KR101983163B1 - 정전기 방지용 특수구조 입자 및 이를 포함하는 페이스트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전기를 방지하기 위한 특수구조 입자 및 이를 포함하는 페이스트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 특수구조입자는 그 제조방법이 용이하고 경제적이다. 또한 극대화된 입자간의 양자터널링 효과를 통해 정전기를 매우 효과적으로 차단할 수 있으며, 고밀도의 미세 회로에도 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다.

Description

정전기 방지용 특수구조 입자 및 이를 포함하는 페이스트{Particles with special structure for preventing electrostatic discharge and paste containing the same}

본 발명은 정전기 방지용 특수구조 입자 및 이를 포함하는 페이스트에 관한 것이다.

전자제품의 크기가 작아짐에 따라 장착되는 부품의 밀도가 증가하고 있으며, 성능의 향상 및 부피의 감소를 위해 IC와 같은 집적회로의 탑재가 증가하고 있다. 이에 따라, 전자제품에서 발생하는 정전기(ESD, electrostatic discharge)의 방지에 대한 필요성이 한층 높아지고 있다.

스마트폰과 태블릿 PC와 같은 휴대용 제품의 보급이 증가함에 따라, 각 휴대용 제품 간, 또는 휴대용 제품과 비 휴대용 제품인 개인용 컴퓨터 간의 데이터 통신을 위한 USB, 디렉트 케이블 등과 같은 보조장치의 사용도 급증하고 있는 추세이다. 이들에 포함된 전력단 및 신호 연결부에서의 서지(Surge)발생율 또한 증가하고 있다.

이에 대한 대책으로, 기존에는 바리스터(varistor)와 같은 부품을 사용하였다. 그러나, 바리스터의 경우 커패시턴스(capacitance) 값이 크다는 단점이 있다. 최근의 데이터 통신량과 데이터의 전송속도의 증가추세를 감안할 때, 바리스터와 같이 커패시턴스 값이 큰 정전기 방지부품을 사용할 경우, 신호의 왜곡 및 노이즈의 발생으로 인해 정상적인 데이터의 전송이 어렵다. 따라서, 고속의 데이터 전송을 위해서는 낮은 커패시턴스 값을 가지면서도 우수한 정전기 방지 특성을 유지하는 제품이 요구되고 있다.

정전기(ESD, Electrostatic Discharge)는 전자시스템 및 IC와 같은 집적회로의 사용으로 인해 발생하는 불가피한 현상의 하나이다. 정전기가 발생하면 수백나노초 이내에 수 암페어의 피크전류가 발생하게 되며, 이를 수십나노초 이내에 GND 등의 보호회로로 전달해 주어야 한다. 그렇지 못할 경우, 고전류가 IC 등의 집적회로로 이동하여 기능의 열화나 파손을 일으키게 된다. IC와 같은 집적회로는 회로의 선폭이 수십에서 수백나노 미터 크기로 매우 미세하기 때문에, 서지가 발생할 경우 심각한 손상이 발생하거나, 회복이 불가능한 기능의 저하가 나타날 가능성이 크다. 따라서, 정전기 방지 부품의 적용은 필수적인 요구사항이다.

회로 내의 부품을 보호하기 위한 보호소자로는 크게 네 가지 형태가 적용되고 있다.

첫 번째는, 적층형 칩 바리스터(laminated chip varistor)이다. 이는 ZnO와 같이 반도체 특성을 갖는 금속산화물과 전극의 소결체로 구성되는 소자이다. 바리스터는 인가전압이 일정한 수준 이상이 되면 전류가 큰 폭으로 발생하여 흐르는 특성이 있으나, 시트 형성과 전극 인쇄, 적층 및 소결 등의 공정을 거치므로, 제조공정이 복잡하고, 커패시턴스가 커 고속의 데이터 전송에는 부적합하다는 문제점이 있다.

두 번째는 방전형 소자이다. 이는 방전갭의 거리, 함께 밀봉되어 있는 가스의 종류 및 압력 등으로 방전특성을 조절하는 소자이다. 이는 정전기 특성이 뛰어나지만, 형태가 복잡하고 표면 실장용 소자에 요구되는 소형화가 어려워 적용에 한계가 있으며, 작동원리가 간단하지만 내구성에 문제가 있다.

세 번째는 방전 갭을 형성하고 갭의 간격에 의해 방전 전압을 조정하는 형태이다. 이 경우에는 외부의 습도 및 가스에 의해 도체에 오염이 생기고, 그로 인해 방전 전압이 변화할 가능성이 있으며, 방전시 기판의 탄화에 의해 전극이 단락할 가능성이 있다.

