KR100598679B1 - 압력 감응 전도성 필름 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평상시 절연막으로 기능하다 일정 이상의 압력이나 충격이 가해질 경우 전도성막으로 바뀌어 통전 기능을 하게 되는 압력 감응 전도성 접착필름(pressure-sensitive conductive film, PSCF) 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서는, 전도성 필름 또는 시트로 형성된 도전층과; 도전층 위에 형성되고 제품에 부착되는 면을 이루는 절연층을 포함하며, 제품에 부착되어 주어진 통전압력조건 이하의 압력에서는 절연막으로 기능하고 통전압력조건 이상의 압력이 가해지면 상기 절연층이 붕괴되어 제품과 도전층 사이에 통전 접점이 형성되어 통전기능을 하게 되는 압력 감응 전도성 필름이 제공된다. 본 발명의 PSCF는, 용도에 따라 손쉽게 통전압력조건의 제어가 가능하고, "절연성-전도성"의 특성변화가 요구되는 모든 분야에서 사용이 가능하며, 특히 특정 압력에 대한 센서로서 사용될 수 있을 뿐 아니라, 파괴로부터 보호되어야 하는 정밀기기나 장치, 전자제품이나 기기의 내장 또는 외장의 일부로 사용되어 내부 전류 축적을 방지함으로써 완전한 기기의 손상이나 인명사고를 방지하는 용도로 사용될 수 있다.

접착, 필름, 도전성, 전도성, 절연, 압력, 충격, 입자

Description

압력 감응 전도성 필름 및 그 제조방법 {Pressure-sensitive conductive film and method of preparing it}

도 1a는 절연층 내에 절연입자와 도전입자가 분산되어 있는 압력 감응 전도성 필름의 일 실시예를 나타낸 것이며, 도 1b는 주어진 통전압력 이상의 압력이 가해져 절연입자가 붕괴되어 통전이 되는 상태를 나타낸 것이다.

도 2는 절연층 내에 도전입자나 절연입자가 포함되어 있지 않은 PSCF의 일 실시예를 나타낸 것이며,

도 3은 절연층 내에 도전입자만 분산되어 있는 PSCF의 일 실시예를 나타낸 것이다.

도 4a는 절연층 내에 절연입자 없이 도전입자만 포함하며, 절연층과 도전층 사이에 제2절연층을 더 포함하는 PSCF의 일 실시예를 나타낸 것이며, 도 4b는 제2절연층에 도전입자가 파고들어가 통전이 되는 상태를 나타낸 것이다.

도 5a는 절연층 내에 도전입자 없이 절연입자만 포함되어 있는 PSCF의 일 실시예이며, 도 5b는 도전입자를 함유하지 않는 PSCF가 면을 따라 불균일한 힘을 받아 통전점을 형성하는 상태를 나타낸 것이며, 도 5c는 도전층을 이루는 전도성 필름이나 시트에 돌기(엠보싱)가 형성되어 있는 일 실시예를 나타낸 것이다.

도 6a는 절연층 내에 절연도전입자가 포함되어 있는 PSCF의 일 실시예를 나 타낸 것이며, 도 6b는 절연도전입자의 절연코팅층(13a)이 붕괴되어 통전이 되는 상태를 나타낸 것이다.

도 7은 절연층 내에 절연도전포집체가 포함되어 있는 PSCF의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 절연층 11 : 절연입자

12 : 도전입자 13 : 절연도전입자

14 : 절연도전포집체 20: 도전층

30 : 제2절연층 50 : 제품의 도전성 기재

본 발명은 평상시 절연막으로 기능하다 일정 이상의 압력이나 충격이 가해질 경우 전도성막으로 바뀌어 통전 기능을 하게 되는 압력 감응 전도성 필름 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전도성 필름으로는, 종래에 일반 접착제 조성물에 금속 분말이나 기타 전도성 물질 입자를 분산한 후 기재 위에 코팅하여 제조한 일반 전도성 필름과, 평판디 스플레이나 반도체칩을 실장하는데 사용하는 이방성 전도성 필름(ACF)이 있다. 일반 전도성 필름은 제품에 부착되어 전도성을 나타내는 접착필름으로, 예를 들어 제품의 표면에 생성되는 정전기를 분산시키거나 제품 표면에 흐르는 전기를 외부로 통전시키기 위해 사용된다. 이러한 전도성 필름은 그 자체가 처음부터 전도성을 갖는 것으로, 충격과 같은 특정한 압력에 의해 절연막이 전도성막으로 전환되는 기능을 갖는 것은 아니다.

이방성 전도성 필름은 평판디스플레이 패널 제조시 TCP 단자와 유리기판의 투명전극간 접속과, 구동 I/C와 FPC 단자간의 접속, 구동 I/C와 투명전극간의 접속 등에 널리 사용되는 전자제품 패키징용 소재로, 이방성 전기적 접속이 요구되는 부품간의 전극 배열 사이에 삽입한 후 열과 압력을 가함으로써 상하 전극간 영구적 접속을 형성하게 된다.

또, 접착필름의 형태는 아니지만 압력에 감응하는 도전성 필름으로, 압력감응 입력패널, 스위치, 센서 등에 사용되는 압력감응 도전막이 있다. 이러한 감압 도전막은 가해지는 압력에 따라 저항이 달라져 그에 따라 전도도가 변하는 것을 주요 특성으로 한다. 감압 도전막은 전도성을 지닌 상하 2장의 기판 사이에 비어있는 층, 또는 고분자 수지로 채워진 막의 매트릭스 내에 압력에 따라 저항치가 변하는 입자를 분산시킨 형태를 갖는 것이 전형적이다. 도전성 고무 매트릭스에 도전 필러(filler)를 분산시켜 제조하는 것이 대표적이며, 감압 도전성 고무층 위에 절연필름을 피복한 것이 있고, 도전성 금속섬유를 고무 시트의 두께 방향으로 배열한 것도 있다. 최근에는 압력을 가했을 때 저항이 현저히 낮아지는 고분자 미립자를 사용하는 기술도 소개되고 있다.

