KR100879279B1 - 고온용 일렉트릿트, 그의 제조방법 및 이를 구비하는마이크로폰 - Google Patents

고온용 일렉트릿트, 그의 제조방법 및 이를 구비하는마이크로폰 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온용 일렉트릿트, 그의 제조방법 및 이를 구비하는 마이크로폰에 관한 것으로서, 구체적으로는 고온 전하 특성을 개선하여 고품질의 마이크로폰 제조에 유용한 고온용 일렉트릿트, 그의 제조방법 및 이를 구비하는 마이크로폰에 관한 것이다.
상기 일렉트릿트는 내열성 및 접착성을 갖는 불소계 코팅용 프라이머 또는 1코팅용 도료를 포함하는 제1층; 및 내열성 불소수지 또는 실란계 화합물 및 금속원소, 금속화합물을 포함하는 물질 또는 다층으로 제2층을 구비한다.
본 발명에 따른 고온용 일렉트릿트는 고온 전하 특성이 우수하고, 내환경성이 개선되어 SMD조건에서 사용할 수 있으며, 특히 마이크로폰이나 센서 등에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

고온용 일렉트릿트, 그의 제조방법 및 이를 구비하는 마이크로폰 {Electret for high temperature, process for preparing the same, and microphone comprising the electret}
도 1은 본 발명에 따른 마이크로폰의 개략도를 나타낸다.
<도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명>
11: 다이어프램 12: 스페이서
13: 제1 지지체 14: 제2 지지체
15: PCT 기판 16: 전계 효과 트랜지스터
17: 배극판 18: 하우징
19: 폴라링 20: 일렉트릿트
21: 음공
본 발명은 고온용 일렉트릿트, 그의 제조방법 및 이를 구비하는 마이크로폰에 관한 것으로서, 구체적으로는 고온 전하 특성을 개선하여 고품질의 마이크로폰 제조에 유용한 고온용 일렉트릿트, 그의 제조방법 및 이를 구비하는 마이크로폰에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로폰은 기계적인 진동을 전기적인 신호로 변환하는 방식에 따라 탄소입자의 전기적 저항 특성을 이용한 카본형, 로셀염의 압전 효과를 이용하는 결정형, 코일이 장착된 진동판을 자기장 속에 진동시켜 유도전류를 발생시키는 가동 코일형, 자기장 내에 배치된 금속막이 음파를 받아 진동할 때 발생하는 유도전류를 이용하는 속도형, 음파에 의한 막의 진동으로 변하는 정전용량을 이용한 콘덴서형으로 구별할 수 있다.
이와 같은 콘덴서형 마이크로폰은 전압 바이어스 성분(일반적으로는 일렉트릿트로 이루어짐), 음압에 대응하여 변화하는 정전 용량을 형성하는 다이어프램/배극판 쌍, 그리고 출력신호를 버퍼링하기 위한 전계 효과 트랜지스터로 이루어지는 것이 일반적이다. 이 중에서 가장 널리 사용되는 일렉트릿트 콘덴서 마이크로폰은 다이어프램이나 배극판 중 어느 하나에 일렉트릿트로 형성되어 있는데, 다이어프램에 일렉트릿트가 형성된 것을 프론트 일렉트릿트이라 하고, 배극판 상에 형성된 것을 백 일렉트릿트이라 칭한다. 이와 같은 일렉트릿트는 통상적으로 유기 필름에 전하를 강제적으로 주입시켜 형성하게 된다.
상술한 일렉트릿트 콘덴서 마이크로폰의 동작을 살펴보면, 마이크로폰의 말단에 위치한 음공을 통해 유입된 음압이 다이어프램에 가해지면 다이어프램이 진동하면서 배극판과의 간격이 변하게 된다. 이와 같이 음압에 의해 다이어프램과 배극판 사이의 간격이 변하게 되면, 상기 다이어프램과 배극판 사이에 형성된 정전 용량이 변하게 되므로, 음파에 따른 전기적 신호(전압)의 변화를 얻을 수 있고, 이 신호가 회로부의 증폭기를 거쳐 외부로 전달된다.
