에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 본 발명은 점도조절이 가능한 도포형 페이스트를 이용하여 휴대폰, PCS를 비롯한 이동통신용 단말기와 같이, 두 개 이상의 파트로 구성되어 최종 조립시 리브(RIB) 구조를 갖는 전자기기의 전면과 후면의 접합 이음새부위의 전자파 누설이나 침입을 막고, 동시에 환경적 실링효과를 얻을 수 있으며, 작업성에 있어 편리함과 코스트면의 이점을 얻을 수 있는 전자파 차폐방식에 관한 것이다.

고도정보화사회를 맞이하여 폭발적인 추세로 보급되고 있는 휴대전화 및 PCS 등의 이동단말기 내부의 RF회로에서 발생하는 전자파는 하우징 내에서의 다중반사를 통한 공명현상으로 인한 내부간섭(intra-noise)를 유발하여 기기 성능 저하의원인이 될 뿐만 아니라 누출된 전자파는 여타 정밀 전자기기(의료기기, 항공기 정밀기기)의 오작동의 직접적인 원인을 제공하고 더욱이 최근 신체 유해성에 대한 논란마저 불러일으키면서 그 차폐대책이 절실히 요청되어 왔다. 더욱이 이들 정보통신기기는 그 크기에 있어 더욱 소형화, 경량화되고 회로 자체의 고집적화를 통하여 기기 자체의 전자파 누출에 의한 외부 기기에의 악영향 및 외부 전파 잡음에 의한 해당 기기의 영향 등으로 전자파 차폐 대책이 심각한 문제로 대두되고 있다.

전자파가 누설 및 침투되는 기기의 주요 부위는 크게 인쇄회로기판부, 기기 조립에 따른 접속부 이음새 등을 들 수 있으며, 이에 따라 이들 부위의 효율적인 전자파 차폐 대책이 요망되고 있다. 인쇄회로기판부의 차폐대책은 다양한 방법으로 효과적으로 적용되고 있으나 접속부 이음새는 복잡한 형상의 외관에 따른 리브구조의 접합부로서 그 차폐대책이 용이하지 않다. 이들에 대한 종래의 차폐대책은 주로 테두리 및 컴파트먼트 상에 동용수철을 수작업으로 붙이는 방식(Finger Strip 방식)으로 이루어져 왔는데 접촉불량으로 인한 GHz 대역에서의 취약한 성능과 함께 조립에 요하는 많은 수작업 필요성 및 과다한 툴링 비용 등 코스트면에서 부담이 컸다. 그런데, 휴대폰, PCS 단말기등과 같은 소형.경량.복잡한 형상의 양산품에 있어서는, 고주파주 대역(1.8GHz)에서의 노이즈 대책을 제공해야 하는 기본적 요건 이외에도 최소한의 무게로 외부 물질의 침입을 막아주는 환경적 실링(sealing) 역할 및 완충역할 부여도 중요하다. 이같은 코스트, 차폐효과, 생산성 등의 측면에서 기존 공정의 개선이 요구되었고 그 대응기술로서 현장성형(Form-In-Place) 방식의 개스킷의 등장이 요구되었다.

핑거스트립 방식은 동용수철 모양이거나 금속망사 모양의 제품을 사용하여 그루브(groove)형상의 접합부에 적용하여 왔으나 압착에 의해 스펀지와 같이 부피가 감소하는 방식으로 장시간 압축력에 노출되어 있을 경우 접착불량으로 인한 차폐효율이 저하되며 별도의 실링용 소재가 도입되어야 하는 단점이 있다. 또한 휴대용 무선전화기의 소형화 경량화 추세에 따라 리브의 두께도 점차 작아져가는 상황을 고려하면 수작업에 의한 스트립의 삽입 방식은 많은 툴링 비용과 함께 정밀성 측면에서 어려움이 예상된다.

핑거스트립 외에도 U 자형의 전자파 차폐 커버를 도입하는 방법 등이 적용될 수 있으나 이들 핑거스트립 또는 차폐용 커버 모두 소비자의 욕구에 맞추기 위한 외관의 복잡한 변화에 민감하게 적응할 수 없는 단점을 가지고 있으며 그 성형 방식에 있어 수작업에 의한 생산성 저하 및 차폐효율의 보장면에서 취약하다 할 수 있다.

한편 현장성형 방식이란 도포형 페이스트를 디스펜싱 유닛에 고정하여 복잡한 형상의 접합 이음새 부위를 단절됨이 없이 일체형으로 분사하고 자연경화 방식으로 경화시킨 후 페이스트 자체의 탄성성질을 이용하여 접합시 실링효과와 함께 페이스트 내 전도성 입자들의 접촉이 개선되어 더욱 효과적인 차폐효율을 얻을 수 있는 방법이다. 이와 같이 도전성 페이스트를 이용한 디스펜싱 방식 즉 현장성형 방식을 도입하면 압착에 의해 부피가 보존되어 접합부위의 빈공간을 모두 채워줄 수 있으며 동시에 환경적 실링특성의 제공이 가능하다. 또한 도전성 페이스트 자체의 도전성을 압착에 의해 보다 향상시킬 수 있다는 장점과 함께 자동화된 도포기를이용한 작업의 편의성 및 생산성의 향상을 얻을 수 있다.

