KR100792502B1 - 일렉트렛, 그 제조방법 및 콘덴서 마이크로폰 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면실장이 가능한 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰용 일렉트렛, 그 제조방법 및 콘덴서 마이크로폰에 관한 것이다.

본 발명의 일렉트렛은 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트의 상부에 형성되는 적어도 하나의 수지막으로서, 소정의 친전자성 핵형성제를 포함하는 적어도 하나의 상기 수지막을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 표면실장과 같은 가혹한 환경변화(고열, 습도, 외부충격 등)에도 우수한 전하 보존성을 나타내어 마이크로폰의 감도를 향상시킬 수 있다.

일렉트렛 콘덴서 마이크로폰, 표면실장 기술, 핵형성제, 결정화도, 다공성구조

Description

일렉트렛, 그 제조방법 및 콘덴서 마이크로폰{Electret, Manufacturing method thereof and Condensor microphone}

도1은 종래에 일렉트렛을 제조하는 개념을 설명하기 위해 도시한 도면,

도2는 종래에 일렉트렛을 제조하는 절차를 도시한 순서도,

도3은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛을 제조방법을 나타내는 순서도,

도4는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛의 단면도,

도5는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛에 대한 실험데이터를 나타내는 <표1>을 도시한 것,

도6은 본 발명에 대비되는 종래의 일렉트렛에 대한 실험데이터를 나타내는 <표2>를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 금속판 2 : 1차 박막

3 : 2차 박막 4 : FEP 필름

5 : 가압 롤러 6, 8 : 유도 가열 롤러

7, 9 : PTFE 필름 10 : 냉각기

본 발명은 표면실장이 가능한 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰용 일렉트렛, 그 제조방법 및 콘덴서 마이크로폰에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 습도, 열, 충격 등 외부 환경의 변화에도 일렉트렛에 주입된 전하의 손실을 방지하여 전하를 반영구적으로 유지할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로, 마이크로폰은 기계적인 진동을 전기적인 신호로 변환하는 방식에 따라 탄소입자의 전기적 저항 특성을 이용한 카본형, 로셀염(Rochelle salt)의 압전기 효과를 이용한 결정형, 코일이 장착된 진동판을 자기장 속에서 진동시켜 유도전류를 발생시키는 가동 코일형, 자기장 내에 장치된 금속박이 음파를 받아 진동하면 유도전류를 발생시키는 진동박형, 음파에 의한 막의 진동으로 정전용량이 변하는 것을 이용한 콘덴서형 등으로 구분된다.

전형적인 콘덴서 마이크로폰은 전압 바이어스 요소(통상 일렉트렛으로 이루어진다)와, 음압(sound pressure)에 대응하여 변화하는 커패시터(C)를 형성하는 다이아프램/백플레이트 쌍, 그리고 출력신호를 버퍼링하기 위한 전계 효과 트랜지스터(JFET)로 이루어진다. 여기서, 종래의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰은 다이아프램(Diaphragm)이나 백 플레이트(Back plate) 중 어느 하나에 일렉트렛이 형성되어 있는데, 다이아프램에 일렉트렛이 형성된 것을 프론트 일렉트렛이라 하고, 백 플레이트 상에 형성된 것을 백-일렉트렛이라 한다. 통상적으로 일렉트렛은 유기필름(예컨대, FEP, PET, PTFE 등)에 전하를 고전압의 코로나 방전을 통하여 강제적으로 주입시켜 형성한다.

일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 성능(통화감도: Sensitivity 이하 '감도‘라 함)은 이 주입된 전하량에 의해 결정된다. 주입된 전하가 외부요인(열, 습도, 충격)에 의해 이탈하면 이는 감도의 저하를 유발한다. 이는 열, 습도, 충격에 의하여 필름 내부의 전하가 포획되는 결정 사이의 공간(電空)이 열리면서 외부요인에 의하여 활성화된 전하가 외부로 이탈하기 때문이다. 이러한 현상은 고온의 환경에서 더욱 심각해진다.

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 리플로우시 부품에 고온(최고 260～270℃)이 가해지기 때문에 온도에 약한 부품은 SMT 기술을 적용할 수 없다.

SMT 작업 환경에서는 전하의 이탈 가능성이 더욱 높을 뿐 아니라 일렉트렛을 구성하는 유기필름 자체가 고열에 의해 변형/용융/파손이 될 수가 있기 때문에 종래의 기술은 유기 필름으로서 열에 강하고 그 자체로 전하 보존성이 우수한 불소계열의 PTFE (Poly tetra fluoro ethylene: 폴리 테트라 플루오르 에틸렌, 이하 PTFE라 함)이나 FEP( Fluoro ethylene propylene: 플루오르 에틸렌 프로필렌, 이하 FEP라 함) 등을 사용한다.