네 번째는 상기의 문제를 해결하고 낮은 전압에서의 절연 특성을 개선하기 위해 방전 갭을 금속 또는 금속 산화물 필러와 레진을 혼합한 정전기 방지용 페이스트로 도포하는 형태이다. 이러한 정전기 방지용 페이스트 제작에 사용되는 금속 산화물 필러는 ZnO와 같은 특성을 갖고 있어야 한다. 금속을 필러로 사용하는 경우에는 금속표면에 산화피막을 형성시켜 일정한 전압이 될 때까지 절연특성이 유지되도록 하는 것이 필요하다.

정전기 방지용 페이스트의 특성에 있어서, 절연상태에서 저항이 급격히 낮아지기 시작하는 전압을 턴온전압(Turn on voltage)이라고 하며, 정전기 방지 특성을 설명하는 중요한 항목이다. 우수한 정전기 방지 특성을 위해서는 턴온전압이 낮은 것이 바람직하며, 이를 위해서는 큰 직경의 필러를 사용하는 것이 더 유리하다. 필러가 구형인 경우, 직경이 증가함에 따라 인쇄된 정전기 방지층의 두께도 함께 증가하게 되므로 제품의 소형화에 불리하다. 또한, 턴온전압을 낮추기 위해 필러 간의 거리를 단축시키고자 하는 경우에는 필러의 충진률을 높여야 하는 단점이 있다.

한국 공개특허 2010-0034238

이와 같은 기술적 배경하에서 본 발명자들은 예의 노력한 결과, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

결국 본 발명의 목적은 우수한 정전기 방지 특성을 나타내는 정전기 방지용 입자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 정전기 방지용 입자를 포함하는 페이스트를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 하나 또는 그 이상의 로드형입자가 구형입자의 표면에 부착된 형상을 갖는 정전기 방지용 입자가 제공될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 로드형입자 또는 구형입자 각각의 재질은 금속, 산화물 및 산화물의 피막으로 코팅된 금속 중에서 선택되는 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 금속은 망간, 지르코늄, 탄탈, 몰리브덴, 니켈, 코발트, 알루미늄, 크롬 및 이들의 2종 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 산화물은 알루미나, NiO, ZnO, SiO₂ 및 TiO₂로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 로드형 입자의 길이:구형입자의 직경의 비율은 5:1~1:20의 비율일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기에 따른 정전기 방지용 입자를 포함하는 정전기 방지용 페이스트가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 특수구조입자는 그 제조방법이 용이하고 경제적이다. 또한 극대화된 입자간의 양자터널링 효과를 통해 정전기를 매우 효과적으로 차단할 수 있으며, 고밀도의 미세 회로에도 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전기 방지용 입자의 모식도를 나타낸다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명이 요구하는 우수한 정전기 방지 특성을 나타내기 위해서는 다음과 같은 성질이 필요하다.

1) 양자터널 효과를 통해 보다 낮은 턴온전압에서 정전기 방지 효과를 나타낼 수 있을 것.

2) 정전기의 방전시 누설전류가 낮을 것.

3) 정전기의 방전 처리 후, 원래의 절연성능을 회복할 수 있을 것.

상기와 같은 특성을 위해, 본 발명은 다음과 같이 특수한 형상을 갖는 입자및 이를 포함하는 정전기 방지용 페이스트를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 하나 또는 그 이상의 로드형입자가 구형입자의 표면에 부착된 형상을 갖는 정전기 방지용 입자가 제공될 수 있다.

상기 로드형입자를 구형입자에 부착시키는 방법으로는 구형의 입자의 표면에 딥-코팅(dip-coating), 스프레이 코팅(Spray-coating), 기계적 융합(mechano-fusion) 및 침전법 등을 이용할 수 있다. 기계적 융합 이외의 방법을 이용하였을 경우에는, 사후 열처리를 통해 로드형입자와 구형입자 간의 결합을 강화시키는 과정이 더 필요할 수도 있다.

본 발명은 특수구조의 입자를 제공함으로써, 정전기 방지용 페이스트에 포함되는 입자간의 양자터널 효과가 극대화되도록 한 것이다. 상기의 양자터널 효과는, 페이스트 내로 유입된 정전기가 입자 사이에서 효과적으로 전이될 수 있도록 각 구형입자상에 부착된 로드형입자들의 말단부가 페이스트 내에 골고루 분포되도록 하는 것이 중요하다. 도 1에는 입자간의 정전기의 전이를 도식적으로 나타내었다.

