KR102175984B1 - 면상필름 제조용 전도성 잉크조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 면상필름 제조용 전도성 잉크조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판형 산화아연을 이용하여 전도성 잉크 성분의 균일한 분산안정성을 증대시킴으로써 온도변화에 따른 열팽창율을 억제하여 국부적 발열을 차단하고, 이를 통해 화재위험을 줄이며, 무엇보다도 처리과정이 간단하여 제조하기 쉽고 저렴하면서도 목적하는 물성을 달성할 수 있도록 개선된 면상필름 제조용 전도성 잉크조성물에 관한 것이다.

Description

면상필름 제조용 전도성 잉크조성물{Conductive ink composition for manufacturing planar heating film}
본 발명은 면상필름 제조용 전도성 잉크조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판형 산화아연을 이용하여 전도성 잉크 성분의 균일한 분산안정성을 증대시킴으로써 온도변화에 따른 열팽창율을 억제하여 국부적 발열을 차단하고, 이를 통해 화재위험을 줄이며, 무엇보다도 처리과정이 간단하여 제조하기 쉽고 저렴하면서도 목적하는 물성을 달성할 수 있도록 개선된 면상필름 제조용 전도성 잉크조성물에 관한 것이다.
면상필름은 도전성 재료에 전원을 인가하면 설정된 고유저항치에 의해 발생하는 열을 이용하는 것으로서, 통상 합성수지 기재 표면에 면상으로 도전성 재료를 인쇄, 코팅방법 등으로 도전성 막을 형성시킨 발열필름을 일컫는다.
이와 같은 면상필름은 차량 유리에 설치하여 성에방지용으로 사용되거나 난방용으로 건물의 바닥에 설치되어 보일러 대용으로 사용되거나 혹은 매트리스나 자동차 시트에 사용되는 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
이러한 면상필름을 제조하기 위해 사용되는 도전성 재료는 니크롬선, 봉히터와 같은 선상의 금속발열체를 면상으로 형성시킨 것과, 탄소재료와 같은 비금속발열체를 도전성 잉크 또는 페이스트화하여 면상으로 인쇄 및 코팅한 것으로 분류할 수 있는데, 금속발열체의 안전성 문제가 대두되면서 최근에는 대부분 탄소재료를 이용하는 비금속발열체가 많이 사용되고 있는 실정이다.
종래 탄소재료를 사용한 도전성 페이스트 이용하는 면상필름의 경우 발열층의 저항치가 균일하지 못하여 발열온도 편차가 큰 단점을 가지고 있어 발열온도가 낮은 부위보다 높은 부위의 발열체가 먼저 열화되어 수명이 단축되는 문제점이 있다.
또한, 통상 사용되는 탄소재료(카본블랙, 흑연 파우더) 만으로는 요구되는 낮은 저항치를 구현하기가 힘들어 저전압 DC 및 전극간 거리가 큰 대면적으로의 응용에는 한계가 있다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1338024호(2013.12.02), 면상필름 대한민국 특허 등록번호 제10-1813134호(2017.12.21.), 전도성 잉크조성물 및 이를 이용한 전도성 면상필름
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 판형 산화아연을 이용하여 전도성 잉크 성분의 균일한 분산안정성을 증대시킴으로써 온도변화에 따른 열팽창율을 억제하여 국부적 발열을 차단하고, 이를 통해 화재위험을 줄이며, 무엇보다도 처리과정이 간단하여 제조하기 쉽고 저렴하면서도 목적하는 물성을 달성할 수 있도록 개선된 면상필름 제조용 전도성 잉크조성물을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 면상필름 제조에 사용되는 전도성 잉크조성물에 있어서; 상기 전도성 잉크조성물은, 폴리이미드수지 250g에 카본블랙 페이스트 50g, 판형 산화아연 베이스 15g, 지방산 메틸에스테르 10g, 담마검(gum dammar) 5g, 부틸셀루솔브아세테이트 5g, 인산에스테르염 10g을 용기에 투입한 후 볼밀로 혼합교반하여 제조된 것을 특징으로 하는 면상필름 제조용 전도성 잉크조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면, 판형 산화아연을 이용하여 전도성 잉크 성분의 균일한 분산안정성을 증대시킴으로써 온도변화에 따른 열팽창율을 억제하여 국부적 발열을 차단하고, 이를 통해 화재위험을 줄이며, 무엇보다도 처리과정이 간단하여 제조하기 쉽고 저렴하면서도 목적하는 물성을 달성할 수 있도록 개선된 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 폴리이미드(polyimide) 수지를 활용하여 내열성을 높임으로써 100℃ 이상의 고온에서도 안정적으로 사용할 수 있는 면상필름을 제공하도록 전도성 잉크조성물을 개시한다.