일예로 종래의 표면실장이 가능한 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰용 일렉트렛의 제조공정 (특허 등록번호 10-0408815-0000)에 대해서 설명한다. 종래의 표면실장형 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 일렉트렛은 금속판위에 두께가 대략 12.5㎛～25㎛인 FEP필름이 용융 접착되어 있고, 상기 FEP필름 위에 대략 30㎛～100㎛인 PTFE필름이 용융 접착되어 있다. 이를 제조하는 방법은, 금속판위에 FEP필름을 적층하는 단계; FEP필름이 적층된 금속판을 고온으로 가열함과 아울러 고압을 가해 용융 접착하는 단계; 금속판에 접착된 FEP필름 위에 PTFE필름을 적층하는 단계; 적층된 PTFE필름이 FEP필름과 접착하도록 적층된 금속판을 고온으로 가열함과 아울러 고압을 가해 용융 접착하는 단계; 용융 접착된 판을 냉각하는 단계; 및 냉각된 일렉트렛에 전하를 충전시키는 하전공정 단계 등을 통하여 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰용 일렉트렛을 제조하고 있다. (도면 1 참조)

상술한 종래의 제조방법을 통해 제조된 일렉트렛은 고분자필름의 내부구조에 대한 별도의 조치가 없이, 내열성만을 고려하였기 때문에 외부의 환경변화(열, 습도, 충격 등)에 의한 충전된 전하들의 외부 이탈을 막을 수 없다. 이는 일렉트렛의 성능을 저하시키고 마이크로폰 자체의 통화 감도를 떨어뜨리는 문제를 여전히 유발한다.

본 발명의 목적은 전술한 바의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 친전자성 핵형성제를 포함하는 불소계열의 혼합물 용액을 금속판 위에 분사, 도포한 후 고온 소성 처리를 통해 도포된 면을 균일하게 한 다음, 냉각처리를 통하여 도포된 불소수지 혼합액이 금속판 상에서 박막으로 형성되는 과정에 있어, 우수한 결정화 도와 결정의 크기가 작고, 균일하며, 다공성(Porousness)을 갖게 하여 일렉트렛에 주입된 전하가 포획되는 공간이 가혹한 환경변화에도 이탈되지 않도록 일렉트렛을 형성하는 데 있다.

또한 이를 통하여, SMT 작업조건 후에도 우수한 전하보존 능력을 갖추어 통화감도가 안정적인 SMD (Surface Mount Device: 표면 실장형 부품) type 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 생산이 가능하도록 하는데 있을 뿐 아니라, 일렉트렛을 이용하는 모든 기기들의 수명과 신뢰성을 향상시키는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 표면실장용 일렉트렛에 있어서, 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트의 상부에 형성되는 적어도 하나의 수지막으로서, 소정의 친전자성 핵형성제를 포함하는 적어도 하나의 상기 수지막을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 수지막은 비불소수지로서 Polyurethane, Polylefin, Polypropylene 및 Polystyrene 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 친전자성 핵형성제는 CaCO₃, Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, B₂O₃/ZnO/SiO₂, SiO₂/Si₃N₄, TiO₂, Silica 및 Carbonblack 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 본 발명은 전술한 일렉트렛을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰이다.

또다른 양상에 따른 본 발명은 일렉트렛의 제조방법에 있어서, 베이스 플레이트를 마련하는 단계; 상기 베이스 플레이트에 소정의 친전자성 핵형성제를 첨가 한 액상의 불소수지 혼합액을 도포하는 단계; 및 상기 베이스 플레이트에 전하를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛의 제조방법이다. 여기서, 상기 불소수지 혼합액과 다른 제2 불소수지 혼합액으로서, 상기 친전자성 핵형성제와 다른 제2 친전자성 핵형성제를 포함하는 상기 제2 불소수지 혼합액을 상기 제1 불소수지 혼합액의 도포층 상부에 도포하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 나아가 상기 제1 불소수지 혼합액이 상기 베이스 플레이트 위에 균일하게 분산되도록 1차 고온 소성처리하는 단계; 및 상기 제2 불소수지 혼합액이 상기 제1 불소수지 혼합액 위에 균일하게 분산되도록 2차 고온 소성처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 다층 박막의 베이스 플레이트를 냉각처리하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 구체적으로 설명한다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조방법의 흐름도이며, 도4는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛의 단면도이다.