그러나, 제품에 부착되어 평상시 절연막의 기능을 하다 일정 이상의 압력이 가해질 경우에는 통전이 되는 소위 "압력감응 전도성 필름"은 아직 보고되어 있지 않다.

본 발명에서는, 전자 및 전기제품, 부품, 자동차, 기계 등의 외장 또는 내장용으로 제품에 부착되어 평상시에는 절연막으로 기능하고 일정 이상의 압력이나 충격이 가해질 경우에는 전도성막으로 바뀌어 통전 기능을 하게 되는 압력 감응 전도성 필름을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명에서는 압력 감응 전도성 필름의 절연층을 구성하는 물질의 종류와 강도, 크기 등과 같은 물리적 특성을 제어함으로써 손쉽게 통전압력 조건의 조절이 가능한 PSCF를 제공하고자 한다.

본 발명에서 제공하고자 하는 압력 감응 전도성 접착필름은 제품에 접착 후 바로 전도성을 나타내는 일반 전도성 필름과 달리 제품의 특성에 따라 주어진 kg/㎠로부터 수백 kg/㎠까지의 통전압력을 경계로 절연성막이 전도성막으로 전환되게 되므로, 외부 충격에 의한 제품 내부의 합선을 방지할 수 있고 전류를 원하는 방향으로 접지, 확산시켜 제품의 손상을 방지하게 되며 경우에 따라서는 폭발과 화재를 미리 감지하고 예방하는 역할을 하게 된다.

본 발명에서는,

전도성 필름 또는 시트로 형성된 도전층과; 도전층 위에 형성되고 제품에 부착되는 면을 이루는 절연층을 포함하며, 제품에 부착되어 주어진 통전압력조건 이하의 압력에서는 절연막으로 기능하고 통전압력조건 이상의 압력이 가해지면 상기 절연층이 붕괴되어 제품과 도전층 사이에 통전 접점이 형성되어 통전기능을 하게 되는 압력 감응 전도성 필름이 제공된다.

상기 도전층은, 구리, 알루미늄, 은, 금과 같은 금속시트 또는 필름으로 형성될 수 있으며, 경우에 따라서는 플라스틱 필름과 같은 부도체 필름이나 시트에 금속이나 인듐틴옥사이드(ITO)와 같은 무기 도전성 물질 등의 전도성 물질을 침적(deposit) 또는 코팅 등의 방법으로 처리하여 표면 전도성을 갖게 한 재료로 형성될 수 있다. 또, 이밖에 전도성 고분자나 전도성 세라믹 또는 상기 재료들을 혼합한 복합재료가 사용될 수도 있다. 도전층의 두께는 특별히 정해진 것은 아니며 용도에 따라 수 ㎛에서 수 ㎝까지 적당히 선택할 수 있으나, 일반적으로는 두께 1 ㎛에서 3 cm 정도의 단층 또는 다층구조로 형성될 수 있다. 도전층의 표면은 매끄러울 수도 있으나 용도에 따라서 의도적으로 돌출부를 갖도록 형성할 수도 있고, 경우에 따라서는 미세한 굴곡 패턴이 있는 것이 더 좋을 수도 있다.

상기 절연층은 바람직하게는 접착성 내지 점착성을 갖는 고분자 수지로 이루어진 단층 또는 다층 매트릭스 구조를 갖는다. 이때 절연층의 매트릭스를 이루는 접착성 또는 점착성 물질로는, 예를 들어 아크릴 수지; 에폭시 수지; 염화비닐 수 지; 페놀수지; 천연고무; 합성고무; 폴리올레핀 등 상온이나 특정한 온도에서 접착력 또는 점착력을 갖는 고분자 물질과 이들의 혼합물질 등이 사용될 수 있다. 그러나 절연층을 이루는 접착성 또는 점착성 물질이 고분자 수지에 한정되는 것은 아니며, 저분자 물질이라도 접착 또는 점착 특성을 갖는 것이라면 사용될 수 있다. 또, 절연층의 매트릭스를 이루는 물질은 반드시 접착 특성이 있어야만 하는 것은 아니고, 경우에 따라서는 접착력을 지니지 않은 수지가 더 적합할 수도 있다. 절연층의 두께는 충분한 접착력과 절연성을 유지하는 정도면 족하며, 수 ㎛ 에서 수십 mm 까지 용도에 따라 최적의 두께를 정할 수 있으나, 일반적으로는 1 ㎛에서 10 mm 정도가 적당하다.

본 명세서에서는, 평상시 절연막으로 기능하다 일정 이상의 압력이나 충격이 가해질 경우 전도성막으로 바뀌는 접착성 필름을 "압력 감응 전도성 필름(pressure-sensitive conductive film)"이라 칭하며 이하 "PSCF"로 나타낸다. 또, 충격에 의해 전도성을 갖는다는 의미로 충격 감응 전도성 필름(impact-sensitive conductive film, 이하 "ISCF")이라는 용어가 사용될 수도 있으나, 특별히 한정하지 않는 한 "압력 감응 전도성 필름"은 충격 감응 전도성 필름을 포함하는 의미를 갖는다.