또한 종래의 일렉트릿트 콘덴서 마이크로폰은 일렉트릿트를 형성한 배극판 등과 같은 구성 성분들의 재질이 고온에 견디는 재질이 아닐 뿐 더러, 고온에 견디는 재질을 사용한다고 하여도 일렉트릿트의 전하값이 높은 온도에서 변화되므로, 이로 인해 감도가 저하되어 일렉트릿트 콘덴서 마이크로폰에 표면 실장(SMD; Surface Mount Device)을 적용하기 어려운 문제점이 있다. 즉, 전자제품의 제조기술이 발전하면서 제품을 소형화하는 추세인데, 이러한 소형제품의 제조를 위해 표면 실장 기술(SMT: Surface Mount Technology)이 널리 사용되고 있다. 그러나 일렉트릿트 콘덴서 마이크로폰은 금속판 위에 융착되는 유기 필름에 전자를 강제로 주입하여 형성되므로 습도가 높거나 온도가 올라가면 충전된 전자가 쉽게 이탈되어 일렉트릿트의 성능이 열화되는 문제점이 있다.
특히 종래의 제조방법은 유기 필름 형성용 분산액, 예를 들어 플루오로 에틸렌 프로필렌(FEP: FluoroEthylene Propylene), 폴리 테트라플루오로 에틸렌(PTFE; Poly TetraFluoro Ethylene), 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET: Poly Ethylene terephthalate) 분산액을 두께 1 내지 50㎛까지 사용하여 금속판 위에 코팅하거나 금속 가열롤과 고무롤의 융착에 의해 연속 라미네이팅하여 타공 후 마이크로폰에 장착되어 일반 납땜용 마이크로폰 일렉트릿트로 전하 충전 후, 80℃ 내지 110℃에서 30분 미만으로 에이징 처리 하는 바, 이 경우 전하 손실이 약 15% 전후로 발생하며, 남아 있는 전하를 콘덴서 일렉트릿트로 사용하여 마이크로폰의 음성 신호를 전기적 신호로 변환시키는데 사용하게 된다. 여기서 일렉트릿트의 전하 충전 용량 은 신호 전달 성능에 영향을 주게 된다. 상기 일렉트릿트에 충전된 전하량은 콘덴서 마이크로폰의 품질에 크게 영향을 미치며, 가급적 전하가 많이 충전되고, 에이징 공정에서 상기 전하량이 감소되지 않아야 우수한 품질의 마이크로폰 제조가 가능해진다. 그런데, 기존에 FEP 혹은 PFA와 같은 불소계 수지는 많은 양의 전하를 충전하기 곤란하며, SMD 조건인 고온에서 충전된 전하를 유지할 수 없다는 문제가 있다. 이는 상기 일렉트릿트를 형성하는 재질의 결정화도가 낮거나, 내열성이 낮기 때문이다.
상기한 바와 같은 고온용 일렉트릿트의 융착방법으로는, 예를 들어 먼저 FEP 필름을 금속판에 접착시킨 후, PTFE 필름을 융착시키는 방법이 있으나, FEP 자체의 내열성, 즉 용융점이 낮아 250℃ SMD 조건에서 충전된 전하를 다량 상실하게 되어 실용성이 저하된다. 또한 PTFE는 비점착 수지로서 용융온도가 325℃ 내지 335℃로서 매우 높고, 용융점도 높기 때문에 이를 단독으로 금속판과 융착시키려면, 핫 프레스(hot press)를 이용하여 가열 가압하여 용융시킨 후, 이 상태에서 가압 냉각을 하여 금속판과 PTFE 필름의 수축을 막으면서 융착 공정을 수행하나, 서냉 공정으로 인해 결정이 크게 형성되므로 전하를 수용할 수 있는 공간이 감소하고, 핫 프레스 융착시 사용되는 보호 필름이 융착된 PTFE 표면을 거칠게 하여 충전된 전하가 고온에서 쉽게 감쇠된다는 문제가 있다.
또한 상기와 같은 공정에서 사용되는 보호 필름은 330 내지 380℃ 온도에서 견뎌야 하므로 폴리이미드 필름이나, 동박 혹은 알루미늄박을 사용하는 바, 상기 폴리이미드 필름은 가격이 높아 그 사용이 제한되어 보다 저렴한 동박이나 알루미 늄박을 사용하게 되는데, 이들은 PTFE 면과 접촉이 되어 이형이 곤란하다는 문제를 갖는다. 따라서 동박이나 알루미늄박을 사용하는 경우에는 금속판 뒷면에 PE 접착제와 같은 보호필름을 붙인 후 에칭하여, 동박이나 알루미늄박을 제거하고, 보호 필름을 제거하게 되는 복잡한 과정을 수행해야 한다.