그러나 이와 같이 현장성형 방식으로 적용될 수 있으려면 매우 낮은 체적비저항이 요구됨과 동시에 도전성 페이스트 자체가 현장성형방식에 적합한 점도조건을 가져야 하는데, 이러한 점도조건을 찾아내는 것과 이러한 점도조건을 만족하는 도전성 페이스트를 개발하기란 쉬운 일이 아니다.

따라서 본 발명의 첫 번째 목적은 GHz 대역의 차폐가 보장되는 매우 낮은 체적비저항을 갖는 페이스트의 현장 성형 방식에 적합한 점도조건을 찾아내는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 점도조건을 만족하는 도전성 페이스트를 이용해서 현장성형 방식으로 전자기기의 전자파 차폐 방법을 제공하는 것이다.

더욱 구체적으로 본 발명은 종래의 핑거스트립 방식 등 여타의 차폐방법의 대체를 위해 도포형 페이스트를 이용한 현장성형형 전자파 차폐방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명의 목적은 현장성형 방식으로 사용하는데 알맞은 점도조건과 고정밀기기에 적용할 수 있는 차폐효율이 높은 도전성 페이스트를 사용하여 현장성형 방식으로 전자기기, 특히, 이동통신용 단말기의 전자파 차폐 공정을 수행하는 방법을 제공하는 데 있다.

이러한 현장성형을 위해서는, 세부적으로는 첫째, 페이스트 도포 전에는 입자의 침전을 억제하고 도포시에는 상업적으로 유용한 부피유량으로 원활한 분사가이루어지며 복잡한 형상의 리브구조에 맞추어 시작과 끝 부분이 정확하게 분사될 수 있는 점도제어 기술을 확립해야 한다. 둘째, 휴대폰등 이동통신용 단말기의 외벽의 차폐에 적용된 여타의 차폐방식으로 처리된 재료와 충분한 접착력을 유지해야 한다. 셋째, 경화 시간에 있어 보존기간과 작업시간의 손상 없이 도포 후 경화시간을 단축할 수 있는 경화 제어기술이 필요하다. 넷째, 경화 후 가스켓의 압축에 따른 접촉불량이 발생하지 않도록 경화된 페이스트의 경도 제어기술이 필요하다.

도 1은 입자 종류에 따른 페이스트의 점도 분포를 나타낸 도면 (충진함량 75%)이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 집중적으로 연구한 결과, 본 발명자들은 현장성형형으로 적용하는데 필요한 도포형 페이스트의 점도조건을 확립하였다.

한편, 본 발명자들은 도전성 실리콘 페이스트에 사용되는 전도성 금속입자의 형상, 크기, 분산도가 체적 비저항, 즉 차폐효율에 커다란 영향을 미치는 중요한 변수임을 발견하여 한국특허출원 제 40887/2001호로 출원한 바 있다.

본 발명자들은 상기 도전성 실리콘 페이스트에 함유된 전도성 금속입자와 실리콘 성분의 조성비 및 금속입자의 형상을 더욱 정밀하게 조절함으로써, 상기 현장성형에 적합한 점도조건과, 이동통신용 단말기와 같은 고정밀 기기의 엄격한 전자파 차폐 기준을 만족시킬 수 있는 도포형 실리콘 페이스트를 얻을 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명자들은 현장성형에 적합한 도전성 페이스트의 점도조건을 알아보기 위해 실시간 성형시, 즉 도포시의 전단속도와 전단속도가 0에 수렴할 때, 즉 보관시의 이상적인 점도분포 조건을 찾기 위해 연구한 결과, 현장성형방식으로 적용될 수 있으려면 10^-1sec^-1이하에서는 3000 Pa.s 이상의 점도를, 전단속도 10²sec^-1이상에서는 100 Pa.s 이하의 점도분포를 갖는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다.

