KR102016735B1 - 절연 잉크 조성물 및 그를 이용하여 절연막이 형성된 기판 - Google Patents

절연 잉크 조성물 및 그를 이용하여 절연막이 형성된 기판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고내열성과 고절연성을 갖는 절연 잉크 조성물 및 그를 이용하여 절연막이 형성된 기판에 관한 것이다. 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더; 그래핀 산화물 입자, 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 입자 또는 직경이 나노크기인 전도성 카본 입자를 포함하는 무기 나노 입자; 분산제; 및 유기 용매;를 포함한다.

Description

절연 잉크 조성물 및 그를 이용하여 절연막이 형성된 기판{Insulating ink composition and substrate formed insulating film using the same}
본 발명은 절연 잉크 조성물 및 그를 이용한 기판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고내열성과 고절연성을 갖는 절연 잉크 조성물 및 그를 이용하여 절연막이 형성된 기판에 관한 것이다.
절연 잉크는 현재 PCB, FPCB, 콘덴서, 세라믹 히터 등과 같은 전자제품에 널리 사용될 수 있다.
이러한 절연 잉크 중 높은 내전압과 250℃ 이상의 내열성을 충족하는 소재로서, 글래스 프리트(glass frit)가 포함된 글래스 페이스트 또는 폴리이미드 용액이 사용된다. 여기서 글래스 페이스트는 소성 온도가 높아 다른 유기물 소재와 함께 사용하기 어려운 단점이 있으며, 적용할 수 있는 기재의 제약이 많다. 폴리이미드 용액은 코팅 또는 인쇄로 형성된 막의 두께가 낮기 때문에, 높은 내전압을 위해서는 코팅 또는 인쇄를 반복적으로 수행해야 하는 단점이 있고, 가격적으로도 매우 고가이다.
일례로 레이저프린터의 토너 융착을 위한 세라믹 히터의 경우, 현재 발열 전극 소재로 무기계 소재인 Ag/Pd 혼성 페이스트를 사용하여 인쇄 후 600~700℃의 1차 소결 과정을 거친 이후에, 글래스 페이스트를 2회 도포하여 다시 600℃ 이상의 온도에서 2차 소결 과정을 수행하여 형성한다.
하지만 기존의 세라믹 히터는 할로겐 램프에 비해서 에너지 효율 및 발열 속도가 높으나, Ag/Pd 혼성 페이스트가 매우 고가이고 600℃ 이상의 고온 소결 공정으로 인해서 원가경쟁력이 낮은 문제가 있다.
한국등록특허 제10-1106532호(2012.01.10. 등록)
이러한 문제점을 해소하기 위해서, Ag/Pd 혼성 페이스트에 비해서 저가인 탄소계 페이스트를 사용하는 방안을 고려해 볼 수 있다. 이 경우 탄소계 페이스트로 형성된 막 위에 글래스 페이스트를 적용할 수 없다. 왜냐하면 글래스 페이스트를 소결하는 600℃ 이상의 고온에서는 유기물과 탄소 입자가 분해되기 때문이다.
따라서 본 발명의 목적은 고내열성과 고절연성을 갖는 절연 잉크 조성물 및 그를 이용하여 절연막이 형성된 기판을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 인쇄되는 막의 두께 조절이 쉬운 절연 잉크 조성물 및 그를 이용하여 절연막이 형성된 기판을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더; 그래핀 산화물 입자, 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 입자 또는 직경이 나노크기인 전도성 카본 입자를 포함하는 무기 나노 입자; 분산제; 및 유기 용매;를 포함하는 절연 잉크 조성물을 제공한다.
상기 무기 나노 입자는, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대해서, 0.001 내지 0.5 중량부를 포함할 수 있다.
상기 혼합 바인더가 형성하는 메트릭스 사이에 상기 전도성 카본 입자가 아일랜드 형태로 분포할 수 있다.
상기 그래핀 산화물 입자는 20층 이내에서 절연성을 가지며, 부분적으로 흑연화(graphitization)된 입자이다.
상기 전도성 카본 입자는 카본블랙 또는 20층 이하이고 직경이 2㎛ 미만인 그라파이트 입자를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 상기 혼합 바인더는 8 내지 10 중량부, 상기 무기 나노 입자는 0.001 내지 0.5 중량부, 상기 유기 용매는 20 내지 80 중량부, 및 상기 분산제는 0.5 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 10 내지 500 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은, 입자 크기가 50nm 내지 2㎛인 용융 실리카 입자 또는 알루미나 입자를 포함하는 무기 필러;를 더 포함할 수 있다.
상기 용융 실리카 입자는 2종 이상의 입도를 가질 수 있다.
상기 무기 필러는, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대해서, 10 내지 70 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은, 입자 크기가 50nm 내지 2㎛인 용융 실리카 입자;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은, 우레탄 또는 실리콘 계열의 레벨링제;를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 베이스 기판; 및 상기 베이스 기판의 일면에 상기 절연 잉크 조성물을 인쇄하여 형성한 절연막;을 포함하는 절연 잉크 조성물을 이용한 기판을 제공한다.