또한, 양자터널 효과를 극대화시키기 위해, 상기 로드형입자의 모서리는 다양한 형태를 나타낼 수 있다. 최초의 구형입자의 씨앗(seed)로부터 합성된 로드형입자는 둥근형태를 가질 것이며, 필요에 따라 뾰족한 형태나, 에지를 갖도록 가공될 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 로드형입자 또는 구형입자 각각의 재질은 금속, 산화물 및 산화물의 피막으로 코팅된 금속 중에서 선택되는 것일 수 있다.

상기 금속은 정전기의 처리를 위해 지나치게 전도성이 좋은 금속은 바람직하지 않다. 정전기의 방지를 위한 물질은 유입된 정전기를 천천히 소산시킬 수 있는 물질이 적합하며, 이러한 정전기 소산 재질은 10⁵ 내지 10¹² 옴-미터의 저항값을 가질 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속은 망간, 지르코늄, 탄탈, 몰리브덴, 니켈, 코발트, 알루미늄, 크롬 및 이들의 2종 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화물은 알루미나, NiO, ZnO, SiO₂ 및 TiO₂로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

상기에서, 구형입자의 재질과 로드형입자의 재질의 선택, 이들의 표면처리 상태가 정전기 처리 효과에 영향을 끼칠 수 있다. 구형입자 또는 로드형입자의 재질로 금속을 이용하는 경우, 입자의 충진률이 높아지면 입자간의 접촉으로 입자간의 단락(short)이 발생할 수 있다.

따라서, 입자와 입자가 접촉하는 최외각에 존재하는 상기 로드형입자의 표면은 산화물의 피막으로 코팅된 것일 수 있다. 산화물 피막의 종류에는 특별한 제한이 없으나, 정전기를 효과적으로 처리하고 페이스트의 제조공정에서 요구하는 물성을 나타내기 위해서는, 상기에 제시된 NiO, ZnO, SiO₂ 및 TiO₂로 이루어진 군에서 선택할 수 있다. 이때, 상기 산화물 피막의 피막의 두께는 두 입자의 접촉시 단락이 발생하지 않고 절연성이 유지될 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

일 실시예에 있어서, 상기 로드형 입자의 길이:구형입자의 직경의 비율은 5:1~1:20일 수 있다. 보다 바람직하게는 2:1~1:10의 비율일 수 있다. 상기 비율은, 페이스트 내의 입자의 농도 및 점도, 원하는 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 도 1에 나타나 있는 그림은 로드형입자의 길이가 구형입자의 직경에 비해 작은 형태를 나타내고 있으나, 로드형의 입자가 구형입자의 직경에 비해 더 긴 형태를 나타낼 수도 있다. 구형입자의 표면에 로드형입자를 부착시킴으로써 나타나는 장점은 각각의 로드형입자가 갖는 양말단의 분산도를 극대화시킬 수 있다는 점이다. 즉, 로드형입자만을 페이스트 내에 분산시켰을 경우, 응집이 발생하거나 특정방향으로 정열되는 형태가 나타날 수도 있으나, 본 발명과 같이 구형입자의 표면에 부착시켜 분산시킬 경우에는 로드형입자를 상하좌우의 다양한 방향으로 효과적으로 분산시킬 수 있는 장점이 있다. 상기에서 언급한 바와 같이 골고루 분산된 로드형입자의 말단을 통해 본 발명은 보다 우수한 정전기 처리효과를 나타낼 수 있다.

로드형입자의 길이도 상기와 같이 양자터널 효과를 극대화시킬 수 있도록 조절될 수 있다. 본 발명의 특수구조 입자가 낮은 분산도로 페이스트 내에 첨가될 경우, 즉, 입자간의 거리가 멀어질수록 로드형입자의 길이도 길어지는 것이 바람직하다. 단 입자와 입자간의 저항의 크기가 정전기가 흐를 수 없을 정도로 커지는 경우에는 정전기 방지의 효과를 기대할 수 없으므로, 입자와 입자간의 거리는 원하는 처리하고자 하는 대역의 전압(턴온전압)을 고려하여 조정하는 것이 바람직하다. 구형입자상에 부착된 로드형입자의 길이와 구형입자의 직경은 서로 비례관계가 되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기에 따른 정전기 방지용 입자를 포함하는 정전기 방지용 페이스트가 제공될 수 있다.