본 발명의 압력 감응 전도성 필름은, 압력 감응성을 높이기 위해 바람직하게는 상기 절연층에, 절연입자; 도전입자; 도전입자의 표면을 절연성 수지로 코팅한 절연도전입자; 2 이상의 도전입자를 절연성 수지 매트릭스 내에 포집시킨 절연도전포집체 중 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명에서 "절연입자"는 구형, 무정형, 섬유상, 판상 등 형태에 관계없이 절연층 내에 포함될 수 있는, 전도성이 없는 입자상 물질을 의미한다. 상기 절연층에 포함되는 절연입자는, 일정 압력이 가해지기 전까지 형태의 변화나 붕괴가 없는 것이 좋으며, 구형(globe)이 바람직하나 반드시 구형일 필요는 없다. 절연입자로는 폴리스티렌; 폴리에틸렌; 폴리프로필렌과 같은 미가교 폴리올레핀 미립자, 폴리(디아크릴레이트)나 폴리(디비닐벤젠)과 같이 가교된 폴리올레핀 미립자, 멜라민 수지 입자나 가교된 에폭시 입자와 같은 열경화성 수지 미립자, 폴리이미드; 폴리에스테르와 같은 고강도의 축중합 고분자 미립자 등이 모두 가능하고, 나아가 실리카나 질코니아와 같은 세라믹입자도 용도에 따라 사용될 수 있으며, 이들 재료를 혼합한 복합재료입자도 사용가능하다. 또, 이들 입자들을 2종 이상 혼합 사용할 수도 있다. 절연입자의 크기는 절연층의 두께에 따라 달라질 수 있으며, 원하는 절연층의 두께 보다 작은 것이 접착력의 발현을 위해 바람직하다. 절연입자는 반드시 단분산일 필요는 없고 직경이나 크기가 다양하여도 좋으며, 구형, 무정형, 섬유상, 판상 등 다양한 형태의 입자가 모두 가능하다. 절연입자는 절연층 내에 분산이 잘 되는 것이 바람직하며, 만일 1차 입자끼리 뭉쳐 2차 입자를 형성하게 되는 경우라도 2차 또는 3차 입자의 크기가 절연접착층의 두께 보다는 작은 것이 바람직하다.

본 발명에서 "도전입자"는 구형, 무정형, 섬유상, 침상, 판상 등 형태에 관 계없이 절연층 내에 포함될 수 있는 전도성이 있는 입자상 물질을 의미한다. 상기 절연층에 포함되는 도전입자로는, 니켈, 구리, 은, 금 등의 금속입자가 기본적으로 사용될 수 있으며, 절연성 입자에 금속 코팅된 입자, 전도성 고분자 입자, 전도성 무기입자, 탄소입자, 침상 금속, 전도성 물질로 코팅된 섬유상 물질, 압력이 가해질 때만 전도성을 갖는 폴리(프탈라이드)와 같은 압전성 입자 등이 단독으로 또는 2종 이상 혼합 사용될 수 있다. 입자의 형태는 구형이 좋으나 반드시 구형일 필요는 없으며 무정형, 침상, 섬유상, 판상 등 다양한 형태의 입자가 사용 가능하다. 입자의 크기는 절연층의 두께보다 작아야 하며, 절연입자와 함께 사용될 경우 일반적으로 절연입자에 비해 작아야 한다. 그러나 압력이 가해질 때만 전도성을 갖는 폴리(프탈라이드)와 같은 압전성 입자의 경우에는 절연층의 두께와 같은 크기거나 오히려 더 커도 사용이 가능하다.

본 발명에서 "절연도전입자"는 도전입자의 표면을 절연성 물질로 코팅한 것으로, 특정 압력 이하에서는 전도성이 없다가 특정 압력 이상이 되면 절연성 코팅층이 깨져 전도성을 나타내게 되는 입자상 물질을 의미한다. 즉, 본 발명의 절연층에 포함되는 절연도전입자는, 소위 도전볼(conductive ball)로 불리는 것과 같은 개념이다. 여기서 표면이 코팅처리되는 도전입자는 상기한 도전입자와 같은 개념이며, 코팅에 사용되는 절연물질은 반드시 고분자 수지일 필요는 없고 평상시에는 절연이 유지되고 정해진 일정 이상의 압력이 가해질 때 박리가 일어나 금속표면으로부터 제거될 수 있으면 된다. 도전입자를 둘러싼 절연코팅층의 두께는 용도에 따라 수 nm 에서 수백 ㎛ 이상이며, 절연코팅층의 소재 종류와 물성은 용도에 맞추 어 선택할 수 있다.

본 발명에서 "절연도전포집체"는 2 이상의 도전입자를 절연성 수지 매트릭스 내에 포집시킨 것으로, 특정 압력 이하에서는 전도성이 없다가 특정 압력 이상이 되면 절연성 수지 매트릭스가 깨져 전도성을 나타내게 되는 입자단위 물질을 의미한다. 여기서 포집되는 도전입자는 상기한 도전입자와 같은 개념이며, 절연성 수지 매트릭스는 반드시 고분자 수지일 필요는 없으며 평상시에는 절연이 유지되고 정해진 일정 이상의 압력이 가해질 때 붕괴되어 내부의 도전입자가 노출될 수 있으면 된다.

이밖에도, 상기 절연층에는 물성조절을 위하여 각종 첨가제가 부가될 수 있다. 예를 들어, 내후성 개질을 위한 접착력을 증가시키기 위한 접착보조제, 산화방지제, 흐름성을 조절하기 위한 고분자 수지, 가교제, 입자의 분산성을 제고하기 위한 커플링제, 분산제, 레올로지 개량제, 증점제, 색소 등이 필요에 따라 첨가될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 상기 절연층에 절연입자와 도전입자를 함께 포함하는 압력 감응 전도성 필름이 제공된다. 이때 도전입자는 절연입자 보다 크기가 작은 것이 바람직하나, 도전입자가 압력이 가해질 때만 전도성을 갖는 폴리(프탈라이드)와 같은 압전성 도전입자인 경우에는 절연입자와 같은 크기이거나 더 커도 괜찮다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 절연층에 도전입자를 포함하는 압력 감응 전도성 필름이 제공된다. 이때 더욱 바람직하게는 도전층과 절연층 사이에, 절연성 필름 또는 시트로 형성된 제2절연층을 더 포함시킬 수 있다. 제2절연층이 포함된 경우 PSCF에 압력이 가해지면 도전성 입자가 제2절연층을 파고 들어가 전도성 필름과 접촉함으로써 통전이 이루어지게 된다. 이 경우 제2절연층을 형성하는 절연성 필름 또는 시트의 두께와 재료를 선택·조절함으로써 원하는 통전압력에 적합한 PSCF를 만들 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 절연층에 절연입자를 포함하는 압력 감응 전도성 필름이 제공된다. 이때 더욱 바람직하게는 상기 도전층은, 절연층과 접하는 표면에 돌출부가 형성된다. 도전층에 돌출부가 형성된 경우, 외부에서 압력이 주어질 때 보다 용이하게 통전 접점을 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 절연층에 절연도전입자를 포함하는 압력 감응 전도성 필름이 제공된다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 절연층에 절연도전포집체를 포함하는 압력 감응 전도성 필름이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 교대로 층을 형성하는 복수의 도전층과 복수의 절연층을 포함하는 압력 감응 전도성 필름이 제공된다. 즉, 상기와 같은 "도전층-절연층" 단위를 2 이상 포함하는 다층구조로 PSCF를 만들 수도 있다. 이러한 다층구조의 PSCF에 포함되는 각각의 절연층과 각각의 도전층은 서로 동일한 형태이거나 다른 형태일 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 절연층은 절연입자만 포함하는 형 태로 만들고, 두번째 절연층은 도전입자만 포함하거나 또는 절연입자와 도전입자를 함께 포함하는 등의 다양한 형태로 만들 수 있다. 이러한 다층구조를 통해 PSCF에 다양한 기능성을 부여할 수 있다.