상기 절연막은 상기 혼합 바인더가 형성하는 메트릭스 사이에 전도성 네트워크를 형성하기 전의 농도를 갖는 상기 전도성 카본 입자가 아일랜드 형태로 분포한다.
상기 절연막은 인쇄한 절연 잉크 조성물을 100℃ 내지 180℃에서 열처리한 후, 200℃ 내지 300℃에서 에이징하여 형성할 수 있다.
그리고 상기 절연막 내의 상기 그래핀 산화물 입자는 열처리 과정에서 부분적으로 환원되어 부분적으로 전도성을 띄고, 상기 혼합 바인더의 메트릭스와 상기 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 입자의 계면 사이에 포텐셜 우물(potential well)을 형성하고, 상기 혼합 바인더의 메트릭스 내에 상기 전도성 카본 입자가 위치하여 상기 포텐셜 우물을 더 깊게 형성할 수 있어, 전극으로부터 주입되는 전하이동체(charge carrier)의 이동을 억제함으로써 절연특성을 강화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 절연 잉크 조성물은 고내열성의 혼합 바인더에 절연성을 강화할 수 있는 나노 무기 입자를 포함하기 때문에, 고내열성과 고절연성을 갖는 절연막을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은 점도 조절에 따라 도료 또는 용액의 형태로 제조할 수 있기 때문에, 다양한 인쇄 또는 코딩 방법으로 절연막을 형성할 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물을 적용한 제품의 대량 생산에 유리하며, 두께 제어가 용이하여 제품 설계의 자유도를 높일 수 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은 1회 인쇄로 두꺼운 절연막을 형성할 수 있기 때문에, 절연막의 형성 공정을 간소화하고 내전압 설계가 용이한 이점이 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은 기존의 무기계 절연 잉크 조성물과 비교하여 낮은 열처리 온도를 갖기 때문에, 기재 또는 적용 소재, 공정 윈도우를 확장할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은 기존의 무기계 절연 잉크 조성물과 비교하여 열용량이 낮기 때문에, 발열이 필요한 제품에 적용하면 발열속도 및 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은 180℃ 이하의 온도에서 열경화되기 때문에, 다양한 기재 예컨대, 연성 또는 경성의 플라스틱 소재, 금속 소재, 세라믹 소재 등의 베이스 기판에 사용이 가능하다.
도 1은 그래핀 산화물에 형성된 다양한 관능기를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물을 이용하여 절연막이 형성된 기판을 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물로 형성한 절연막을 포함하는 발열체를 보여주는 평면도이다.
도 4는 도 3의 4-4선 단면도이다.
도 5는 도 3의 5-5선 단면도이다.
도 6은 실시예 2에 따른 절연 잉크 조성물을 보여주는 사진이다.
도 7은 실시예 6에 따른 절연 잉크 조성물을 보여주는 사진이다.
도 8은 실시예 2에 따른 절연 잉크 조성물을 알루미나 기판에 스크린 인쇄하여 형성한 절연막의 표면을 보여주는 SEM 이미지이다.
도 9는 실시예 6에 따른 절연 잉크 조성물을 알루미나 기판에 스크린 인쇄하여 형성한 절연막의 표면을 보여주는 SEM 이미지이다.
도 10은 실시예 6에 따른 절연 잉크 조성물로 형성한 절연막을 포함하는 발열체들을 보여주는 사진이다.
도 11은 실시예 2에 따른 절연 잉크 조성물로 형성한 절연막을 포함하는 발열체들을 보여주는 사진으로서, 내전압 측정 이후의 발열체들을 보여주는 사진이다.
도 12는 도 11의 절연 파괴된 발열 전극 부분의 확대도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은 혼합 바인더, 무기 나노 입자, 분산제 및 유기 용매를 포함한다. 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은 무기 필러, 레벨링제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은 유기 용매의 사용량을 조절함으로써, 도료 또는 용액 형태로 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 혼합 바인더 8 내지 10 중량부, 무기 나노 입자 0.001 내지 0.5 중량부, 유기 용매20 내지 80 중량부, 및 분산제는 0.5 내지 5 중량부를 포함한다.
이때 혼합 바인더는 절연 잉크 조성물이 300℃ 가량의 온도 범위에서도 내열성을 가질 수 있도록 하는 기능을 하는 것으로, 에폭시 아크릴레이트(Epoxy acrylate) 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트(Hexamethylene diisocyanate), 폴리비닐 아세탈(Polyvinyl acetal) 및 페놀계 수지(Phenol resin)가 혼합된 형태를 갖는다. 즉 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 형태일 수 있다. 또는 혼합 바인더는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 형태일 수 있다.
예컨대 혼합 바인더의 혼합 비율은 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 10 내지 500 중량부의 비율일 수 있다. 페놀계 수지의 함량이 10 중량부 이하인 경우 절연 잉크 조성물의 내열 특성이 저하되며, 500 중량부를 초과하는 경우에는 유연성이 저하되어 취성이 강해진다.