상기 본 발명에 따른 정전기 방지용 특수구조 입자는 고분자 수지 및 용제와 혼합하여 페이스트로 제조할 수 있다. 상기 입자 및 수지의 분산에는 볼-밀(Ball-mill), 아펙스-밀(Apex-mill), 또는 3 롤-밀(roll-mill) 등의 방법이 가능하나, 고점도 분산의 경우에는 3 롤-밀을 사용하는 것이 일반적이다. 바인더와 입자의 혼합이 완료된 이후에는 추가 용제를 투입하여 인쇄 또는 분산에 적당한 점도로 조절한 후, 공자전 믹싱을 실시하여 추가 투입된 용제를 분산시키고 및 페이스트 내 기포를 제거하여 페이스트를 완성한다.

상기 제조된 페이스트는 정전기 방지 기능을 하는 전극 위에 스크린 프린팅 또는 디스퍼싱(dispersing) 등의 방법으로 도포한 후, 150~200도씨의 온도에서 일정시간 경화과정을 거치면 정전기 방지층이 완성된다.

[실시예]

다음의 실시예는 본 발명에 따른 특수구조 입자를 포함하는 정전기 방지 페이스트에 대한 평가결과이다. 사용된 정전기 방지용 입자는 직경 4μm의 니켈 구형입자에 TiO₂ 재질의 로드형입자를 부착시킨 것을 사용하였다. 상기 로드형입자의 크기는 길이가 500nm이고, 직경이 50nm이다.

하기 표 1은 구형입자만을 사용한 경우(비교예 1)와 본원발명의 일 실시예(실시예 1)에 따라 제조된 특수구조 입자를 이용하여 정전기 방지 특성을 측정한 결과이다.

	비교예 1	실시예 1
금속첨가량	74wt%	77wt%
턴온전압	420V	230V
점도	80kcps	130kcps
누설전류(Leakage current)	0	0

상기 표 1을 참고하면, 니켈을 이용한 구형입자만을 이용한 비교예에 비해, 로드형입자를 표면에 부착시킨 실시예의 경우에 있어서, 턴온전압이 420V에서 230V로 월등히 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 본원발명에 다른 특수구조의 입자를 사요할 경우, 구형입자만을 이용한 경우에 비해 보다 낮은 전압에서도 정전기 방지효과를 나타낼 수 있음을 알 수 있다.

하기 표 2는 상기 실시예 1의 정전기 방지용 입자와, 로드형입자와 구형입자가 따로 혼합된 혼합물이 나타내는 누설전류(Leakage current)를 비교한 결과이다. 상기 로드형입자 및 구형입자의 혼합물은 로드형입자를 구형입자에 부착하기 전의 상태와 동일한 함량비를 갖는다.

	비교예 2	실시예 1
누설전류(Leakage current)	94%	100%

상기 표 2의 검사수량은 총 100개이며, 누설전류는 5V 에서 1μA이하인 경우를 양품으로 판정하였다. 검사 결과, 상기 실시예 1에 따른 ESD 방지용 입자의 누설전류는 모두 1μA이하로 나타났으나, 로드형입자와 구형입자의 단순 혼합물의 경우에는 100개 중 6개의 경우에서 1μA를 초과하는 결과가 나타났다. 따라서, 단순 혼합에 비해 본 발명에 따른 입자구조가 초기 절연상태를 유지하는데 더 효과적임을 확인하였다.

상기 실시예와 비교예의 결과를 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 특수구조 입자를 이용할 경우, 보다 낮은 전압에서도 정전기 방지의 효과를 나타내도록 할 수 있으며, 초기의 절연상태를 유지하는데 보다 더 효과적임을 알 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (6)

1. 하나 또는 그 이상의 로드형입자가 구형입자의 표면에 부착된 형상을 가지며,
   상기 로드형 입자의 길이:구형입자의 직경의 비율은 5:1~1:20인 정전기 방지용 입자.
2. 제1항에 있어서, 상기 로드형입자 및 구형입자의 재질은 금속, 산화물 및 산화물의 피막으로 코팅된 금속 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 정전기 방지용 입자.
3. 제2항에 있어서, 상기 금속은 망간, 지르코늄, 탄탈, 몰리브덴, 니켈, 코발트, 알루미늄, 크롬 및 이들의 2종 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 정전기 방지용 입자.
4. 제2항에 있어서, 상기 산화물은 알루미나, NiO, ZnO, SiO₂ 및 TiO₂로 이루어진 군에서 선택되는 것인 정전기 방지용 입자.
5. 삭제
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 정전기 방지용 입자를 포함하는 정전기 방지용 페이스트.

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