또 본 발명에서는, 본 발명의 압력 감응 전도성 필름이 부착된 부품 또는 제품프레임이 제공된다. 본 발명의 압력 감응 전도성 필름은 제품의 전도성 기재에 부착되어 특정 이상의 압력에 의한 통전특성을 나타내게 된다. 부착 가능한 제품으로는, 전자 및 전기제품, 자동차, 기계, 이들의 부품 등 다양한 분야의 완제품과 부품이 모두 포함되며, 특히 핸드폰과 배터리가 포함된다.

본 발명의 PSCF는 평상시 전기를 통하지 않는 절연성막으로 기능하다 제품에 일정 이상의 충격이 가해지는 경우 제품의 내부 합선을 방지하고 전류를 원하는 방향으로 접지, 확산시킴으로써 제품의 손상 등을 방지하기 위한 것이므로, 본 발명의 PSCF가 전도성막으로 바뀌게 되는 통전압력조건은 통상 제품 내부에 합선 또는 손상이 생길 정도의 압력조건이 된다. 제품 내부에 합선 또는 손상이 생길 정도의 압력이란 제품에 따라 다르므로, 본 발명의 PSCF 또한 적용될 제품에 따라 다양한 통전압력조건을 갖게 된다.

본 발명의 압력 감응 전도성 필름은,

(a) 전도성 필름 또는 시트로 도전층을 형성하는 단계,

(b) 절연입자; 도전입자; 절연도전입자; 절연도전포집체 중 1종 또는 2종 이상을 접착성 또는 점착성을 나타내는 절연성 수지와 함께 용매상에서 균일하게 혼합하는 단계,

(c) (a)에서 준비된 도전층 위에, (b)의 혼합물을 일정한 두께로 도포하고 건조시키는 단계를 거쳐 제조될 수 있다.

이때 절연층을 구성하는 물질, 특히 절연입자의 종류와 강도, 크기 등 물리적 특성을 제어함으로써 주어진 통전압력 조건에 적합한 PSCF를 제조할 수 있다. 또, (b)의 혼합단계에 물성조절을 위한 각종 첨가제를 부가할 수 있으며, 통상 바코터나 콤마코터 등을 사용하여 도전층에 일정한 두께로 균일하게 도포할 수 있다. 제조시 가장 중요한 사항은 입자의 고른 분산인데, 절연층 내부에 입자가 고르게 분산되지 않으면 물성이 저하될 뿐만 아니라 원하는 압력에서 통전이 이루어지지 않는 경우가 생길 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 PSCF의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 또, 본 발명의 이해를 쉽게 하기 위해서 첨부도면의 참조부호를 괄호안에 넣어 표기하였으나 그것에 의해 본 발명이 도시한 형태로 한정되는 것은 아니다.

도 1a는 본 발명에 따른 압력 감응 전도성 필름의 일 실시예를 나타낸 것이다. PSCF는 절연층(10)과 도전층(20)으로 이루어지고, 도전층(20)은 압력감응 구리나 알루미늄 같은 전도성 필름으로 형성되며, 절연층(10)은 접착성 고분자수지의 매트릭스로 이루어지고 층 내에는 절연입자(11)와 도전입자(12)가 분산되어 있다. 절연층의 총 중량 대비 절연입자의 중량은 0∼99 wt% 사이에서 접착 특성이 유지되는 한 가능하다. 그러나, 아크릴 수지류와 같은 일반적인 접착제를 사용할 경우에는 0∼50 wt% 정도가 바람직하다. 만일 절연입자의 양이 50 wt% 이상이 되면 PSCF의 접착특성이 나빠진다. 또, 첨가되는 절연입자의 양은 어느 압력까지 절연이 유지되어야 하는가에 따라 크게 달라지게 된다. 예를 들어, 매우 낮은 압력만 가하여져도 통전이 이루어져야 한다면 절연입자의 양은 수 wt% 이하로도 충분하며, 경우에 따라서는 도 2나 도 3과 같이 절연입자 없이 절연층을 이루는 접착성 고분자수지 매트릭스 자체만으로도 어느 정도 압력까지는 절연이 유지되어 PSCF의 기능을 나타낼 수 있다. 절연층(10)에 포함된 도전입자(12)는 절연입자(11)가 붕괴되며 통전이 이루어질 때 통전점으로 작용하게 된다. 도 1b는 기재에 부착된 PSCF에 주어진 통전압력 이상의 압력 또는 충격이 가해져 절연입자가 붕괴되고(11'), PSCF와 기재 간에 도전입자(12)를 통해 통전이 이루어지는 상태를 나타낸 것이다. 절연층에 포함되는 도전입자(12)의 종류와 양은 통전압력 및 통전시 저항 등 PSCF의 요구물성에 따라 달라지게 된다. 일반적으로 도전입자의 함량은 절연입자에 비해 소량으로 충분하여 체적 대비 절연입자의 30% 이하가 바람직하다. 도전입자의 양이 너무 많으면 압력에 대한 민감도가 떨어지게 되고, PSCF의 제조과정에서 도전입자 간의 응집이 일어날 경우 불량의 주요 원인이 될 수 있다. 즉, 제조과정에서 상호 응집된 도전입자가 통전점을 형성하여 특정 압력에 도달하지 않았는데도 전도성을 나타내어 일반 전도성 필름과 같은 기능을 하게 될 우려가 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 압력 감응 전도성 필름의 또 다른 실시예로, 도 2의 PSCF는 절연층(10) 내에 도전입자나 절연입자 어느 것도 포함하지 않으며, 도 3의 PSCF는 절연층(10) 내에 절연층 보다 작은 크기의 도전입자(12)만 분산되어 있다. 이렇게 절연입자 없이 고분자수지 매트릭스 또는 여기에 도전입자만을 분산시켜 절연층을 형성할 수도 있는데, 이 경우에도 고분자수지 매트릭스에 의해 어느 정도의 압력까지는 절연이 유지되어 PSCF의 기능을 나타낼 수 있다. 이러한 형태의 PSCF는 주어진 통전압력조건이 비교적 낮은 경우에 사용하는 것이 바람직하다.