여기에서 페놀계 수지는 페놀 및 페놀 유도체를 포함하는 페놀계 화합물을 의미한다. 예컨대 페놀 유도체는 p-크레졸(p-Cresol), o-구아야콜(o-Guaiacol), 크레오졸(Creosol), 카테콜(Catechol), 3-메톡시-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), 호모카테콜(Homocatechol), 비닐구아야콜(Vinylguaiacol), 시링콜(Syringol), 이소-유제놀(Iso-eugenol), 메톡시 유제놀(Methoxyeugenol), o-크레졸(o-Cresol), 3-메틸-1,2-벤젠디올 (3-methyl-1,2-Benzenediol), (z)-2-메톡시-4-(1-프로페닐)-페놀((z)-2-methoxy-4-(1-propenyl)-Phenol), 2,6-디에톡시-4-(2-프로페닐)-페놀(2,6-dimethoxy-4-(2-propenyl)-Phenol), 3,4-디메톡시-페놀(3,4-dimethoxy-Phenol), 4-에틸-1,3-벤젠디올(4-ethyl-1,3-Benzenediol), 레졸 페놀(Resole phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-methyl-1,2-Benzenediol), 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-Benzenetriol), 2-메톡시-6-메틸페놀(2-Methoxy-6-methylphenol), 2-메톡시-4-비닐페놀(2-Methoxy-4-vinylphenol) 또는 4-에틸-2-메톡시-페놀(4-ethyl-2-methoxy-Phenol) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
무기 나노 입자는 그래핀 산화물(Graphene oxide; GO) 입자, 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 입자(partially reduced graphene oxide particle) 또는 직경이 나노크기인 전도성 카본 입자를 포함한다. 무기 나노 입자는 절연 잉크 조성물의 내열성과 절연성을 강화한다.
무기 나노 입자는, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대해서, 0.001 내지 0.5 중량부를 포함한다. 이로 인해 전도성 카본 입자는 혼합 바인더가 형성하는 메트릭스 사이에 아일랜드 형태로 분포할 수 있다.
그래핀 산화물 입자는 120층 이내에서 절연성을 가지며, 부분적으로 흑연화(graphitization)된 입자이다.
그래핀 산화물 입자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 다양한 관능기를 가지고 있다. 이러한 다양한 관능기를 이용하여 그래핀 산화물 입자는 유기 바인더인 혼합 바인더와 직접적인 화학적 공유 결합을 유도할 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물은 300℃ 부근 온도에서도 안정적인 내열성을 갖는다. 여기서 도 1은 그래핀 산화물에 형성된 다양한 관능기를 보여주는 도면이다.
그래핀 산화물 입자는 표면과 에지부에 카르복실, 아민, 이민, 하이드록실, 카로보닐, 락톤 등의 다양한 화학적 반응성이 우수한 관능기를 가지고 있다. 그래핀 산화물 입자에 포함된 관능기는 디이소시아네이트, 페놀, 에폭시에 포함된 관능기와 화학적 공유결합이 가능하다. 따라서 그래핀 산화물 입자는 혼합 바인더에 포함되는 에폭시 아크릴레이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 및 페놀계 수지와 화학적 공유 결합을 형성한다. 이러한 그래핀 산화물 입자와 혼합 바인더 간의 화학적 공유 결합은 3차원 네트워크를 형성하고, 고분자 사슬의 움직임을 억제하는 효과가 있기 때문에, 유리전이도 및 분해개시온도의 상승을 유발할 수 있다.
그래핀 산화물 입자는 전술된 바와 같이 표면과 에지부에 다수의 관능기를 갖고 있기 때문에, 혼합 바인더 및 유기 용매에 양호한 분산성을 나타낸다.
전도성 카본 입자는 카본블랙 또는 20층 이하의 그라파이트 입자를 포함할 수 있다. 그라파이트 입자는 2㎛ 미만의 직경을 가질 수 있다. 그라파이트 입자의 직경이 2㎛를 초과하는 경우, 임펄스 파괴강도가 낮아지는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.
한편 전도성 카본 입자로서 탄소나노튜브, 카본 파이버와 같은 침상형은 바람직하지 못한다. 이유는 침상형의 탄소나노튜브 또는 카본 파이버는 작은 함량으로도 전기적 네트워크를 형성할 수 있기 때문에, 절연막을 형성하기 위한 절연 잉크 조성물의 성분으로는 적합하지 못하다.
무기 필러는 절연 잉크 조성물을 이용하여 형성하는 절연막의 표면강도 및 내흡습 특성 등과 같은 신뢰성을 향상시키기 위한 목적으로 첨가할 수 있다. 무기 필러는, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대해서, 10 내지 70 중량부를 포함할 수 있다. 무기 필러로는 입자 크기가 50nm 내지 2㎛인 용융 실리카 입자 또는 알루미나 입자가 사용될 수 있다. 패킹율(packing ratio)을 증가시키기 위해서, 용융 실리카 입자는 2종 이상의 입도를 갖는 입자를 사용할 수 있다.