도3 및 도4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛의 제조방법은 베이스 플레이트인 금속판(1)위에 친전자성 핵형성제(Ⅰ)를 미량 첨가한 액상의 제1 불소수지 혼합액(Ⅰ)을 상온에서 1차 분사한다(S1). 여기서, 친전자성 핵형성제(I)는 CaCO₃, Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, B₂O₃/ZnO/SiO₂, SiO₂/Si₃N₄, TiO₂, Silica 및 Carbonblack 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것으로서, 전하의 포획성을 향상시켜 가혹한 환경변화에도 전하를 반영구적으로 보존 할 수 있도록 한다.

이어, 불소수지 혼합액이 도포된 금속판을 200～350℃의 고온 소성로에 30± 5분간 방치함으로써 1차 고온 소성처리를 통해 1차 박막(2)을 생성한다(S2). 이와 같은 고온 소성처리를 통해 도포액이 금속판(1) 위에 균일하게 분산된다.

다음, 제1 불소수지 혼합액에 포함된 친전자성 핵형성제(I)와는 다른 제2 친전자성 핵형성제(Ⅱ)를 포함하고, 제1 불소수지와 다른 제2 불소수지 혼합액(Ⅱ)을 상온에서 2차 분사한다(S3). 여기서 제2 친전자성 핵형성제(II)로는, 전술한 제1 친전자성 핵형성제(I)로서 예시한 물질 중 어느 하나를 이용할 수 있음은 물론이다.

다음, 금속판(1)을 150～350℃의 고온 소성로에 30±5분간 방치하는 2차 고온 소성처리를 통해 2차 박막(3)을 생성한다(S4). 친전자성 핵형성제(Ⅰ),(Ⅱ)의 첨가를 통해 형성된 고분자 박막은 결정화도를 높이고 다공성 구조를 갖게 하여 주입된 전하가 포획되는 공간을 크게 할 수 있으며, 또한 이러한 다층 구조의 박막은 하전특성을 크게 향상시킨다.

다음, 다층 박막의 금속판(1)을 냉각처리 (15℃/분) 한다(S5). 이에 의해, 결정의 크기가 작고 균일해지며, 다공성 구조의 박막이 형성된다.

마지막으로, 냉각처리를 통해 얻어진 금속판에 전하를 충전하여 일렉트렛을 생성하게 된다(S6).

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다층 구조의 일렉트렛은 SMT 작업환경을 포함한 가혹한 환경변화(열, 습도, 외부충격 등) 에서도 우수한 전하 보존 특성을 나타내며, 이로써 마이크로폰의 감도특성을 향상시킬 수 있다.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛에 대한 실험데이터를 나타내는 <표 1>을, 도6은 본 발명에 대비되는 종래의 일렉트렛에 대한 실험데이터를 나타내는 <표2>를 도시하고 있다.

이하, 도5 및 도6의 표를 참조하여 본 발명에 따른 일렉트렛의 전하보전특성의 우수성을 실험에 기초하여 설명한다.

실험에 사용된 시료로서, 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛은 친전자성 핵형성제 5% wt와 PTFE 수지 60% wt의 혼합용액을 이용, 금속판(두께 0.15mm)에 박막수지(30㎛)를 형성한 것을 사용하였다. 이에 대비되는 일렉트렛으로는 친전자성 핵형성제를 첨가하지 않고, 금속판(두께 0.15mm)에 PTFE 수지 60% wt의 박막수지(30㎛)를 형성한 것을 사용하였다. 시료 각각은 3 로트(lot)이고, 로트 각각은 50㎜×50㎜(가로×세로) 사이즈의 20(pcs)를 갖는다.

실험은 두 비교 시료를 상온 및 상압의 Charging M/C의 챔버에서 25kV로 충전하고 상온에서 1시간을 방치한 후, 리플로우 테스트 실시 전후의 잔류 정전위를 측정하는 방식으로 수행되었다.

<표1>과 <표2>에서, ①②③열은 각각의 로트를 구별한 것이며 No.1~20은 20(pcs)를 구별한 것이다. 리플로우 테스트 전/후의 잔류 정전위 레벨의 편차는 <표1>은 평균 36[V] 수준인 반면, <표2>는 137[V]를 나타내고 있다. 이를 백분율로 환산하면, <표1>은 정전위가 약 91~92% 유지되는 반면, <표2>는 66~71% 정도의 정전위가 유지되는 것을 알 수 있다.

따라서, 종래의 일렉트렛에 비해 본 발명의 일렉트렛은 리플로우 테스트 환경에서 전하의 보존능력이 월등히 뛰어나다는 것을 알 수 있다.