한편, 상기한 바와 같이, 본 발명자들은 수평균 직경이 7 μm 이하, 수평균 분산도 (개수기준 누적 퍼센트의 90% / 10%)가 4 이상, 바람직하게는 수평균 직경 5 μm 이하, 분산도 5 이상으로 조절된 금속입자를 함유하는 도전성 실리콘 페이스트가 동일 함량의 금속입자로도 실리콘 페이스트의 전자파 차폐 효율, 즉 체적 비저항을 현저히 개선시킬 수 있음을 발명하여 이를 출원한 바 있다 (한국특허출원 제 40887/2001호). 나아가 본 발명자들은 이같이 형상조절된 금속입자를 함유하는 도전성 실리콘 페이스트의 점도 제어가능성에 주목하여 더욱 연구한 결과 상기의 범위로 형상조절된 금속입자와 상온 습기경화형 일액형 실리콘 수지를 조합 사용하여 얻어진 도전성 실리콘 페이스트가 상기한 점도 분포, 즉, 현장성형 방식으로 적용이 가능한 점도분포를 달성할 수 있는 도전성 실리콘 페이스트의 일례로서 사용가능함을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

도포형 페이스트의 조건과 그에 따른 실리콘 성분의 선정

전자파 차폐효과와 환경적 실링효과가 동시에 제공되어야 한다. 이를 위해 내화학성이 우수하여야 하며 금속입자의 자체 부식이 억제되도록 내산성 및 내염기성이 동시에 부여되어야 한다. 또한 실링목적의 해결을 위해 일정 수준의 경도를 갖는 고무상으로 탄성을 겸비하여야 한다. 도포시 접합부 이음새에 접착력을 유지하여 도포 상태의 형상이 유지되어야 하며 노즐에 걸리는 분출압의 저하를 위해 전단속도하에서 점도저하 즉 심한 전단박화(shear thinning) 현상이 얻어지는 특성을 갖추어야 한다. 또한 디스펜싱 기기에서 도포시 시작점과 끝점이 명확해야하며 도포 중 균일한 두께가 유지되어야 한다. 이상과 같은 차폐효과와 동시에 실링특성을 부여하기 위해서는 실리콘계의 고무상 페이스트가 적절한 방법이다.

이외에도 휴대폰 등 이동통신용 단말기의 안쪽 벽에 적용되는 여타 차폐방법으로 처리된 기재 (substrate)에 대한 밀착력이 우수해야 하며, 경화 후 압축에 따른 복원력 또한 중요한 요인이 된다.

전자파 차폐목적을 위해서는 개스킷 내에 전도가 잘 되어야 하고 어떠한 불연속도 없이 균일하게 전도되어야 한다.

뿐만 아니라, 휴대폰 등 이동통신용 단말기에 요구되는 높은 차폐 효율, 즉, 10^-2Ω.cm 이하의 체적비저항을 가져야만 한다.

상기 목적을 달성하기위하여 첫째, 다양한 실리콘 조성중에서 상온 습기경화형을 선택하여 보존용이성의 손상 대신 사용의 편리함과 그 용도에 있어 대상 기기나 물질에 실시간 도포 후 자연 경화 방식을 선택하였다. 이로부터 전자파 차폐기능을 적용하는 고정밀기기의 손상이 없이 직접 도입이 가능하다. 이러한 조건을 만족하는 상온 습기경화형의 실리콘 수지로 신에츠사의 탈옥심형 일액형 실리콘 수지 중 저점도 제품을 도입하였으며(상품명 KE44, KE45, KE441, KE445 등), 이들 특정 종류로 한정되지 않는다.

도전성 실리콘 페이스트의 금속입자의 형상조절

상기 목적을 위한 연구 결과 본 발명자들은 본 출원인의 한국특허출원 제 40887/2001호에 제시된 실리콘 페이스트 중에서도, 그 형상비(L/d)가 1.0 이상이고, 수평균 직경 7 μm 이하, 수평균 분산도 (개수기준 누적 퍼센트의 90% / 10%) 4 이상으로 조절된 금속입자 80 중량% 이상과 실리콘 성분 20 중량% 이하를 함유하는 도전성 실리콘 페이스트가 동일 금속함량 대비 우수한 전자파 차폐효율 증대효과는 물론, 현장성형에 적합한 전단속도에 따른 점도분포를 가짐을 발견하였다.

이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명자들은 한국특허출원 제 40887/2001호를 통해 도전성 페이스트에 첨가되는 금속입자의 크기, 분산도 및 형상과 같은 모폴로지의 제어 및, 아울러 화학적 및 물리적 전처리에 의한 표면 및 분산제어에 의해 균일한 차폐효율을 제공하며, 경제성 효율을 증대시킬 수 있음을 밝힌 바 있다. 본 발명은 이와 같은 효과에 더해, 상기한 도전성 실리콘 페이스트가 점도제어가 가능함에 주목하여 상기 페이스트의 조성과 형상을 더욱 정밀하게 제어함으로써 이동통신용 단말기의 전자파 차폐방법에 이를 현장성형방식으로 적용하는 방법을 제공한다.

본 발명의 도전성 페이스트에 사용되는 금속입자로는 전도성 금속입자인 은, 구리, 표면이 은으로 코팅된 구리, 니켈, 표면이 은으로 코팅된 니켈, 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으며, 순도는 이 분야에서 통상적으로 사용되는 범위인 99.5% 이상의 것을 사용하였다.