유기 용매는 혼합 바인더, 무기 나노 입자 및 무기 필러를 분산시키기 위한 것으로, 카비톨 아세테이트(Carbitol acetate), 부틸 카비톨 아세테이트(Butyl carbotol acetate; BCA), DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르(Dipropylene glycol methyl ether; DPM), 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올(Butanol) 및 옥탄올(Octanol) 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.
한편, 분산을 위한 공정은 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 적용될 수 있으며, 예를 들면 초음파처리(Ultra-sonication), 롤밀(Roll mill), 비드밀(Bead mill) 또는 볼밀(Ball mill) 과정을 통해 이루어질 수 있다.
분산제는 분산을 보다 원활하게 하기 위한 것으로, BYK류와 같이 당업계에서 이용되는 통상의 분산제, Triton X-100과 같은 양쪽성 계면활성제, 도데실황산나트륨(Sodium Dodecyl Sulfate; SDS) 등과 같은 이온성 계면활성제를 이용할 수 있다. 특히 용융 실리카 입자의 분산을 위해 하나 이상의 계면활성제가 분산제로 사용될 수 있다.
그리고 레벨링제는 절연 잉크 조성물을 이용하여 형성하는 절연막의 표면 평활도 향상을 위해 사용될 수 있다. 즉 절연 잉크 조성물을 베이스 기판에 인쇄 또는 코팅하여 형성되는 절연막의 표면이 울퉁불퉁해지면 국부적인 전계강화로 인해서 전계가 왜곡되어 절연파괴강도가 현저히 감소하는 문제가 발생될 수 있기 때문에, 절연 잉크 조성물의 레벨링은 중요하다. 레벨링제로는 우레탄 또는 실리콘 계열이 사용될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물을 이용하여 절연막이 형성된 기판을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물을 이용하여 절연막(59)이 형성된 기판을 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 기판은 베이스 기판(51)과, 베이스 기판(51) 위에 절연 잉크 조성물을 도포하여 형성된 절연막(59)을 포함한다.
베이스 기판(51)은 절연막(59)이 형성되는 지지체로서, 베이스 기판(51)과 절연막(59) 사이에는 내열과 절연이 필요한 다양한 전기적 연결 부재가 형성될 수 있다. 베이스 기판(51)의 소재로는, 절연 잉크 조성물이 180℃ 이하의 온도에서 열경화되기 때문에, 연성 또는 경성의 플라스틱 소재, 금속 소재, 세라믹 소재 등이 사용될 수 있다. 예컨대 세라믹 소재로는 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 바륨티타네이트(BaTiO3), 산화마그네슘(MgO), 주석산화물(SnO2), 운모석 등이 사용될 수 있다.
절연 잉크 조성물의 도포 방법으로는 다양한 인쇄 또는 코팅 방법, 예컨대 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄, 옵셋 인쇄, 플렉소, 임프린팅, 콤마 코팅, 그라비아 코팅, 슬롯다이 코팅 등이 사용될 수 있다.
베이스 기판(51) 위에 도포된 절연 잉크 조성물은 100℃ 내지 180℃에서 열처리한 후, 200℃ 내지 300℃에서 에이징하여 절연막(59)으로 형성된다.
이때 절연막(59)의 두께는 절연 잉크 조성물의 점도 조절을 통해서 쉽게 제어할 수 있다. 절연 잉크 조성물의 점도는 유기 용매의 사용량 조절을 통해서 제어할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물로 형성한 절연막(59)은 혼합 바인더가 형성하는 메트릭스 사이에 전도성 네트워크를 형성하기 전의 농도를 갖는 전도성 카본 입자가 아일랜드 형태로 분포한다. 이로 인해 절연막(59)은 양호한 내열성과 절연성을 나타낸다.
구체적으로 설명하면, 절연성 잉크 조성물을 도포한 이후에 수행되는 열처리 과정에서, 그래핀 산화물 입자는 부분적으로 환원됨으로써 전도성을 띄게 된다. 혼합 바인더의 메트릭스와 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 입자의 계면 사이에 포텐셜 우물(potential well)을 형성함으로써, 전하 이동체(charge carrier)의 이동을 억제한다. 이로 인해 본 발명에 따른 절연성 잉크 조성물로 형성되는 절연막(59)은 절연저항 및 내전압이 향상된다.
Figure 112016115281920-pat00001
(여기서 ε: 유전율, σ: 도전율)
아래의 수학식 1의 멕스웰 방정식에 따르면, 두 이종 물질의 계면에서, 두 물질의 유전율과 도전율의 차이가 클수록 깊은 포텐셜 우물이 형성된다. 즉 본 발명에 따른 절연성 잉크 조성물은 전도성 카본 입자를 포함하고, 이로 인해 절연특성을 내는 혼합 바인더의 메트릭스 내에 전도성 카본 입자가 위치하기 때문에, 포텐셜 우물을 더 깊게 형성할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 절연성 잉크 조성물로 형성되는 절연막(59)은 절연저항 및 내전압이 더욱 향상된다.