또한 고온용 MEMS형 일렉트릿트의 재질로 세라믹 계열의 SiO2, Si3N4, TiO2, BaTiO3 등이 개발되었으나, 제조공정이 까다롭고, 가격이 비싸며, 상기 세라믹의 특성상 밀도가 높아 유전체를 일렉트릿트로 충전시키기 어렵고, 충전이 되더라도 표면에서 충전되므로 습도나 다른 이물질이 표면에 접촉될 경우 쉽게 소멸되고, 습도나 주위 환경에 특히 충격에 매우 약하다는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 간단한 공정을 사용하면서도 고온용으로 적합한 일렉트릿트를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 일렉트릿트를 연속적으로 융착할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 상기 일렉트릿트를 구비한 마이크로폰을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
금속판;
상기 금속판 상에 형성되며, 접착성을 갖는 내열성 불소계 프라이머 또는 1코팅용 도료를 포함하는 제1층; 및
내열성 불소계 수지를 포함하는 제2층을 구비하며,
상기 제1층, 제2층, 또는 상기 제1층 및 제2층이 실란계 화합물, 금속원소 및 금속 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 일렉트릿트를 제공한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 제1층에 포함되는 접착성을 갖는 내열성 불소계 프라이머 또는 1코팅용 도료는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시(PFA), 불화 에틸렌프로필렌 수지(FEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 또는 변성 폴리테트라플루오로에틸렌(modified PTFE)의 불소계 수지 및 바인더를 포함한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 제2층에 포함되는 내열성 불소계 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시(PFA), 불화 에틸렌프로필렌 수지(FEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 또는 변성 폴리테트라플루오로에틸렌(modified PTFE)을 포함한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 제1층의 두께는 1 내지 50㎛이 바람직하다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 제2층의 두께는 5 내지 100 ㎛이 바람직하며, 다중층으로 도포할 수도 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,
금속판 상에 접착성을 갖는 내열성 불소계 수지 및 바인더를 포함하는 제1 분산액을 도포한 후, 이를 건조 또는 소성하여 제1층을 형성하는 단계; 및
내열성 불소계 수지를 포함하는 제2 분산액을 상기 제1층 상에 도포 및 건조한 후, 이를 소성하여 제2층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 제1 분산액 및 제2 분산액 중 적어도 하나 이상은 실란계 화합물, 금속원소 및 금속 화합물이 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함하는 일렉트릿트의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 제1층 및 제2층은 스프레이법, 침지법, 그라비아 코팅법, 캐스팅법 등의 방법으로 형성할 수 있다.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은
배극판;
상기 배극판 상에 형성된 상기 제1층 및 제2층을 포함한 일렉트릿트;
다이어프램; 및
전계 효과 트랜지스터를 구비한 마이크로폰을 제공한다.
이하에서는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 일렉트릿트는 금속판 상에 형성되는 내열성 불소계 수지층에 실란계 화합물, 금속원소, 금속 화합물 등을 첨가하여 제조함으로써 고온에 강한 구조를 가지면서도, 고온 전하 특성이 개선되어 SMD가 가능해지며, 간단한 공정에 의해 경제적으로 제조하는 것이 가능하다.
본 발명자들의 판단으로는 금속원소 또는 금속화합물이 SEED 역할로 PTFE 결정성 수지의 결정화도를 높여, 전하가 포집되는 공간 즉, 결정 그레인을 많이 갖게 하거나, 프라이머층에 금속성분과 일정 화학적 결합이나 분자 배열로 고열시 PTFE 열적유동을 제어하는 역할을 하거나, 금속층과 1층, 1층과 2층의 접착력의 향상으로 고온 전하잔존율이 증가하는 것으로 판단된다.
한편, 실란계 화합물은 상기 내용과는 별도로 금속과 1층 프라이머층, 프라이머층과 2층 유전체층의 접착력을 향상시키는 역활을 하며, 접착력도 내열성에 크게 기여하리라 판단된다. 접착력 낮으면 프레스 타발시 금속판과 필름가측이 쉽게 이형되며 접촉면적이 작아져 콘덴서 기능이 크게 저하되고, 1, 2층과의 접착결합이 약해져도 고열에 쉽게 변형이 발생하여 전하보존 조직이 약해지기 때문이다.
본 발명에 따른 금속판과 제2층을 접착시키는 용융점이 높은, 내열성 불 소계 수지 도료 일명, 불소계 코팅용 프라이머 또는 1코팅용 도료를 포함하는 제1층과 일렉트릿트인 내열성 불소계 수지를 포함하는 제2층으로 이루어지며, 상기 제1층 또는 제2층은 실란계 화합물, 금속원소 및 금속 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 1층에 사용되는 불소계 프라이머 또는 1코팅용 도료와 상도로 사용하는 코팅용 PTFE 분산액 또는 침지용으로 사용하는 PTFE 불소수지 분산액은 듀퐁(Dupont), 다이킨(Daikin), 다이네온(Dyneon), 아사히 글래스(Asahi glass), 소베이(Sovey) 등 불소수지 제조업체에서 판매하는 것을 말한다. 듀폰과 다이킨 제품은 위에서 언급한 물질을 말한다.