즉, 면상필름은 PET(polyethylene terephthalate) 기재(base)에 전도성 잉크조성물을 그라비아인쇄 방식으로 패터닝하여 발열가능하도록 제조되며, 본 발명은 이러한 패터닝에 사용되는 전도성 잉크조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전도성 잉크조성물은 폴리이미드수지 250g에 카본블랙 페이스트 50g, 판형 산화아연 베이스 15g, 지방산 메틸에스테르 10g, 담마검(gum dammar) 5g, 부틸셀루솔브아세테이트 5g, 인산에스테르염 10g을 용기에 투입한 후 볼밀로 혼합교반하여 제조된다.
이때, 폴리이미드수지는 열경화성수지로서 내열성, 우수한 화학적 저항성, 뛰어난 기계적 성질을 가져 고온저항성이 뛰어나므로 면상발열체의 사용온도를 높일 수 있다.
또한, 카본블랙 페이스트는 카본블랙과 은나노 및 액상 멜라민수지를 6:0.5:3.5의 중량비로 혼합한 전도성 페이스트이다.
여기에서, 카본블랙과 은나노를 혼합하는 이유는 저항값을 낮추기 위함이며, 액상 멜리민수지를 첨가하는 이유는 적절한 점도의 페이스트를 구현하되 패터닝 후 계면에서의 도막 부착력을 증대시켜 계면분리를 억제하기 위함이다.
한편, 상기 판형 산화아연 베이스는 판형 산화아연 40중량%와, 바인더 30중량% 및 나머지 네오 폴리올 에스테르(Neopolyol esters)로 이루어진다.
여기에서, 판형 산화아연은 너비 1㎛, 두께 10-30nm를 갖고, 어스펙비(Aspect Ratio)가 10 이상인 것을 사용하도록 하여 나노입자의 기능성과 마이크로입자의 분산 우수성을 동시에 갖추어 전도성 페이스트의 분산도를 급격히 높이기 위해 첨가된다.
그리고, 바인더는 식물성오일 30중량%, 겔화제 2.5중량%, 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔(BHT) 1.5중량% 및 나머지 로진변성 페놀수지로 이루어진다.
이때, 식물성오일은 콩기름이 바람직한데 콩기름은 색상이 밝고 선명하며 건조가 빠르고, 내마찰성이 우수하기 때문이며, 겔화제는 점탄성을 부여하기 위한 것으로 킬레이트 알콕사이드가 바람직하다.
뿐만 아니라, 상기 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔(BHT)(disodium ethylenediaminetetraacetate)는 산화를 억제하고 분산된 상태로 균일하게 안정시키기 위해 첨가되며, 로진변성 페놀수지는 열안정성과 우수한 용해력 및 분산안정성을 강화시키기 위해 첨가된다.
아울러, 네오 폴리올 에스테르는 산화아연의 활성을 좋게 하여 전도성 페이스트의 점도를 조절하고 균일분산성을 유도하기 위해 첨가된다.
그리고, 상기 지방산 메틸에스테르는 전도성 페이스트의 수축변형을 억제하여 균일한 전도성을 유지하도록 유도하고, 이를 통해 균일 저항성을 확보하도록 하기 위해 첨가된다.