이와 같은 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물로 형성한 절연막(59)을 포함하는 발열체(50)에 대해서 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 3은 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물로 형성한 절연막(59)을 포함하는 발열체(50)를 보여주는 평면도이다. 도 4는 도 3의 4-4선 단면도이다. 그리고 도 5는 도 3의 5-5선 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 발열체(50)는 베이스 기판(51), 발열 전극(57), 배선 전극(53) 및 절연막(59)을 포함한다.
베이스 기판(51)은 발열 전극(57)이 형성되는 지지체로서, 발열 전극(57)으로 인가되는 전원이 외부로 세는 것을 억제하는 절연성과, 발열 전극(57)에서 발생되는 열을 안정적으로 전달하는 열전도성을 갖는 소재가 사용될 수 있다.
이때 베이스 기판(51)의 상부면에는 배선 전극(55)과, 발열 전극(57)과 배선 전극(55)을 연결하는 연결 배선(53)이 형성되어 있다. 연결 배선(53) 및 배선 전극(55)은 베이스 기판(51)의 상부면에 은 또는 구리 소재의 박막을 부착하여 형성할 수 있다. 또는 연결 배선(53) 및 배선 전극(55)은 은 페이스트 또는 구리 페이스트를 베이스 기판(51)의 상부면에 인쇄, 건조 및 경화시켜 형성할 수 있다.
발열 전극(57)은 베이스 기판(51)의 상부면에 발열 조성물을 인쇄하여 형성한다. 즉 발열 전극(57)은 베이스 기판(51)의 상부면에 발열 조성물을 인쇄한 후, 열경화 및 에이징하여 형성한다. 발열 조성물의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다. 경화는 100℃ 내지 180℃에서 수행하고, 에이징은 250 내지 350℃에서 수행할 수 있다.
이때 발열 조성물은 혼합 바인더, 전도성 입자, 그래핀 산화물 입자, 유기 용매 및 분산제를 포함할 수 있다. 전도성 입자는 탄소나노튜브 입자, 그라파이트 입자 및 금속 분말 중 2개 이상을 포함한다.
발열 조성물은 유기 용매의 사용량을 조절함으로써, 도료, 잉크 또는 페이스트 형태로 구현할 수 있다.
발열 조성물은, 발열 조성물 100 중량부에 대하여 혼합 바인더는 8 내지 10 중량부, 탄소나노튜브 입자는 0.1 내지 5 중량부, 그라파이트 입자는 0.1 내지 20 중량부, 그래핀 산화물 입자는 0.0001 내지 1 중량부, 유기 용매는 20 내지 80 중량부, 및 분산제는 0.5 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
발열 조성물은, 발열 조성물 100 중량부에 대하여 혼합 바인더는 8 내지 10 중량부, 탄소나노튜브 입자는 0.1 내지 5 중량부, 그라파이트 입자는 0.1 내지 20 중량부, 금속 분말 10 내지 60 중량부, 그래핀 산화물 입자는 0.0001 내지 1 중량부, 유기 용매는 20 내지 80 중량부, 및 분산제는 0.5 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
이때 전도성 입자에 금속 분말이 포함되는 경우, 발열 조성물로 형성한 발열체는 금속 분말이 주 전기적 네트워크를 형성하며, 금속 분말 사이의 공간에 탄소나노튜브 입자 또는 그라파이트 입자가 채워지는 3차원 랜덤 네트워크 구조를 갖는다.
탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자는 흑체 복사 및 전기전도성을 부여한다.
탄소나노튜브 입자는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 예컨대 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube)일 수 있다. 탄소나노튜브 입자가 다중벽 탄소나노튜브일 때, 직경은 1nm 내지 20nm 일 수 있고, 길이는 1㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
그라파이트 입자는 직경이 1㎛ 내지 25㎛일 수 있고, 두께가 1nm 내지 25㎛일 수 있다.
금속 분말은 주 전기전도성 물질로서, 은 또는 구리 소재의 분말을 포함한다. 은 분말의 경우, 플레이크, 원형, 다각형 판상, 막대(rod) 등의 형태를 가질 수 있다. 구리 분말로는 은이 코팅된 구리(Ag coated Cu), 니켈이 코팅된 구리(Ni coated Cu) 분말 등이 사용될 수 있다.
발열 조성물은 탄소 입자와 금속 분말을 포함함으로써, 발열 조성물의 에너지 효율 및 발열 속도를 높일 수 있다. 즉 금속 분말은 흑체 복사 기능을 갖지 않지만, 발열 조성물에 탄소 입자를 포함시킴으로써, 흑체 복사 기능을 구현할 수 있다. 탄소 입자로 인해서 발열 조성물의 내열성을 높일 수 있다. 그리고 탄소 입자로 인해서 발열 속도 및 에너지 효율을 높일 수 있다.