상기 제1층에 포함되는 접착성을 갖는 내열성 불소계 코팅용 프라이머 또는 1코팅용 도료는 금속판과 상기 제2층의 내열성 수지층과의 접착을 위해 사용된다.
상기 불소계 코팅용 프라이머의 조성을 보면 N-메틸피롤리돈(NMP), 메틸에틸케톤(MEK), DMF, 크실렌, DMAC, 물, 톨루엔 등의 용매가 각 용도에 맞게 일정 조성으로 혼합되어 있는 용액으로서 이들이 바람직하게는 5 내지 60중량% 함유되어 있으며, 합성수지 바인더로 PAI 또는 PI 등이 약 5 내지 35중량% 함유되어 있으며, PTFE 등의 불소수지가 5 내지 40중량% 함유되어 있고, 분산성, 레벨성과 웨팅성을 위해 계면활성제가 1 내지 5중량% 함유되어 있으며, 색상과 안정성을 위해 피그먼트와 안료가 10 내지 20중량% 포함되어 있는 것이 바람직하다. 이들은 금속판과 제2층을 접착 가능하게 제조된 불소계 코팅용 프라이머를 말하며, 위 혼합된 분산 액에 금속과의 접착성을 향상시키기 위해 크롬산과 인산, 물이 일정한 혼합된 용액을 20 내지 40중량% 추가하여 사용하는 것도 가능하다. 여기에서 접착성에 가장 영향을 주는 것은 합성수지 바인더와 불소계 수지로서 SMD 조건에 견딜 수 있는 것이 바람직하다.
통상 프라이머는 초도로 사용하며, 여기에 중도, 상도 등을 추가 코팅하여 사용하지만, 1코팅 불소 도료는 불소계 수지의 함량을 30 내지 50중량%까지 증가시켜 중도 또는 상도 없이 1회 코팅만으로 동일한 효과를 얻도록 제조된 것을 말하며, 여기에서는 단지 접착성을 위해서만 사용됨으로 제1층에만 한정하는 것이 좋다.
콘덴서마이크로폰 조립시의 SMD 조건이 250℃ 및 20분 정도로 내열성이 높은 PTFE 외에 저분자량 PTFE, 변성 PTFE, PFA, FEP, PVDF로 대체된 프라이머 또는 1코팅도료를 사용하는 것도 포함한다.
사용가능한 프라이머로는 듀폰사에서 제공하는 459-804, 459-808, 420-423, 420-425, 420-703, 850-300, 850-305, 850-314, 850-321, 858-100, 857-083, 857-016, 857-100, 857-101 등이 있으며, 다이킨사에서 제공하는 EK1908S-201, EK1909S-201, ED1939D-501, ED1939D-501, ED1939D-504A 등이 있으며, 그외에 다른 불소수지 회사의 상품도 사용이 가능하다.
상기 1코팅용 불소계 도료에는 듀폰사에서 제공하는 420-104, 420-106, 420-109, 420-117, 420-105, 421-400, 420-800, 420-801, 420-804, 857-163, 958-303, 958-306, 958-316, 958-423, 958-110957 등이 있으며, 다이킨사에는 TC- 7801S1, TC-7806S1, TC7817S1, TC-7805GNC, TC-7883S1, TC-7801M1, TC-7805M1, TC-7817M4, TC-7808-7, TC-7858LG, TC-7808-16, TCW-8808GYS, TCL-7105GN, TCW-8808GYS 등이 있으며, 그 외에 다른 불소수지 회사의 상품도 사용이 가능하다.
본 발명에 따른 상기 제 2층인 일렉트릿트를 형성하는 내열성 불소수지계 물질은 용융점이 높아 SMD 조건인 고온에서 충전된 전하를 유지할 수 있는 물질을 의미하며, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 저분자량 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 변성 폴리테트라플루오로에틸렌(modified PTFE) 또는 이들의 블렌드물이 주요성분인 분산액을 의미한다. 상기 PTFE는 비점착 수지로서 용융온도가 대략 325 내지 335℃로서 매우 높아 본 발명에서 고온용 일렛트렛트로 사용이 가능하다.