본 발명의 금속입자의 형상제어에 따른 점도분포 조절성을 알아보기 위해 순수 은계 3종과 은으로 코팅된 구리 1종, 순수 구리계 1종을 이용하였다. 실험에 사용된 금속입자의 순도는 모두 99.5% 이상이었으며, 다음 표 1에 사용된 금속 입자들의 주성분, 형상, 분산도, 표면적을 나타내었다. 본 발명은 기 출원발명의 내용으로부터 입자의 형상, 크기 및 분산도 조절로부터 점도 제어가 가능함을 인용하여 각 금속입자들을 이용한 차폐효율 증대 및 점도 분포를 이하에 규명하였다.

입자 번호	주성분	형상비(L/d)	수평균 분산도 (μm)	표면적 (m²/g)
입자 번호	주성분	형상비(L/d)	10%	표면적 (m²/g)	50%	90%
입자 1	Ag	< 1.5	0.5	2.5	5.0	1.75
입자 2	Ag	≒1.0	0.8	3.5	7.5	1.6
입자 3	Ag	≒1.0	2.6	3.5	5.9	-
입자 4	Ag/Cu	≒1.0	3.3	6.5	14.0	1.2-1.5
입자 5	Cu	≒1.0	2.3	5.2	9.2	-

입자의 직경과 분산도는 개수기준 또는 중량기준에 따라 달라지며 본 발명에서는 모두 개수기준의 수평균 분산도를 사용하였다. 평균직경은 가장 정확성이 있고 사용하기 편한 방법으로 알려진 누적분포 위에서 50%의 값을 구하는 방법(median 경)을 사용하였다. 표에서 표현한 분산도는 모두 누적 분포에서 각각 10%, 50%, 90%의 값을 사용하여 입자 분산성을 표현하였으며 평균직경은 50% 에서의 값이 된다.

금속입자의 형상 조정에 따른 차폐 효율

표 1에 명시된 금속입자들 1 내지 5와 상온 습기경화형 실리콘 수지로서 신에츠사의 KE441를 상법에 따라 혼합하여 충분히 경화시켜 실리콘 페이스트를 만든 후, 각 금속입자의 함량별 체적 비저항(Ω.cm)을 측정하였다. 체적 비저항 측정은 ASTM D991 기준에 따라 측정하였다. 실험에 사용된 각 페이스트의 구체적인 금속입자의 함량과 그에 따른 체적비저항 측정치를 다음 표 2에 나타내었다.

		함량(중량%)	체적비저항(Ω.cm)
비교예 1	입자 1	75	10¹
실시예 1		80	10^-2
실시예 2		85	10^-3
비교예 2	입자 2	75	-
비교예 3		80	10^-1
실시예 3		85	10^-2
비교예 4	입자 3	80	-
비교예 5	입자 3	85	10¹
비교예 6	입자 4	80	-
비교예 7	입자 4	85	10^-1
비교예 8	입자 5	80
비교예 9	입자 5	85	-

표 2의 결과는, 금속입자의 형상, 크기 및 분산도의 조절이 체적 비저항, 즉 차폐효율에 커다란 영향을 미치는 중요한 변수임을 보여주고 있다. 또한, 휴대폰 등 이동통신용 단말기에는 높은 차폐 효과가 요구됨을 고려할 때, 적어도 10^-2Ω.cm 이하의 체적비저항을 만족하여야 한다. 이같은 기준을 만족하는 실시예 1 내지 3은, 실시예 1 및 2의 경우,형상비 (L/d)가 1보다 큰 고순도 은입자 1을 각각 80 중량% 및 85 중량%의 양으로 사용한 경우이고, 실시예 3은 형상비가 1에 가까운 고순도 은입자 2를 85 중량%의 양으로 사용한 예이다.

상기 표 2의 결과를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에 사용된 입자 1과 입자 2는 모두 고순도 은으로서 평균 직경과 분산도는 비슷하지만, 형상에 있어서는 입자 1의 이방성이 입자 2의 이방성보다 큰 경우이다. 일반적으로, 금속입자의 함량이 증가하면서 임계 부피함량을 기준으로비저항의 급격한 감소현상이 발생하며 비교예 1과 비교예 2를 비교해 보면 비교적 낮은 함량에서 입자의 형상과 관련된 체적 비저항 값의 영향을 뚜렷이 보여 주고 있다. 즉, 동일 함량에서 입자 각각의 접촉에 의한 전도성 부여에 있어 입자의 형상이 불규칙하거나 또는 이방성을 갖는 것이 매우 유리하다는 것을 알 수 있다. 이러한 경향은, 입자의 함량이 높아져도 동일하게 나타나는데, 실시예 1 ~ 3 및 비교예 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 입자의 크기와 분산도가 비슷하더라도, 이방성이 높은 입자 1을 사용한 실시예 1 및 실시예 2가 그보다 이방성이 낮은 입자 2를 사용한 실시예 3 및 비교예 3의 경우보다 각각 동일 함량에서의 차폐효율이 우수한 것을 알 수 있다.