도 4a는 절연층(10) 내에 도전입자(12)를 포함하며, 절연층(10)과 도전층(20) 사이에 절연성 필름 또는 시트로 형성된 제2절연층(30)을 더 포함하는 PSCF의 일 실시예를 나타낸 것으로, 제품의 도전성기재(50)에 부착되어 있는 상태를 나타낸 것이다. 주어진 통전압력조건 이상의 압력이 가해지면, 도 4b와 같이 도전입자(12)가 제2절연층(30)을 파고 들어가 도전층과 접촉함으로써 제품내에서 발생한 전류가 도전층(20)을 통해 도시된 바와 같이 외부로 통전되게 된다. 이러한 형태의 PSCF는 원하는 통전압력조건에 따라 제2절연층을 형성하는 절연성 필름 또는 시트의 두께와 재료를 선택·조절하게 된다.

도 5a는 반대로 절연층(10) 내에 도전입자 없이 절연입자(11)만 포함되어 있는 PSCF의 일 실시예이다. PSCF 필름에 압력이나 충격이 가해질 때, 미세적 관점에서 전체 면을 따라 일정하게 힘을 받는 것이 아니라 면을 따라 불균일한 힘을 받게 되는 경우가 대부분이다. 이러한 경우 절연층에 도전입자가 포함되어 있지 않더라도 PSCF의 도전층(20)과 제품의 전도성기재(50)가 접촉하여 통전점을 형성할 기회는 충분하다. 도 5b는 도 5a의 PSCF가 면을 따라 불균일한 힘을 받아 통전점(40)을 형성하는 것을 나타낸 것이다. 물론 압력이 PSCF 전체 표면을 따라 비교적 일정하게 가해질 가능성이 큰 경우라면 통전점 형성을 위해 도전입자가 절연층 내에 포함되는 것이 바람직하다. 그러나 별도로 도전입자를 절연층에 포함시키지 않더라도, 원하는 압력에서의 용이하게 통전점이 형성되도록 하기 위해 도 5c와 같이 도전층(20)을 이루는 전도성 필름이나 시트에 돌기(엠보싱)(21)를 형성시키거나 표면이 거친 필름을 사용할 수 있다. 이렇게 절연층에 돌기(21)가 형성되어 있는 경우에는, 압력이 PSCF 전체 표면을 따라 비교적 균일하게 가해지는 경우라 해도 절연입자가 붕괴되면서 절연층(20)에 형성된 돌출부위(21)가 제품의 도전성기재(50)에 접촉하여 도전입자 없이도 쉽게 통전점이 형성될 수 있다.

도 6a는 절연층(10) 내에, 도전입자의 표면을 절연성 수지로 코팅한 절연도전입자(13)가 포함되어 있는 PSCF의 일 실시예를 나타낸 것이다. 절연도전입자(13)는 절연입자와 도전입자를 함께 사용하는 것과 같은 효과를 줄 수 있으며, 도전입자(12)를 둘러싸는 절연코팅층(13a)의 종류와 두께를 선택·조절함으로써 주어진 통전압력조건에 적합한 PSCF를 제조할 수 있다. 도 6b는 주어진 통전압력조건 이상의 압력이 가해졌을 때 절연도전입자(13)의 절연코팅층(13a)이 붕괴되어 통전이 되는 상태를 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명의 PSCF의 또 다른 실시예로, 절연층(10)에 2개 이상의 도전입자를 절연성 수지 매트릭스(14a) 내에 함께 포집시킨 절연도전포집체(14)가 포함된다. 본 형태의 PSCF는 통전압력조건 이상의 압력이 가해졌을 때 도전입자(12) 주위의 절연성 수지 매트릭스(14a)가 붕괴되면서 통전이 이루어지게 되는데, 도전입자의 응집에 따른 불량률을 줄일 수 있는 형태이다.

이하 실시예와 시험예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

실시예 1

PSCF 제조

고형분 함량이 40%이고 용매가 에틸아세테이트인 아크릴-EVA 접착제 조성물에, 접착제 고향분 함량 대비 10 wt%의 멜라민수지 입자(평균입경 8 ㎛)를 첨가한 후 호모지나이저(homogenizer)를 사용하여 혼합물을 약 2분간 강하게 교반하였다. 얻어진 혼합물을 바코터(#12, 두께 27.4 ㎛)를 사용하여, 두께 18 ㎛인 A4 용지 크기의 동박 위에 코팅한 후 상온에서 3시간 방치하여 용매를 증발시킨 다음, 온도 70 ℃의 오븐에서 30분간 더 건조시켰다. 최종적인 접착층의 두께는 12 ㎛였으며, 확인 결과 동박, 유리 등에 우수한 접착력과 절연성을 나타내었다.

실시예 2

PSCF 제조

절연입자로 멜라민수지 입자 대신 질코니아 입자(2차 입자 평균 크기 7 ㎛)를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 PSCF를 제조하였다. 확인 결과, 제조된 PSCF는 우수한 절연성 및 접착성을 나타냈다.