제2층에 사용하는 불소계 내열성 수지의 분산액의 침지용에는 불소계 수지 함량이 50 내지 60중량%이며, 물이 25 내지 45중량%, 물과 불소계 수지 고형분이 잘 섞이도록 계면활성제가 3 내지 10중량% 혼합되어 있는 분산액을 말하며, 코팅용에는 불소계 수지 40 내지 50중량%, 물이 30 내지 50중량%, 계면활성제가 3 내지 10중량%, 기타 코팅 점도조절제가 10 내지 20중량%로 함유된 분산액이 바람직하다. 침지용 상품명에는 듀폰사에 TE 3893 등이 있으며, 다이킨사에는 D-1E, D-2E, D-2CE, D-3E, D-H32E 등이 있으며, 코팅용 상품명에는 듀폰사에는 852-200, 852-201, 852-202, 857-300 등이 있고, 다이킨사에는 EK-3700C-201 등이 있다.
상기 제1층엔 합성수지 등의 바인더가 많은 양이 들어 있고, 불소수지가 소량 첨가 되어, 금속판과 제2층의 접착을 위해 제조되지만, 제2층은 주요성분이 불 소계 수지로 합성수지 바인더가 포함되어 있지 않고, 수분이 증발하면 계면활성제를 포함한 주성분이 불소계 수지가 된다.
상기 제 2층에 사용되는 불소계 분산액에 고온 전하잔존율을 향상하기 위하여 실란화합물 또는 금속원소 또는 금속화합물을 불소계 수지 고형분에 10중량% 이하의 함량으로 첨가하여 전하특성을 개선하게 된다.
상기 본 발명에 따른 일렉트릿트를 구성하는 제1층 또는 제2층에 포함될 수 있는 실란계 화합물, 금속원소 및/또는 금속 화합물은 상기 일렉트릿트의 유전특성 또는 전하 특성을 개선하기 위하여 첨가된다.
이와 같은 실란계 화합물로서는 통상의 실란계 화합물이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 하기 화학식 1의 구조를 갖는 화합물을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
R2SiX2
상기 화학식 1에서, R은 수소, C1-C10의 알킬기 또는 할라이드가 치환된 C1-C10의 알킬기이고, X는 수소, 할라이드, C1-C10의 알킬기, 할라이드가 치환된 C1-C10의 알킬기, C1-C10의 알콕시기 또는 C1-C10의 알콕시기이다. 보다 바람직하게는, 상기 화학식 1은 신에츠실란(γ-메타크릴록시프로필트리메톡시 실란), γ-아미노프로필트리에톡시 실란, γ-아미노프로필트리메톡시 실란 및 N-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리에톡시 실란으로 이루어진 군중에서 선택된다.
상기 금속원소로서는 Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Cs 및 Ba으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
상기 금속 화합물은, 상기 금속원소를 포함하는 화합물로서, 그 예로서는 금속 수산화물, 금속 질화물, 금속 산화물, 금속 황화물 등을 예로 들 수 있으며, 더욱 바람직하게는, NaCl, Ca(OH)2, TiO2, Na2CO3, CaCO3, NaOH, Al2O3 등을 사용할 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 실란계 화합물, 금속원소 및/또는 금속 화합물은 상기 일렉트릿트를 구성하는 제2층에 포함될 수 있으며, 두 층 모두에 포함되는 것도 가능하다. 바람직하게는 제1층 및 제2층에 각각 단독으로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 제2층에 포함되는 것이 좋다.
이와 같은 실란계 화합물, 금속원소 및/또는 금속 화합물의 함량은 상기 제1층 또는 제2층 각각의 전체 중량에 대하여 10중량% 이하의 함량, 바람직하게는 2 내지 5중량%로 포함될 수 있는 바, 상기 함량이 10중량%를 초과하는 경우 초기 전하 충전값이 감소할 수 있어 바람직하지 않다.
이와 같이 상기 제1층 및/또는 제2층에 첨가된 물질은 각 층을 구성하는 불소계 수지의 접착성, 유전특성 및 고온 전하 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, 상기 불소계 수지의 분자구조를 변경시켜 고온에서도 전하들이 손실되지 않는 구조를 갖게 되므로, 결정간에 전하를 트랩하는 역할을 수행하게 된다. 또한 이와 같이 혼합된 물질은 습도나 온도와 같은 주변 환경에 크게 영향을 받지 않으므로 일렉트릿트의 내환경성을 강화시키게 된다.
본 발명에 따른 일렉트릿트에서 접착성을 갖는 내열성 불소계 수지를 포함하 는 제1층은 1 내지 50㎛의 두께를 갖는 것이 바람직한 바, 상기 제1층의 두께가 1㎛ 미만인 경우 불소계 수지의 함량이 적어 접착력이 지나치게 작아지므로 쉽게 박리되는 문제가 있으며, 50㎛을 초과하는 경우 그 결과로 인해 제2층의 두께가 얇아지게 되므로 초기 전하값이 저하된다는 문제가 있다.