그래핀 산화물 입자는 1층 내지 20층 이내의 절연성을 가지며, 부분적으로 흑연화(graphitization)된 입자이다. 그래핀 산화물 입자는 발열 조성물 100 중량부에 대해서 0.0001 내지 1 중량부가 포함될 수 있다.
그 외 발명 조성물을 형성하는 혼합 바인더, 분산제 및 유기 용매는 절연 잉크 조성물을 형성하는 혼합 바인더, 분산제 및 유기 용매가 사용될 수 있다.
발열 전극(57)은 베이스 기판(51)에 형성된 연결 배선(53)에 의해 하나의 라인으로 직렬로 연결될 수 있다. 예컨대 도 2에서는 두 개의 라인으로 서로 평행하게 발열 전극(57)이 형성된 예를 개시하였기 때문에, 두 개의 발열 전극(57)을 하나의 라인으로 연결하기 위해서, 연결 배선(53)은 두 개의 발열 전극(57)과 함께 영문자 "U"자를 형성하도록 연결할 수 있다. 이때 두 개의 발열 전극(57)을 제1 발열 전극(57a) 및 제2 발열 전극(57b)이라 할 때, 연결 배선(53)은 제1 연결 배선(53a), 제2 연결 배선(53b) 및 제3 연결 배선(53c)을 포함한다. 제1 연결 배선(53a)은 제1 발열 전극(57a)의 일단에 연결된다. 제2 연결 배선(53b)은 제1 발열 전극(57a)의 일단이 위치한 쪽의 제2 발열 전극(57b)의 일단에 연결된다. 그리고 제3 연결 배선(53c)은 제1 및 제2 발열 전극(57a, 57b)의 타단을 서로 연결한다.
그리고 절연막(59)은 베이스 기판(51)의 상부면에 형성된 발열 전극(57) 및 연결 배선(53)을 덮도록 형성된다. 절연막(59)은 배선 전극(55)이 외부로 노출되게 형성된다. 절연막(59)은 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물을 도포하여 형성한다.
즉 절연막은 베이스 기판 위에 도포된 절연 잉크 조성물을 100℃ 내지 180℃에서 열처리한 후, 200℃ 내지 300℃에서 에이징하여 형성한다. 이때 열처리는 1시간 이내에 수행하고, 에이징은 열처리 시간 보다는 짧게 수행된다.
그리고 배선 전극(55)은 발열 전극(57)의 양단에 연결되어 외부로부터 인가되는 전원을 발열 전극(57)에 인가한다. 즉 배선 전극(55)은 절연막(59) 밖으로 노출되며, 제1 및 제2 연결 배선(53a, 53b)을 통하여 발열 전극(57)에 전기적으로 연결된다. 이때 배선 전극(55)은 제1 연결 배선(53a)에 연결된 제1 배선 전극(55a)과, 제2 연결 배선(53b)에 연결된 제2 배선 전극(55b)을 포함한다.
한편 도 3에서는 두 개의 라인으로 발열 전극(57)을 형성하는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 발열 전극(57) 하나 이상의 라인으로 형성될 수 있다. 예컨대 발열 전극은 하나의 라인으로 형성될 수 있다. 이 경우 발열 전극의 양단에 배선 전극이 연결된다. 또는 3개의 라인으로 발열 전극이 형성되는 경우, 3개의 라인은 연결 배선에 의해 영문자 "S"자형으로 연결되고, 첫 번째 및 세 번째 위치하는 발연 전극의 서로 반대되는 단부에 배선 전극이 연결된다. 즉 홀수 개의 발열 전극이 형성되는 경우 서로 반대되는 쪽에 배선 전극이 연결되고, 짝수 개의 발열 전극이 형성되는 경우 서로 같은 쪽에 배선 전극이 연결될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 절연 잉크 조성물 및 이를 이용한 발열체를 실시예 및 비교예를 통하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1 내지 8]
성분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7 실시예8
혼합 바인더 15 15 15 15 15 15 15 15
용융 실리카 59.999 59.95 59.9 59.7 59.5 59.9 59.85 59.5
GO 0.001 0.05 0.1 0.3 0.5 0.05 0.05 0.1
나노카본 0 0 0 0 0 0.05 0.1 0.4
분산제 1 1 1 1 1 1 1 1
레벨링제 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
유기용매 23.5 23.5 23.5 23.5 23.5 23.5 23.5 23.5
합계 100 100 100 100 100 100 100 100
표 1은 실시예 1 내지 8에 따른 절연 잉크 조성물의 조성비를 나타내는 것으로, 절연 잉크 조성물 100 중량부를 기준으로 표시하였다. 나노카본은 직경이 나노크기인 전도성 카본 입자를 나타낸다.