실시예 3

PSCF 제조

절연입자로 멜라민수지 입자 대신 평균입경 10 ㎛인 폴리이미드 입자를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 PSCF를 제조하였다. 확인 결과, 제조된 PSCF는 우수한 절연성 및 접착성을 나타냈다.

실시예 4

PSCF 제조

절연입자로 멜라민수지 입자 대신 직경 15 ㎛ 크기의 실리카 입자를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 PSCF를 제조하였다. 확인 결과, 제조된 PSCF는 우수한 절연성 및 접착성을 나타냈다.

실시예 5

PSCF 제조

절연입자로 멜라민수지 입자 대신 직경 5 ㎛ 크기의 폴리(부탄디올디아크릴레이트) 입자를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 PSCF를 제조하였다. 확인 결과, 제조된 PSCF는 우수한 절연성 및 접착성을 나타냈다.

실시예 6

PSCF 제조

실시예 1과 동일하게 하고, 여기에 도전입자로 카본 파우더(평균 입경 40 nm)를 절연접착제 고형분 대비 5%로 더 첨가하여 PSCF를 제조하였다. 확인 결과, 제조된 PSCF는 양호한 접착성과 절연성을 나타냈다.

실시예 7

PSCF 제조

폴리(MMA-부틸아크릴레이트) 공중합체로 두께 450 nm로 절연코팅된 직경 5-10 ㎛의 구형 니켈볼을, 고형분 함량이 40%이고 용매가 에틸아세테이트인 아크릴-EVA 접착제 조성물에, 접착제 고형분 함량 대비 20 wt%로 첨가한 후 호모지나이저(homogenizer)를 사용하여 혼합물을 약 2분간 강하게 교반하였다. 얻어진 혼합물을 바코터(#12, 두께 27.4 ㎛)를 사용하여, 두께 18 ㎛인 A4 용지 크기의 동박 위에 코팅한 후 상온에서 3시간 방치하여 용매를 증발시킨 다음, 온도 70 ℃의 오븐에서 30분간 더 건조시켰다. 최종적인 접착층의 두께는 12 ㎛였으며, 확인 결과 동박, 유리 등에 우수한 접착력과 절연성을 나타내었다.

실시예 8

PSCF 제조

두께 18 ㎛ A4 용지 크기의 동박 위에 5 ㎛의 접착제를 도포한 후 두께 15 ㎛인 폴리이미드 필름을 부착하였다. 고형분 함량이 40%이고 용매가 에틸아세테이트인 아크릴-EVA 접착제 조성물에, 평균 입경 5∼10 ㎛인 구형의 니켈 파우더를 접착제 고형분의 20wt% 첨가한 후 호모지나이저(homogenizer)를 사용하여 혼합물을 약 2분간 강하게 교반하였다. 얻어진 혼합물을 바코터(#12, 두께 27.4 ㎛)를 사용하여, 기제조된 2층 필름 위에 코팅한 후 상온에서 3시간 방치하여 용매를 증발시킨 다음, 온도 70 ℃의 오븐에서 30분간 더 건조시켰다. 최종적인 접착층의 두께는 12 ㎛였으며, 확인 결과 동박, 유리 등에 양호한 접착력과 절연성을 나타내었다.

시험예 1

측정시편은, 실시예 1 내지 8에서 제조된 PSCF를 3 cm x 3 cm 의 사각형으로 자르고 각 변으로부터 5mm의 두께로 절연성 테이프로 처리한 다음, 같은 크기의 동박을 겹쳐 접착시켜 제조하였다. 이렇게 제조된 시편은 말단부위가 절연성 테이프로 단절되어 있어 외부 압력이 주어지지 않는 한 절연이 유지되었다.

시편의 측정에 사용된 측정기구는 고강도의 탄소강으로 제조하였으며, 시료의 면과 접촉하는 부위는 가능한 매끄럽게 연마하여 표면을 평편하게 하였다. 절연-통전실험은 측정기구를 프레스에 장착하고 시료를 놓고 압력을 가하면서 통전이 되는 순간의 압력을 측정하였다. 압력은 10초당 10kgf/㎠의 속도로 서서히 올리고, 통전은 저항이 100Ω 이하로 떨어질 때를 기준으로 하였으며, 저항이 100 Ω에 도달한 순간의 압력을 통전압력으로 기록하였다.

표 1은 구조적 특징별로 각 PSCF를 택하여 실시한 통전실험의 결과를 요약한 것이다. 모든 통전실험은 앞서 설명한 바와 같이 동일한 조건과 방법으로 실시하였다. 각 시료에 대하여 5차례의 통전실험을 실시하여 최고 및 최저값은 제외하고 나머지 3개의 값을 평균한 값을 통전압력으로 하였다.

이상의 실시예에서 PSCF는 통전압력 전후에서 절연성과 전도성의 확연한 차이를 보여주었다. 즉, 통전압력 이하에서는 전혀 전도성을 보이지 않다가 통전압력에 도달하면, 테스트 조건하에서 불과 1-2초 동안에 갑자기 전도성을 띠었다. 이는 통전압력까지는 절연입자가 스페이서(spacer) 역할을 하여 압력에 저항하며 절연층을 유지하지만, 통전압력에서는 물리적으로 붕괴되어 그 결과 통전점이 형성되면서 전도성 필름과 같은 기능을 나타냄을 보여주는 것이다.

실시예에서 비교적 높은 통전압력을 나타낸 예는 고탄성, 고강도의 고분자 입자를 절연입자로 사용한 경우이다. 즉, 매우 질기고 강한 물질로 알려진 폴리이미드나, 가교밀도가 높은 플라스틱 미립자로 멜라민이나 폴리(부탄디올디아크릴레 이트)와 같은 고강도, 고탄성 입자의 경우에 통전압력이 높게 나타났다. 실제 가교되지 않은 폴리스티렌 미립자나 실시예 5의 실리카 입자를 절연입자로 사용하면 미약한 압력에도 통전이 일어났다.