본 발명에 따른 일렉트릿트에서 제2층의 경우는 5 내지 100㎛의 두께를 갖는 것이 바람직한 바, 상기 제2층의 두께가 5㎛ 미만인 경우 제2층을 구성하는 입자의 크기가 지나치게 작아져 전하를 트랩하기 곤란하다는 문제가 있으며, 100㎛을 초과하는 경우 초과하는 두께로 인한 효과가 적어 경제성이 저하된다는 문제가 있다.
상기 본 발명에 따른 일렉트릿트에서 편의상 제1층 및 제2층을 명확히 구별하여 사용하나, 소성 과정 등을 통하여 상기 층들은 서로 융합하여 불연속적인 층을 형성하는 것도 가능하며, 본 발명에서 이들 층간의 계면이 명확하게 구별되어야 하는 것이 아님을 당업자들은 충분히 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 일렉트릿트는 다음과 같이 제조할 수 있다.
우선 금속판 상에 접착성을 갖는 내열성 불소계 수지를 포함하는 프라이머 나 1코팅용 도료를 직접 사용하거나, 상기 실란계 화합물, 금속원소나 금속화합물을 첨가 혼합하여 코팅하고, 건조 및 소성하여 제1층을 형성할 수 있다. 얻어진 제1층 상에, 일렛트릿트인 내열성 불소계 수지 용액을 직접 사용하거나, 실란계 화합물, 금속원소나 금속화합물이 혼합된 혼합 용액을 도포하고, 이를 건조, 소성한 후, 냉각시켜 제2층을 형성함으로써 본 발명에 따른 백 일렉트릿트 PLATE를 제조하 는 것이 가능하다. 즉 상기 실란계 화합물, 금속원소나 금속화합물은 단독으로 또는 적절히 조합하여 상기 불소계 수지와 함께 상기 제1층 단독, 제2층 단독, 혹은 제1층 및 제2층 모두에 사용할 수 있다.
상기 제1층 및 제2층이 순차적으로 형성되는 금속판으로서는 해당 기술분야에서 사용되는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 두께 0.05 내지 0.5mm의 황동, 청동, 인청동, 양백, SUS 등을 사용하는 것이 가능하다, 이때 금속판은 부식방지로 니켈 도금도 가능한데 도금두께는 0.5 내지 4㎛으로 할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 금속판에 접착성을 갖는 내열성 불소계 수지를 포함하는 프라이머 및 1코팅용 도료를 도포하기 위해서는, 우선 금속판에 상기 내열성 불소계 수지를 포함하는 프라이머 또는 1코팅용 도료를 단독으로, 혹은 상기 실란계 화합물, 금속원소 및/또는 금속화합물을 혼합한 프라이머 도료를 도포를 하고, 100 내지 250℃에서 2 내지 40분간 건조한 후, 250 내지 380℃에서 2 내지 40분간 소성하여 일렉트릿트용 제1층을 형성하게 된다.
상기 첨가 물질로서는 실란계 화합물,금속이온, 금속화합물 등이 첨가되어 사용할 수 있으나, 이들에 제한되는 것은 아니다. 이와 같은 물질의 함량은 제1층 고형분 함량에 대하여 10 %중량 이하의 함량으로 포함될 수 있는 바, 10중량%를 초과하는 경우 고온 전하 특성이 감소할 수 있어 바람직하지 않다.
이와 같이 형성된 제1층은 1 내지 50㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
다음으로는, 얻어진 상기 제1층 상에 내열성 불소계 수지를 포함하는 용액, 예를 들어 코팅용 PTFE 분산액 또는 침지용 분산액을 단독으로, 혹은 상기 실란계 화합물, 금속원소 및/또는 금속 화합물을 소정 비율로 혼합한 혼합용액을 도포하고, 상기 혼합용액을 건조, 소성 및 냉각시켜 일렉트릿트 제2층을 형성함으로써 본 발명에 따른 일렉트릿트를 제조하는 것이 가능하다.