한편, 상기 표 1의 입자 2와 3은 순수 은입자이나 서로 분산성의 차이를 보이고 있다. 즉 입자 2는 분산도 (90%/10%)가 9 이상인 다분산 입자이며, 입자 3은 분산도가 3 미만인 단분산에 가까운 입자이다. 입자 2를 사용한 비교예 3 및 실시예 3과 입자 3을 사용한 비교예 4 및 5에서 보여주는 바와 같이 입자의 형상과 평균직경이 유사하더라도 분산성의 차이에 따른 비저항의 급격한 차이를 보여준다. 단분산 입자 3의 경우 입자들의 표면적이 감소하여 입자 접촉에 연속성을 부여할 수 있는 확률이 작아짐에 기인하며 혼합 실험에서 고함량 충진에도 어려움이 많았다. 이상으로부터 분산도 (90%/10%) 4 이상의 다분산 입자분포가 체적 비저항에 유리함을 확인할 수 있다. 본 발명에서와 같이, 이동통신용 단말기의 전자파 차폐를 위해서는 앞서 언급한 바와 같이, 체적비저항 값이 10^-2Ω.cm 이하일 것이 요구된다.

한편, 상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 입자 2, 4는 그 형상이 비교적 구형에 가까운 유사한 입자들로 이루어져 있으며, 입자의 종류 외에 입자의 크기와 분산도가 다른 경우이다. 비교예 3과 비교예 6을 비교해보면, 입자의 분산도 외에 크기 자체도 체적 비저항 값에 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 즉, 입자 4는 구리입자의 표면을 은으로 코팅한 소재로서, 실제 비중은 은보다 작아서 같은 중량비 혼합에서 더 많은 부피비로 첨가된다. 따라서, 입자의 직경 및 그 분산도 차이에 의한 비저항의 차이는 뚜렷한 경향을 보여준다 할 것이다. 입자 5는 순수 구리입자로서 실험에 사용한 전 함량에서 비저항을 측정하지 못하였다. 이는 구리계의 단점인 산화피막의 형성 때문으로 구리계의 사용에는 표면 처리가 필수적으로 수반되어야 함을 알 수 있다. 원가 측면에서 은에 비해 다소 전도도는 떨어지지만 이와같은 순수 구리계를 대체하여 니켈 입자를 사용할 수 있다. 이상과 같이 입자 3 내지 5는 이동통신용 단말기에 적용하기 위한 차폐효율을 얻기 위해서는 매우 높은 입자 함량이 필요하게 됨을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 금속입자의 형상 조정 및 함량 조정을 통해 비저항을 10^-2~ 10^-3Ω.cm범위까지 얻을 수 있으며 동일 함량에서 뛰어난 차폐효율을 얻을 수 있다. 이는 입자의 형상은 이방성이 큰 입자가 유리하지만 구형에 가까운 입자라도 직경과 분산성을 제어하면 상업적으로 유용한 차폐효율을 얻을 수 있음을 가리키는 것이다. 따라서, 금속입자의 직경과 분산성을 적정 범위로 제어하고, 부가적으로금속 입자의 이방성을 증가시킴으로써 이동통신용 단말기에 요구되는 높은 전자파 차폐효율, 즉 10^-2Ω.cm 이하의 체적비저항을 얻는 것이 가능함을 알 수 있다.

현장성형에 적합한 도전성 페이스트의 점도조건 확립

현장성형에 적합한 점도조건은 다음의 실험을 통해 확립하였다. 현장성형에 적합한 도전성 페이스트의 점도조건 확립을 위해 우선 실제 디스펜싱 유닛의 도포속도와 핸드폰 사출물의 리브 면에 분사하는 노즐의 직경, 토출 부피유량 등으로부터 정확한 전단속도의 범위를 결정하였다. 도포형 페이스트의 점도 제어를 위해 실제 현장에서 사용되는 전단속도의 범위를 파악하는 것은 매우 중요한 의미를 갖는다. 표 3은 도포기와 실제 현장에서 사용하는 노즐의 직경, 도포기 헤드(head)의 이동속도를 고려하여 계산한 전단속도의 범위를 보여주고 있다.

본 발명에서는 자체 제작한 도포형 분사기를 사용하여 노즐직경과 페이스트의 토출 부피유량에 따른 전단속도를 계산하였고 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

상기 표 3에서 보는 바와 같이, 노즐직경이 증가하면 전단속도는 급격하게감소하고 토출 부피 유량이 증가하면 전단속도는 증가한다. 휴대용 단말기와 같이 소형 및 경량화를 추구하는 정밀통신기기에서 접합부 리브의 두께는 작아질 수밖에 없으며 실제로 0.5mm 내외인 것으로 조사되었다. 또한, 경제성 있는 노즐-부피유량의 관계로부터 도포시 전단속도의 범위가 100에서 300sec^-1범위임을 확인하였다. 그러나, 고함량의 금속입자로 충전된 페이스트계에 있어서 전단속도를 100 sec^-1이상으로 유지하면서 도포하기에는 매우 높은 토출압이 필요하며 페이스트 자체의 유변학적 점도 제어 없이는 상업적으로 불가능하게 된다.