표 1과 같은 조성을 갖는 무기 나노 입자를 카비톨아세테이드 용매에 첨가하고, BYK 분산제를 첨가하여 선분산을 하여 무기 나노 입자 분산액(Solution A)을 제조한다. 에폭시아크릴레이트, 페놀 수지 및 폴리비닐 아세탈 수지를 포함하는 혼합 바인더, 용융 실리카 입자, 분산제 및 레벨링제를 표 1의 함량에 따라 혼합하고, 카비톨아세테이트 용매에 첨가하여 기계적 스터링(mechanical stirring) 또는 자전공전이 가능한 기계적 혼련을 통해 마스터 배치(master batch, M/B)를 제조한다. Solution A와 M/B를 기계적 스터링을 통해 혼련한 후, 3-롤 밀(3-roll mill)을 이용하여 완전히 혼련함으로써, 실시예 1 내지 8에 따른 절연 잉크 조성물을 제조하였다.
제조된 실시예 1 내지 8의 절연 잉크 조성물을 이용하여 알루미나 소재의 베이스 기판(이하 '알루미나 기판'이라 함)에 스크린 인쇄(250 mesh)를 하였다. 그리고 150℃에서 30분간 컨벡션 오븐(convection oven)에서 열처리하고, 다시 250℃에서 10분간 에이징 함으로써 물성 평가용 시편(기판)을 제조하였다.
실시예 1 내지 실시예 5에 따른 절연 잉크 조성물은 나노카본을 포함하지 않고, 실시예 6 내지 실시예 8에 따른 절연 잉크 조성물은 나노카본을 포함하기 때문에, 실시예 6 내지 실시예 8에 따른 절연 잉크 조성물이 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 절연 잉크 조성물에 비해서 어두운 색상을 갖는다.
도 6은 실시예 2에 따른 절연 잉크 조성물을 보여주는 사진이다. 도 7은 실시예 6에 따른 절연 잉크 조성물을 보여주는 사진이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 실시예 2에 따른 절연 잉크 조성물은 갈색에 가까운 색상을 갖고, 실시예 6에 따른 절연 잉크 조성물이 검정색에 가까운 색상을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 실시예 2에 따른 절연 잉크 조성물을 알루미나 기판에 스크린 인쇄하여 형성한 절연막의 표면을 보여주는 SEM 이미지이다. 도 9는 실시예 6에 따른 절연 잉크 조성물을 알루미나 기판에 스크린 인쇄하여 형성한 절연막의 표면을 보여주는 SEM 이미지이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 실시예 6에 따른 절연막에는 나노카본이 확인되지만, 실시예 2에 따른 절연막에서는 나노카본이 확인되지 않는다.
도 10은 실시예 6에 따른 절연 잉크 조성물로 형성한 절연막을 포함하는 발열체들을 보여주는 사진이다. 도 11은 실시예 2에 따른 절연 잉크 조성물로 형성한 절연막을 포함하는 발열체들을 보여주는 사진으로서, 내전압 측정 이후의 발열체들을 보여주는 사진이다. 그리고 도 12는 도 11의 절연 파괴된 발열 전극 부분의 확대도이다.
도 10을 참조하면, 실시예 6에 따른 절연 잉크 조성물은 검정색에 가까운 색상을 갖기 때문에, 베이스 기판과 절연막 사이에 형성되는 배선 부재가 보이지 않는다.
반면에 도 11을 참조하면, 실시예 2에 따른 절연 잉크 조성물은 실시예 6에 비해서 상대적으로 밝은 색상을 갖기 때문에, 베이스 기판과 절연막 사이에 형성되는 배선 부재가 보이는 것이다.
[비교예]
그래핀 산화물 및 나노카본을 첨가하지 않고 실시예 1 내지 8과 동일하게 절연 잉크 조성물을 제조하였다. 비교예에 따른 절연 잉크 조성물을 이용하여 알루미나 기판에 스크린 인쇄를 하였다. 그리고 150℃에서 30분간 컨벡션 오븐에서 열처리하고, 다시 250℃에서 10분간 에이징 함으로써 물성 평가용 시편(기판)을 제조하였다.
그리고 표 2에서와 같이, 5% 분해개시온도, 내전압 및 표면평활도를 측정하였다.
특성 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7 실시예8
5% 분해개시온도
(℃)		 278 289 295 296 297 292 292.5 296
내전압
(20㎛ 두께)
(kV)		 1.5 2.1 1.9 1.7 1.7 1.6 1.5 1.3
Ra
(표면평활도, ㎛)		 0.5 0.7 0.8 1.1 1.1 1.2 1.3 1.4
절연 잉크 조성물의 평가 방법은 아래와 같다.
1) 5% 분해개시온도
알루미나 기판에 형성된 절연 잉크 조성물을 채취하여 에어 분위기에서 분당 10℃의 승온속도로 600℃까지 측정하여 경화된 절연 잉크 조성물의 최초 시료 무게 대비 5% 무게 감량시의 온도를 체크 하였다.
2) 내전압
내전압 측정기를 이용하여 절연 잉크 조성물이 인쇄된 알루미나 기판의 양 끝단에 전압을 0.1kV씩 승압하여 시편이 파괴될 때까지의 전압을 체크하였으며, 총 6개의 시편에 대해서 평균파괴전압을 계산하여 기재하였다.