이 실험에서는 단일의 불소수지 박막을 이용하였으나, 다층의 박막을 사용하는 경우 전하 보존능력이 더욱 향상되고 마이크로폰의 감도는 더욱 향상된다. 또한, 불소계열의 수지로 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene)를 이용하였지만 FEP(Flourinated Ethylene Prophylene), PFA(Per Fluoro Alkoxy), PVDF(PolyVinyliDeneFluoride), ETFE(Ethylene/TetraFluoroEthylene), PCTFE(PolyChloroTriFluoroEthylene), ECTFE(Ethylene ChioroTriFluoroEthylene)와 같은 여러 불소수지를 이용할 수도 있다. 이외에도, 불소수지는 아니지만 Polyurethane, Polylefin, Polypropylene 및 Polystyrene 와 같은 수지를 이용하더라도 본 발명의 우수한 전하보존 특성을 유지할 수 있음을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

상기 설명에 있어서, 특정 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 본 발명의 개념을 이탈하지 않는 범위내에서 이 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 여러 가지로 설계 변경 할수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 다층 구조로 제작된 일렉트렛은 SMT 작업환경을 포함한 가혹한 환경변화(열, 습도, 외부충격 등) 에서도 우수한 전하 보존성을 보이는 이점이 있다.

따라서, SMD type 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰을 포함한 모든 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰, 정전형 음향센서, 압력센서, 진동센서 등 각종 센서들과 여러 가지 방사선 검출기 등 일렉트렛을 이용한 모든 기기들의 수명을 반영구적으로 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 그 제조공정도 단순화 시킬 수 있다. 종래의 기술로 제작된 일렉트렛은 불안정하게 충전된 전하가 다수 존재하기 때문에, 일렉트렛을 이용한 기기들의 제조 공정에 있어서, 불안정한 충전된 전하를 강제로 이탈시키는 열처리 공정과 충전이 전하의 이탈이 예상되는 모든 공정 후에 있어 이탈되는 전하의 정도를 검사하는 과정이 필요했다. 그러나 본 발명의 제작 방식으로 제작된 일렉트렛은 이러한 공정들을 불필요하게 만들거나, 대폭 감소시킬 수 있다.

또한, 종래의 기술을 적용하여 제작한 SMD type 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰용 일렉트렛보다 제조공정이 더 단순하면서도 신뢰성 높은 일렉트렛을 구현하기 용이하기 때문에 제조비용이 절감되는 이점이 있다.

본 발명은 PTFE나 FEP등의 불소계수지들 뿐 아니라 일렉트렛 재료로 사용되는 모든 고분자 재료에 적용이 가능하다.

Claims (8)

1. 표면실장용 일렉트렛에 있어서,

   베이스 플레이트; 및

   상기 베이스 플레이트의 상부에 형성되고, 소정의 친전자성 핵형성제를 포함하는 적어도 하나의 수지막을 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛.
2. 제1항에 있어서,

   상기 수지막은 비불소수지로서 Polyurethane, Polylefin, Polypropylene 및 Polystyrene 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 일렉트렛.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 친전자성 핵형성제는 CaCO₃, Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, B₂O₃/ZnO/SiO₂, SiO₂/Si₃N₄, TiO₂, Silica 및 Carbonblack 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛.
4. 제1항 또는 제2항의 일렉트렛을 포함하는 것을 특징으로 하는 콘덴서 마이크로폰.
5. 표면실장용 일렉트렛의 제조방법에 있어서,

   베이스 플레이트를 마련하는 단계;

   상기 베이스 플레이트에 소정의 친전자성 핵형성제를 첨가한 액상의 불소수지 혼합액을 도포하는 단계; 및

   상기 베이스 플레이트에 전하를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 불소수지 혼합액과 다른 제2 불소수지 혼합액으로서, 상기 친전자성 핵형성제와 다른 제2 친전자성 핵형성제를 포함하는 상기 제2 불소수지 혼합액을 상기 제1 불소수지 혼합액의 도포층 상부에 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛의 제조방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제1 불소수지 혼합액이 상기 베이스 플레이트 위에 균일하게 분산되도록 1차 고온 소성처리하는 단계; 및

   상기 제2 불소수지 혼합액이 상기 제1 불소수지 혼합액 위에 균일하게 분산되도록 2차 고온 소성처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛의 제조방법.
8. 제7항에 있어서,

   다층 박막의 베이스 플레이트를 냉각처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일렉트렛의 제조방법.

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