상기 실란계 화합물 및 금속원소나 금속화합물로서는 Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Cs, Ba나 이를 포함한 분자 등을 사용할 수 있으나, 이들에 제한되는 것은 아니다. 이와 같은 물질의 함량은 제2층 전체 PTFE 고형분 함량에 대하여 10중량% 이하의 함량으로 포함될 수 있는 바, 10중량%를 초과하는 경우 오히려 고온 전하 특성이 감소할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 공정에서 제2층을 구성하기 위한 혼합용액은 스프레이법이나 그라비아 코팅법, 침지법, 캐스팅법 등의 도포법을 사용하여 상기 제1층 상에 형성되는 바, 이때 5 내지 100㎛의 두께로 도포될 수 있다. 상기 도포 두께가 5㎛ 미만이면 목적하는 제2층의 형성이 불충분해질 수 있으며, 100㎛을 초과하는 경우 초과하는 두께로 인한 이익이 거의 없어 경제성이 저하된다는 문제가 있다. 이때 제 2층의 두께는 소성 후의 두께를 의미한다. 이와 같은 제2층은 다소 두꺼운 두께를 가질 수도 있는 바, 이와 같은 두께를 형성하기 위해서는 상기 제2층을 중복하여 형성하는 것이 가능하다. 즉, 상술한 제2층 형성 과정을 수행한 후, 이를 반복적으로 수차례 실시하는 것이 가능하다.
상기 공정에서 혼합 용액을 도포, 건조, 소성하기 위한 조건으로서는, 컨베이어 연속 소성로와 같은 연속 소성이 가능한 시스템을 사용하여 먼저 도포하고 100 내지 450℃의 온도에서 10 내지 100분간 통과시키면서 건조, 소성한 후, 냉각시킬수도 있으며, 그라비아, 캐스팅, 침지법 등의 연속 공정을 사용함으로써 일괄 공정이 가능해져, 대량 생산 및 일괄 생산이 가능해지게 된다.
실시예 1
초도로 사용되는 PTFE계 프라이머(듀폰사 459-808)를 두께 0.2mm의 황동판(가로 150mm X 세로400mm) 상에 스프레이 도포하여 10㎛의 두께로 형성한 후, 이를 200℃에서 10분간 건조하고, 380℃에서 10분간 소성하여 제1층을 형성하였다.
이어서, PTFE 고형분 함량이 60중량%인 침지용 PTFE 분산액 (듀폰사 TE3893)에 신에츠 실란(KBM503)(γ-메타크릴록시프로필트리메톡시 실란) 용액을 1중량% 비율로 혼합하여 얻어진 혼합용액을 상기 제1층 상에 스프레이법으로 30㎛의 두께로 도포하였다. 이어서 컨베이어 연속 소성로를 사용하여 200℃에서 10분간, 380℃의 온도에서 30분간 통과시키면서 소성한 후, 냉각시켜 제2층을 형성함으로써 본 발명에 따른 일렉트릿트를 제조하였다.
실시예 2
초도로 사용되는 PTFE계 프라이머(듀폰사 459-808)에 TiO2를 6중량% 중량비로 균일하게 혼합하여 두께 0.2mm의 황동판(가로 150mm X 세로400mm) 상에 스프레이 도포하여 10㎛의 두께로 형성한 후, 이를 200℃에서 10분간 건조하고, 380℃에서 10분간 소성하여 제1층을 형성하였다.
이어서, PTFE 고형분 함량이 60중량%인 침지용 PTFE 분산액(듀폰사 TE3893)에 상기 제1층 상에 스프레이법으로 30㎛의 두께로 도포하였다. 이어서 컨베이어 연속 소성로를 사용하여 200℃에서 10분간, 380℃의 온도에서 30분간 통과시키면서 소성한 후, 냉각시켜 제2층을 형성함으로써 본 발명에 따른 일렉트릿트를 제조하였다.
실시예 3
초도로 사용되는 PTFE계 프라이머(듀폰사 459-808)를 두께 0.2mm의 황동판(가로 150mm X 세로400mm) 상에 스프레이 도포하여 10㎛의 두께로 형성한 후, 이를 200℃에서 10분간 건조하고, 380℃에서 10분간 소성하여 제1층을 형성하였다.
이어서, PTFE 고형분 함량이 60중량%인 침지용 PTFE 분산액(듀폰사 TE3893)에 NaOH를 1중량% 비율로 혼합하여 얻어진 혼합용액을 상기 제1층 상에 스프레이법으로 30㎛의 두께로 도포하였다. 이어서 컨베이어 연속 소성로를 사용하여 200℃에서 10분간, 380℃의 온도에서 30분간 통과시키면서 소성한 후, 냉각시켜 제2층을 형성함으로써 본 발명에 따른 일렉트릿트를 제조하였다.
비교예 1
100㎛ 이하의 크기를 가지며, 평균입경이 40㎛인 PTFE 몰딩용 분말(듀퐁사 7AJ)을 PIPE 압축성형용 금형에 투입하고, 성형압 300kg/cm2으로 성형한 후, 340℃에서 PIPE 성형품 두께 1cm당 2시간의 유지시간으로 소성하였다. 소성된 PIPE 소성품은 스카이빙법을 사용하여 두께 40㎛의 두께로 깎아내어 PTFE 필름을 얻었다.