질코니아의 경우 실제 입자의 강도는 매우 높아 폴리이미드나 멜라민 입자보다 더 단단한 입자이나, 일차 입자의 크기는 매우 작고, 실험에 사용된 7 ㎛ 입자는 일차입자가 물리적으로 약하게 엉겨있는 2차 입자이기 때문에 충분한 압력에 견디지 못하고 붕괴되었다고 여겨진다.

전도성 입자로 카본블랙을 첨가한 경우에도 통전압력은 주로 절연입자에 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 그러나 통전시의 저항은 탄소입자를 첨가한 경우가 낮게 나타날 것으로 여겨진다. 따라서 전도성 입자의 첨가는 일단 통전이 된 후 급격한 전류의 방출 또는 분산이 요구되는 경우 바람직하다.

절연층을 지닌 니켈볼을 절연도전입자로 사용한 실시예 7의 경우에도 비교적 높은 통전압력을 얻을 수 있었다. 절연도전입자를 사용하는데 따르는 장점은 절연층의 두께나 종류, 특성을 조절함으로써 입자를 다량 사용하지 않고도 통전압력을 제어할 수 있다는 것이다. 그러나 균일한 두께의 절연층을 지닌 절연도전입자의 제조에는 상대적으로 많은 비용이 들게 된다.

절연도전입자를 사용하는 대신 도전입자와 제2절연층(절연필름)을 사용한 실시예 8의 경우도 어느 정도의 통전압력을 얻을 수 있었다. 그러나 매우 작은 금속입자가 절연필름을 손쉽게 파고들어가 통전점을 형성하는 경향이 있어 비교적 낮은 압력에서 통전이 이루어지는 것으로 보인다.

실시예 9∼12

절연입자로 멜라민수지 입자 대신 폴리이미드를 다음의 표 2에 기재된 조건으로 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 PSCF를 제조하였다.

시험예 2

실시예 9 내지 12에서 제조된 PSCF에 대해, 상기 시험예 1과 동일한 방법으로 통전압력을 측정하였으며, 결과를 표 2에 나타내었다.

폴리이미드 입자의 함량이 증가함에도 통전압력은 크게 증가하지 않았다. 특기할 것은 폴리이미드 함량이 절연수지 고형분의 50wt%인 실시예 12의 경우, PSCF는 거의 접착성(tacky성)을 나타내지 않아 접착필름으로서의 역할을 하지 못하였다.

또, 표 2의 결과에서 절연입자 함량이 증가하여도 통전압력이 큰 차이를 보이지 못하는 것은 절연층 내 절연입자의 분산 정도가 PSCF의 최종 특성에 큰 영향 을 미친다는 사실을 의미한다. 실제 이들 필름을 고배율 현미경으로 관찰한 결과 폴리이미드 입자를 절연입자로 첨가한 경우 입자 중 많은 부분이 응집되어 있음이 발견되었다. 이는 폴리이미드 입자가 무정형의 파우더 상태이며, 접착제 조성물의 용매로 사용되는 에틸아세테이트와 톨루엔에 표면이 어느 정도 팽윤되면서 입자간 접착력이 좋아져 응집이 효과적으로 발생하기 때문이라고 여겨진다. 따라서 팽윤성이 거의 없는 가교된 구형의 고분자 입자를 절연입자로 사용하고 절연수지층 내에 고른 분산을 할 수 있다면 가장 좋은 특성을 낼 수 있을 것으로 판단되며, 실제 실시예 13∼27에서 더 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

실시예 13∼27

절연입자로 표 3에 기재된 조건의 멜라민 미립자를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 PSCF를 제조하였다. 사용한 멜라민 미립자는 직경 3.78∼14.0 ㎛까지 5종류였다. 사용한 멜라민 미립자는 단분산에 가까우며 직경의 편차가 크지 않았다. PSCF를 제조한 후 현미경으로 관찰한 결과 구형의 입자가 절연층 매트릭스 내에 고루 분산되어 있으며, 여러 입자들이 응집되어 뭉쳐있는 경우는 거의 없었다. 그러나 입자의 함량이 30wt%에 이르면 어느 정도 응집된 입자들이 관찰되었다. 또 입자의 함량이 30 wt%가 되면 PSCF의 접착성이 현저히 낮아졌다.

시험예 3

실시예 13 내지 27에서 제조된 PSCF에 대해, 상기 시험예 1과 동일한 방법으로 통전압력을 측정하였으며, 결과를 표 3에 나타내었다.

표 3으로부터 모든 종류의 입자에서 입자의 함량이 클수록 통전압력이 커짐을 알 수 있었다. 이는 충분히 예측되는 결과이었다. 특기할 것은 10 wt%에서 이미 상대적으로 큰 통전압력값을 보이고, 그 후 절연입자의 함량이 배수로 증가하여도 통전압력은 크게 증가하지 않는다는 점이다. 이는 PSCF가 압력을 견디는데 있어서 절연층의 수지 매트릭스 자체도 어느 정도 기여함을 의미한다.

표 3으로부터 알 수 있는 중요 사실 중 하나는, 절연입자의 함량이 같다면 직경이 약 8 ㎛ 인 입자가 가장 높은 통전압력을 보인다는 점이다. 직경이 약 8 ㎛ 입자는 실험에서 채택한 절연수지층의 두께가 12∼13 ㎛임을 감안하면 접착력을 해치지 않으면서 절연수지층 내에 가장 잘 분산되는 입자이기도 하다. 너무 작은 입자는 제조시 응집이 일어나기 쉬우며 상대적으로 절연수지층의 두께를 유지하는데 불리한 점이 있다. 그러나 입자의 크기가 너무 커 절연수지층의 표면에 노출될 정도가 되면 접착특성을 열화시킬 뿐 아니라 실제 수지층 매트릭스 단위 부피당 함유된 개수가 적어 외부 압력에 저항하여 절연수지층의 두께를 균일하게 유지하는데 불리하다. 따라서 절연수지층의 두께보다는 작지만 매트릭스 내에 충분히 묻히고 일정한 첨가량을 고려할 때 단위 부피당 개수도 적당한 8 ㎛ 전후 크기의 입자가 가장 높은 통전압력값을 나타낸 것이라고 말할 수 있다.