입자 형태 및 전단속도에 따른 점도분포 효과

고함량으로 충진된 서스펜젼계에 있어 입자의 크기나 분산정도에 따라 유변학적 특성이 달라지며 독특한 현상이 나타나게 된다. 금속입자의 종류에 따라 고유 밀도와 겉보기 밀도가 다르며 이에따라 동일 충진 함량에서 입자 종류에 따른 점도분포가 달라지게 된다. 본 발명에서 도입한 금속입자들 중 그 크기나 분산도가 가장 큰 차이를 보여주는 입자 1과 4에 대해 동일한 금속입자 충진함량에서 유변학적 점도분포를 측정하였다. 도 1은 충진 함량이 75 중량% 일 때 입자 종류에 따른 페이스트의 점도 분포를 보여주고 있다. 실험에 사용된 실리콘수지는 신에츠사의 KE441이며 저점도 제품으로서 별도의 유기용매는 첨가하지 않았다. 동일 함량에서 입자 1을 사용한 페이스트와 입자 4를 이용한 페이스트는 전단속도에 따라 점도분포가 반전되는 결과를 보여주며 이는 금속입자의 평균 직경 및 분산도에 기인한다. 상대적으로 평균직경이 작은 입자 1의 경우 높은 전단속도에서 오히려 금속입자의마찰에 의한 저항이 작아져 점도가 낮아지는 결과를 얻었다. 이상에서 도포형으로 사용시 입자의 형상 제어는 매우 중요한 인자가 됨을 알 수 있다.

도포형 페이스트는 기본적으로 고점도계이지만, 실시간 성형을 위해 전단응력이 가해진 경우에는 원활한 유동이 일어나고, 전단응력이 제거된 뒤, 즉, 전자기기에 도입된 이후에는 그 유동성을 잃는 것을 특징으로 한다. 이는 매우 중요한 특성으로 장시간의 경화시간동안 입자의 침전에 의한 불균일 도전성이 발생하면 안되기 때문이다. 또한, 도포용기에 저장기간 또는 사용대기기간에도 금속입자의 침전에 의한 불균일 현상 등이 발생하지 않도록 주의하여야 한다.

본 발명에서는 상기에 명시한 바와 같이 차폐효율을 높일 수 있는 입자의 형태, 크기 및 분산도 개념이 동일하게 점도 분포에 적용될 수 있음을 발견하였다. 도포형 페이스트는 도포 전 밀폐용기 보관시와 도포 후 경화시간까지 금속입자의 침전이 억제되어야 하며 이와 같은 상황의 전단속도는 10^-1sec^-1이하에 해당한다. 즉 전단속도 10^-1sec^-1이하에서는 매우 높은 점도를 유지하여 금속입자의 이동을 막고, 분사가 이루어지는 전단속도 10²sec^-1이상에서는 충분한 저점도를 유지하여 도포형으로 사용할 수 있는 점도분포를 입자의 형태학적 특성으로부터 부여할 수 있음을 본 발명에서 발견하였다.

실험에는 순수 구리계를 제외한 모든 금속입자를 사용하였으며 실리콘 성분으로는 신에츠사의 저점도 실리콘수지(KE441) 그리고 별도의 용매는 추가하지 않았다. 점도 측정방법은 각각의 전단속도를 일정하게 유지하면서 시간에 따른 점도 변화를 관찰하였으며 일정시간의 안정화 시간 이후에 점도 데이터를 취하였다. 특히 고충진 페이스트계에서 발생하는 틱소트로피(thixotropy) 효과를 고려하여 점도가 떨어지기 시작하는 시간까지 측정을 계속하였다. 각 금속입자의 중량부 함량은 80 중량%로 동일하게 조절하였고, 정적 점도계를 사용하여 상온에서 측정하였으며 표 4에 정리하였다.

표 4에서 보는바와 같이 입자의 직경과 그 분포는 페이스트계의 점도분포에 많은 영향을 미친다. 본 발명에서 입도와 분산도가 적정범위로 조절되어 우수한 비저항 특성을 보이는 입자 1과 2의 경우 별도의 용매를 첨가하지 않아도 높은 전단속도 (10²sec^-1이상)에서의 점도가 50 ~ 80 Pa.sec 분포를 보이면서 전단속도가 영에 수렴할 때에는 유동성을 잃는 매우 이상적인 점도분포를 보여줌을 알 수 있다. 이는 입자의 분산도가 큼에 따라 낮은 전단속도에서 상대적으로 높은 점도를, 높은 전단속도에서 입자의 재배열에 의한 낮은 점도를 보이는 것으로 입자 3과 비교하면 명확하게 구분된다. 반면 입자 4에서 보는 바와 같이 입자의 직경이 큰 경우 높은 전단속도에서 높은 점도분포를 보여 페이스트 자체의 비저항이 높을 뿐 아니라 도포형으로 적용하기에도 어려움을 보여준다. 높은 전단속도에서 약간의 점도 차이는 토출압에 많은 영향을 주게 된다. 이상과 같이 입자 1과 입자 2에서는 도포형으로 사용하기에 매우 이상적인 점도분포를 보이며 동시에 매우 낮은 비저항을 보여 도포형 도전성 페이스트로 사용가능하다. 반면 입자 3은 보관 중 침전의 우려가 있고 토출압도 높아져서 원할한 분사가 어려워지게 된다. 입자 4는 입자의 평균직경이 커지고 동일함량에서 입자의 부피가 증가함에 따라 점도분포가 급격하게 상승하여 도포형으로 적용하기 어려운 점도를 보이고 있다.