두께 0.2mm의 황동판(가로 150mm X 세로400mm) 상에 상기 PTFE 필름을 올려 놓고, 보호필름으로서 알루미늄박 18㎛을 올려 놓은 후, 이를 핫 프레스의 양 가압 판을 이용하여 340℃의 온도에서 40kg/cm2의 압력으로 50분간 가압한 후, 냉각시켰다. 이어서 상기 알루미늄박을 나프탈렌계 에칭액으로 제거하여 40㎛ 두께의 일렉트릿트를 제조하였다.
실험예 1: 고온 전하 특성 시험
상기 실시예 1, 2 ,3 및 비교예 1에서 얻어진 일렉트릿트에 대하여 상온, -6kv, 속도 0.5m/min의 전하충전조건에서 고온 전하 특성 시험을 실시하여 얻어진 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
[표 1]
분류 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
금속판 (니켈도금) 황동 0.2mm 황동 0.2mm 황동 0.2mm 황동 0.2mm
1층 프라이머 두께 PTFE계 10um PTFE계 10um (TiO2 6%) PTFE계 10um -
2층 필름 두께 PTFE 30um (실란 1%) PTFE 30um PTFE 30um (NaOH 1%) PTFE 40um
고온전하특성 초기충전량(V) 465 461 467 463
250℃에서 20분간 에이징 후 충전량(V) 421 396 429 358
전하 잔존율(%) 91 88 92 65
상기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 실시예 2 , 실시예 3의 일렉트릿트는 비교예 1과 비교하여 초기 및 에이징 후 충전량이 높고, 전하 잔존율도 개선되었음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 고온용 일렉트릿트는 고온 전하 특성이 우수하고, 내환경성이 개선되어 SMD조건에서 사수 있으며, 특히 마이크로폰이나 센서 등에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 금속판;
    상기 금속판 상에 형성되며, 접착성을 갖는 내열성 불소계 프라이머 또는 1코팅용 도료를 포함하는 제1층; 및
    내열성 불소계 수지를 포함하는 제2층을 구비하며,
    상기 제1층, 제2층, 또는 상기 제1층 및 제2층이 실란계 화합물, TiO2 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 일렉트릿트,
    이때, 상기 실란계화합물은 R2SiX2 구조로서, 신에츠실란(γ-메타크릴록시프로필트리메톡시 실란), γ-아미노프로필트리에톡시 실란, γ-아미노프로필트리메톡시 실란 및 N-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리에톡시 실란으로 이루어진 군중에서 선택된다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1층에 포함되는 접착성을 갖는 내열성 불소계 프라이머 또는 1코팅용 도료는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시(PFA), 불화 에틸렌프로필렌 수지(FEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 또는 변성 폴리테트라플루오로에틸렌(modified PTFE)의 불소계 수지 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로하는 일렉트릿트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2층에 포함되는 내열성 불소계 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시(PFA), 불화 에틸렌프로필렌 수지(FEP), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 또는 변성 폴리테트라플루오로에틸렌(modified PTFE)을 포함하 는 것을 특징으로 하는 일렉트릿트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1층의 두께가 1 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 일렉트릿트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2층의 두께가 5 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 일렉트릿트.
  6. 금속판 상에 접착성을 갖는 내열성 불소계 수지 및 바인더를 포함하는 제1 분산액을 도포한 후, 이를 건조 또는 소성하여 제1층을 형성하는 단계; 및
    내열성 불소계 수지를 포함하는 제2 분산액을 상기 제1층 상에 도포 및 건조한 후, 이를 소성하여 제2층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 제1 분산액 및 제2 분산액 중 적어도 하나 이상은 실란계 화합물, TiO2 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함하는 일렉트릿트의 제조방법,
    이때, 상기 실란계화합물은 R2SiX2 구조로서, 신에츠실란(γ-메타크릴록시프로필트리메톡시 실란), γ-아미노프로필트리에톡시 실란, γ-아미노프로필트리메톡시 실란 및 N-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리에톡시 실란으로 이루어진 군중에서 선택된다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1층 및 제2층의 도포 공정이 스프레이법, 침지법 또는 그라비아 코팅법, 캐스팅법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 일렉트릿트의 제조방법.
  8. 배극판;
    상기 배극판 상에 형성된 상기 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 일렉트릿트;
    다이어프램; 및
    전계 효과 트랜지스터를 구비한 마이크로폰.
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