본 발명에 따르면 전도성 필름 또는 시트로 형성된 도전층에, 절연입자, 필요한 경우 도전입자, 절연도전입자 등을 첨가한 절연성 수지층을 도포함으로써, 일정 이상의 압력이 가해지기 전까지는 절연막으로 작용하다가 그 이상의 압력이 가해지면 통전점을 형성하여 전도성 필름이 되는, 압력감응 전도성 필름을 제조할 수 있다. 상기 실시예로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따르면 절연층을 구성하는 물질의 종류와 강도, 크기 등 물리적 특성을 조절함으로써 손쉽게 주어진 통전압력조건에 적합한 PSCF를 제조할 수 있다. 본 발명의 PSCF는, 주어진 통전압력조건에 따라 "절연성-전도성"의 특성변화가 요구되는 모든 분야에서 사용이 가능하며, 특히 특정 압력에 대한 센서로서 사용될 수 있을 뿐 아니라, 파괴로부터 보호 되어야 하는 정밀기기나 장치, 전자제품이나 기기의 내장 또는 외장의 일부로 사용되어 내부 전류 축적을 방지함으로써 완전한 기기의 손상이나 인명사고를 방지하는 용도로 사용될 수 있다.

Claims (19)

1. 전도성 필름 또는 시트로 형성된 도전층과; 도전층 위에 형성되고 제품에 부착되는 면을 이루는 절연층을 포함하는 압력 감응 전도성 필름으로서,

   상기 절연층은 아크릴 수지; 에폭시 수지; 염화비닐 수지; 페놀수지; 천연고무; 합성고무; 폴리올레핀 및 이들의 혼합물로 구성된 군으로부터 선택된 점착성 또는 접착성을 갖는 고분자 물질로 이루어지며, 주어진 통전압력조건 이상의 압력에 의해 층이 붕괴되어 부착된 제품과 상기 도전층 사이에 통전이 이루어지게 되는 것을 특징으로 하는 압력 감응 전도성 필름.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 절연층은, 절연입자; 도전입자; 도전입자의 표면을 절연성 수지로 코팅시킨 절연도전입자; 2 이상의 도전입자를 절연성 수지 매트릭스 내에 포집시킨 절연도전포집체 중 1종 또는 2종 이상을 포함하는 압력 감응 전도성 필름.
3. 청구항 2에 있어서,

   교대로 층을 형성하는 복수의 도전층과 복수의 절연층을 포함하는 압력 감응 전도성 필름.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 절연층에 절연입자와 도전입자를 함께 포함하는 압력 감응 전도성 필름.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 절연층에 도전입자를 포함하는 압력 감응 전도성 필름.
6. 청구항 2에 있어서,

   상기 절연층에 절연입자를 포함하는 압력 감응 전도성 필름.
7. 청구항 2에 있어서,

   상기 절연층에 절연도전입자를 포함하는 압력 감응 전도성 필름.
8. 청구항 2에 있어서,

   상기 절연층에 절연도전포집체를 포함하는 압력 감응 전도성 필름.
9. 청구항 1, 2 및 5 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 도전층과 절연층 사이에, 절연성 필름 또는 시트로 형성된 제2절연층을 더 포함하는 압력 감응 전도성 필름.
10. 청구항 1 내지 3 및 6 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 도전층은, 절연층과 접하는 표면에 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 감응 전도성 필름.
11. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 도전층은 전도성 필름 또는 시트로 형성된 두께 1 ㎛∼3 cm의 단층 또는 다층구조로, 상기 전도성 필름 또는 시트는 금속; 플라스틱 필름과 같은 부도체 필름이나 시트의 표면을 금속으로 처리하여 표면 전도성을 갖게 한 재료; 전도성 고분자; 전도성 세라믹 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 복합재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 압력 감응 전도성 필름.
12. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 절연층은 1 ㎛∼10 mm 두께의 단층 매트릭스 구조 또는 다층 매트릭스 구조인 것을 특징으로 하는 압력 감응 전도성 필름.
13. 삭제
14. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 절연입자는, 폴리스티렌; 폴리에틸렌; 폴리프로필렌과 같은 미가교 폴 리올레핀 미립자, 폴리(디아크릴레이트)나 폴리(디비닐벤젠)과 같이 가교된 폴리올레핀 미립자, 멜라민 수지 입자나 가교된 에폭시 입자와 같은 열경화성 수지 미립자, 폴리이미드; 폴리에스테르와 같은 고강도의 축중합 고분자 미립자, 실리카; 질코니아와 같은 세라믹입자 및 이들을 혼합한 복합재료입자 중 어느 하나 또는 이들을 2 종류 이상 혼합 사용하는 것임을 특징으로 하는 압력 감응 전도성 필름.
15. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 도전입자는 금속입자; 절연성 입자에 금속 코팅된 입자; 전도성 고분자 입자; 전도성 무기입자; 탄소입자; 전도성 물질로 코팅된 세라믹이나 섬유입자; 압력이 가해지면 전도성을 갖는 폴리(프탈라이드)와 같은 압전성 입자 중 어느 하나 또는 이들을 2 종류 이상 혼합 사용하는 것임을 특징으로 하는 압력 감응 전도성 필름.
16. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 절연층에 물성 조절을 위해 접착보조제, 분산제, 커플링제, 색소, 레올로지 개량제, 증점제와 같은 공지의 첨가제를 더 포함하는 압력 감응 전도성 필름.
17. 삭제
18. (a) 전도성 필름 또는 시트로 도전층을 형성하는 단계,

    (b) 절연입자; 도전입자; 절연도전입자; 절연도전포집체 중 1종 또는 2종 이상을 접착성 또는 점착성을 나타내는 절연성 수지와 함께 용매상에서 균일하게 혼합하는 단계,

    (c) (a)에서 준비된 도전층 위에, (b)의 혼합물을 일정한 두께로 도포하고 건조시키는 단계를 포함하는 압력 감응 전도성 필름의 제조방법.
19. 삭제

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