도전성 페이스트의 도포실험 및 평가

최종적인 도포 현장실험을 위해 실제 사용가능한 수준의 체적비저항 (10^-2Ω.cm 이하)이 얻어지는 입자 1, 2, 4를 사용하여 페이스트를 제조하였다. 각각의 재료구성과 주요 물성들을 측정하여 표 5에 나타내었다. 도포 현장실험은 자제 제작한 고성능 도포기를 사용하였으며 실제 핸드폰 사출물에 적용하여 페이스트의 성능을 비교 평가하였다.

표 5에서 입자 1은 83 중량%, 입자 2는 86 중량%, 입자 4는 90 중량%의 양으로 사용하였다.

도포실험 및 성능평가 방법은 다음과 같다. 사출된 휴대폰 파트의 내벽에 차폐처리된 상태에서 리브에 가스킷을 실작업과 같은 조건으로 도포하였다. 실험에 사용된 휴대폰 단말기의 안쪽 면에 적용되는 차폐방법(metalization 처리된 substrate)은 EMI Paint, 무전해도금 두가지를 사용하였으며 이상의 두종류는 실제 휴대폰에서 가장 많이 적용되는 방식이다. 도포 후에는 실내온도 25 ℃, 습도 80%로 유지되는 양생실(Curring Room)에서 경화반응을 진행시키면서 경화시간에 따른 물성을 측정하였다. 세부 테스트 진행은 도포후 양생실에 입고 후 1시간 경과후부터 일정시간대별로 24시간동안 테스트를 실시하며 항목은 비저항, 밀착력 (metalization 처리된 substrate와의 접착력)이다. 이 외에 도포성능 평가를 위한 점도와 자동도포기에서의 시작점-끝점 상태, 도포후 가스킷 외관 등을 종합적으로 평가하였다.

세부 테스트 결과는 작업성(점도, 외관), 저항, 밀착력의 항으로 구분하여 다음 표 6에 표기하였다.

우선 작업성은 도포기에 장착시 토출 성능을 평가하는 점도와, 시작점-끝점 상태 및 표면 상태를 평가하는 외관 비교로부터 표 6과 같은 결과를 얻었다. 작업성 테스트에서는 계량화한 평가치를 제시 할 수는 없으나 가스킷의 토출 상태와 일정한 모양의 형상화 시의 난이도, 미세한 압력변화에 의한 물결현상의 유무를 관찰하여 상대적으로 평가하였다. 입자 1을 사용한 실시예 4는 용매를 첨가하지 않아도 우수한 점도분포를 보여주었으며 보관시의 점도수준도 높아 입자 침전 등의 현상이 발견되지 않았다. 입자 2를 사용하여 낮은 비저항을 얻기 위해서는 입자 1의 경우보다 높은 금속함량이 필요하므로 약간 높은 점도분포를 보이게 된다. 그러나 도포 작업시 큰 문제는 발생하지 않았으며 실시예 6에서 보는 바와 같이 톨루올과 같은 소량의 용매를 추가하면 매우 우수한 도포특성을 보여준다. 반면 비교예 10에서처럼 지나치게 많은 용매를 추가하면 오히려 점도가 낮아져서 작업성이 떨어지는 결과를 얻었다. 입자 4에서는 매우 높은 입자함량을 사용해야 하므로 용매 첨가량이 증가하였다. 특히 실시예 8에서 보듯이 유기용매의 첨가에 의해 점도 제어 및 비저항 개선 그리고 경화시간 제어가 가능함을 입증하였다.

이상과 같은 실제 도포실험의 작업성평가와 동일 조성의 점도분포 측정에서 유동의 기준이 되는 전단속도 10²sec^-1이상에서 페이스트의 점도분포가 100 Pa.sec 이하일 때 성공적으로 분사가 되며 우수한 외관과 함께 도포형으로 적용할 수 있는 경제성이 있음을 확인하였다. 또한 본 발명에서 도포전 침전의 기준이 되는 전단속도가 10^-1sec^-1인 경우에는 3000 Pa.sec 이상의 점도일 때 보관 중 침전이나 도포 후 경화시간동안의 침전현상을 억제할 수 있음을 확인하였다. 이는 도포형 페이스트의 가장 중요한 특성으로서 제품 적용시 반드시 지켜야 할 점도 범위라 할 수 있다.