도 11은 실시예 2에 따른 절영 잉크 조성물로 형성한 절연막을 포함하는 발열체들을 보여주는 사진으로서, 내전압 측정 이후의 발열체들을 보여주는 사진이다. 도 12는 도 11의 절연 파괴된 발열 전극 부분의 확대도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 동그라미 부분은 내전압 측정에서 절연 파괴된 발열 전극 부분을 나타낸다.
3) 표면평활도(Ra)
알루미나 기판에 인쇄된 절연 잉크 조성물로 형성된 절연막에 대해서 원자현미경(Atomic Force Microscope; AFM)을 이용하여 측정하였다.
비교예는 실리카의 미세한 함량 변화에는 크게 영향을 받지 않았다. 실시예 1에서 그래핀 산화물을 배제한 비교예의 절연 잉크 조성물은 5% 분해개시온도가 252℃ 이었으며, 내전압은 0.8kV, 표면평활도는 0.5㎛ 이었다.
반면에 실시예 1 내지 8에 따른 절연 잉크 조성물은 5% 분해개시온도가 278~297℃ 이었으며, 내전압은 1.3~2.1kV, 표면평활도는 0.5~1.4㎛ 이었다.
이와 같은 실시예 1 내지 8에 따른 절연 잉크 조성물로 형성한 절연막이 비교예에 따른 절연막에 비해서 양호한 5% 분해개시온도, 내전압 및 표면평활도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
50 : 발열체
51 : 세라믹 기판
53 : 연결 배선
53a : 제1 연결 배선
53b : 제2 연결 배선
53c : 제3 연결 배선
55 : 배선 전극
55a : 제1 배선 전극
55b : 제2 배선 전극
57 : 발열 전극
57a : 제1 발열 전극
57b : 제2 발열 전극
59 : 절연막

Claims (16)

  1. 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더;
    그래핀 산화물 입자, 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 입자, 및 직경이 나노크기인 전도성 카본 입자를 포함하는 무기 나노 입자;
    분산제; 및
    유기 용매;를 포함하는 절연 잉크 조성물로서,
    상기 무기 나노 입자는, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대해서, 0.001 내지 0.5 중량부를 포함하여, 상기 혼합 바인더가 형성하는 메트릭스 사이에 상기 전도성 카본 입자가 아일랜드 형태로 분포하고,
    상기 혼합 바인더의 메트릭스와 상기 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 입자의 계면 사이에 포텐셜 우물(potential well)을 형성하고, 상기 혼합 바인더의 메트릭스 내에 상기 전도성 카본 입자가 위치하여 상기 포텐셜 우물을 더 깊게 형성하는 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 산화물 입자는 20층 이내에서 절연성을 가지며, 부분적으로 흑연화(graphitization)된 입자인 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 카본 입자는 카본블랙 또는 20층 이하이고 직경이 2㎛ 미만인 그라파이트 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    절연 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 상기 혼합 바인더는 8 내지 10 중량부, 상기 무기 나노 입자는 0.001 내지 0.5 중량부, 상기 유기 용매는 20 내지 80 중량부, 및 상기 분산제는 0.5 내지 5 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 10 내지 500 중량부인 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    입자 크기가 50nm 내지 2㎛인 용융 실리카 입자 또는 알루미나 입자를 포함하는 무기 필러;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 용융 실리카 입자는 2종 이상의 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 무기 필러는, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대해서, 10 내지 70 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    입자 크기가 50nm 내지 2㎛인 용융 실리카 입자;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물.
  12. 제1항에 있어서,
    우레탄 또는 실리콘 계열의 레벨링제;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물.
  13. 베이스 기판; 및
    상기 베이스 기판의 일면에 절연 잉크 조성물을 인쇄하여 형성한 절연막;을 포함하며,
    상기 절연막의 절연 잉크 조성물은,
    에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더;
    그래핀 산화물 입자, 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 입자, 및 직경이 나노크기인 전도성 카본 입자를 포함하는 무기 나노 입자;
    분산제; 및
    유기용매;를 포함하고,
    상기 무기 나노 입자는, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대해서, 0.001 내지 0.5 중량부를 포함하여, 상기 혼합 바인더가 형성하는 메트릭스 사이에 상기 전도성 카본 입자가 아일랜드 형태로 분포하고,
    상기 혼합 바인더의 메트릭스와 상기 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 입자의 계면 사이에 포텐셜 우물(potential well)을 형성하고, 상기 혼합 바인더의 메트릭스 내에 상기 전도성 카본 입자가 위치하여 상기 포텐셜 우물을 더 깊게 형성하는 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물을 이용한 기판.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 절연막은 인쇄한 절연 잉크 조성물을 100℃ 내지 180℃에서 열처리한 후, 200℃ 내지 300℃에서 에이징하여 형성한 것을 특징으로 하는 절연 잉크 조성물을 이용한 기판.
  16. 삭제
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