외관에 있어서는 본 발명에서 제조한 모든 제품에서 매우 우수한 결과를 얻었으며 이는 앞 절에서 설명한 바와 같이 입자의 상대적인 크기가 작고 분산도의 범위가 큰 입자 형상 미세조절에 기인한다.

저항과 밀착력은 자체 제작한 평가용 지그(JIG)를 이용하여 측정하였으며 양생과정 중 24시간동안 각각의 변화를 추적하여 표 6에 나타내었다. 점도가 3000 Pa/sec 이하인 페이스트에서는 도포 후 양생과정 중 시간에 따라 저항이 증가하는 현상으로부터 입자 침전을 확인할 수 있었으며 기준 점도 이상에서는 일정한 저항이 유지되었다. 또한 본 발명에서 선정된 입자와 실리콘 수지계에서는 별도의 처리가 없어도 우수한 밀착력과 경도 수준을 보여주었으며 적절한 입자의 선정과 우수한 분산성에 기인한 것으로 판단된다.

결론적으로, 이상과 같이 입자의 형태학적 구조 제어와 함께 유기화합물을 이용한 입자의 표면 제어기술을 통하여 도포형 페이스트로 적용가능한 점도분포를달성할 수 있었다. 본 발명에서 도포형 페이스트를 위한 점도분포는 전단속도 10^-1sec^-1이하에서는 3000 Pa.s 이상의 점도를, 전단속도 10²sec^-1이상에서는 100 Pa.s 이하의 점도를 갖는 페이스트계를 제공한다.

이상의 내용을 종합하면, 도포형으로 사용되는 도전성 페이스트 조성물의 경우 종래의 기술이 실리콘이나 에폭시계 조성물을 원하는 형상으로 성형하기 위해 경화제 및 촉매 등을 혼합하여 경화시킨 후 제품에 도입하는 단계로 되어 있으나 본 발명은 복잡한 형상의 전자기기 접합부에 도입할 수 있는 방법으로서 첫째 전자기기의 조립과 동시에 실시간 성형으로 작업이 가능하도록 일정수준의 점도분포를 가지며, 둘째, 전자파 차폐 효율을 높이기 위해 고순도의 미세금속입자를 도입하였고, 셋째 현장성형 방식으로 직접 도입하기 위해 일액형의 상온 경화형 도포형 조성물을 적용한다. 이상과 같은 도전성 페이스트를 리브형상의 접합부에 디스펜싱 노즐을 이용하여 미세 분사하고 상온 경화 후 조립함으로써 접합부 이음새의 차폐효율을 완벽하게 보장하는 새로운 방법이 가능하게 되었다.

본 발명에 따라 이동통신용 단말기와 같은 고정밀, 경량 전자기기의 전자파 차폐를 위한 현장성형 적용 방식에 적당한 도전성 실리콘 페이스트의 점도범위가 제시된다. 아울러, 금속입자의 크기와 분산도, 형상비 (이방성) 등의 형상이 적정범위로 조절된 금속입자와 상온경화형 실리콘 수지를 주성분으로 하는 도전성 실리콘 페이스트는 동일 금속성분 함량 대비 증대된 전자파 차폐효율을 나타낼 뿐만 아니라, 고정밀 전자기기, 특히 이동통신용 단말기에 직접적으로 현장 적용하는데 적합한 상기 점도분포를 가지므로, 현장성형 방식으로 사용될 수 있다.

Claims

전단속도 10^-1sec^-1이하에서 점도 3000 Pa.s 이상, 10²sec^-1이상의 전단속도에서 점도 100 Pa.s 이하의 점도분포를 갖도록 조정되고, 체적비저항이 10^-2Ω.cm 이하인 도포형 실리콘 페이스트를 이용하여 현장성형 방식으로 이동통신용 단말기의 전자파 차단 공정을 수행하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 도포형 실리콘 페이스트가 수평균 직경 7 μm 이하, 수평균 분산도 (개수기준 누적퍼센트의 90% / 10%) 4 이상, 형상비 1이상으로 조절된 전도성 금속입자 80 중량% 이상과 상온경화형 실리콘 성분 20 중량% 이하를 함유하는 것이 특징인 방법.
제 2항에 있어서, 상기 전도성 금속입자가 은, 은으로 코팅된 구리, 니켈, 은으로 코팅된 니켈 및 이들의 혼합물 중에서 선택된 것인 방법.
제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 도포형 실리콘 페이스트에 유기용매를 첨가하여 사용하는 것이 특징인 방법.
제 4항에 있어서, 상기 유기용매가 톨루올(toluol) 또는 자일롤(xyrol)인 방법.