또한, 상기 담마검(gum dammar)은 소나무에서 얻어지는 수지로서 파열 저항성을 높이면서 일종의 천연 왁스 특성도 가지며, 무엇보다도 전도성 페이스트의 선팽창을 억제하여 국부적인 발열을 방지하는데 기여하기 위해 첨가된다.
뿐만 아니라, 상기 부틸셀루솔브아세테이트(Butyl Cellosolve Acetate)는 잉크 조성물의 점도를 조절하기 위해 첨가되며, 상기 인산에스테르염은 분산성을 높이기 위해 첨가되는 음이온성 분산제이다.
이렇게 구성하게 되면 제조도 쉽고, 저렴하며, 전도성 잉크 성분의 균일한 분산안정성을 증대시킬 수 있어 전도성 페이스트의 온도변화에 따른 열팽창율을 억제하여 국부적 발열을 차단하고, 이를 통해 화재위험을 줄일 수 있게 된다.
이에 더하여, 본 발명에서는 절연도막성과 내화학성과 내약품성 및 내열성, 내마찰특성을 높여 안전성을 강화시키기 위해 패터닝된 전도성 페이스트, 즉 잉크 페이스트 위에 안정화도막층이 코팅 형성될 수 있다.
이때, 상기 안정화도막층은 에폭시실란 10중량%, PTFE 5.5중량%, 질화붕소 4.5중량%, 폴리비닐피놀리돈 코폴리머 3.5중량% 및 나머지 NMP로 이루어진 안정화도막액이 코팅되어 이루어진다.
여기에서, 에폭시실란은 용매와 혼합되면서 피막을 형성하여 발수성은 물론 내마찰성을 높이고, 내크랙성 강화 및 절연 안정성을 확보하기 위해 첨가된다.
그리고, PTFE(polytetrafluoroethylene)는 고분자 소재중에서도 화학적 안정성이 뛰어나고, 무엇보다도 내약품성, 내열성 및 마찰특성이 우수하여 전하 전송층의 마모를 억제하고 특히, 플러핑(Flipping) 현상과 스크래치 현상 방지에 유효하게 작용한다.
또한, 질화붕소는 열전도율이 높고 열을 효과적으로 반사시켜 방열성을 유지하여 내열성을 강화시키기 위해 첨가된다.
뿐만 아니라, 상기 폴리비닐피놀리돈 코폴리머는 조성물에 함유된 결정들의 조대 성장을 억제하여 표면 안정화 및 내마찰특성, 내약품성을 확보하기 위해 첨가된다.
아울러, 상기 NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)는 용제이면서 거품 발생을 억제하는 소포 기능을 유지하여 균일 분산성을 확보하기 위해 첨가된다.
이하, 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
폴리이미드수지 250g에 카본블랙 페이스트 50g, 판형 산화아연 베이스 15g, 지방산 메틸에스테르 10g, 담마검(gum dammar) 5g, 부틸셀루솔브아세테이트 5g, 인산에스테르염 10g을 용기에 투입한 후 볼밀로 혼합교반하여 전도성 잉크조성물을 제조하였다.
그런 다음, 전도성 잉크조성물을 PET 필름에 10㎛ 두께로 그라비아 인쇄한 후 완전 건조하고, 구리전극을 부착하면서 동일한 PET 필름을 사용하여 핫멜트로 라미네이팅함으로써 면상필름을 만들었다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일하게 하되, 안정화도막층을 더 형성하였다.
이러한 실시예1,2에 대하여 면상필름으로서 사용가능한지 여부를 확인하기 위해 면저항 특성을 확인하였다. 이때, 면저항 특성의 기준은 100Ω/sq 이하일 것이 요구된다.
그런데, 측정 결과 실시예1,2는 각각 66Ω/sq, 71Ω/sq으로서 모두 기준을 충족하였다.
뿐만 아니라, 면상필름에 대한 저항상승비율, 내전압시험(KS C 2127), 절연저항시험(KS C 1301), 열충격시험(KS C 0277), 소비전력값 감소비율시험 등을 실시한 결과, 모두 합격하였다.
여기에서, 저항상승비율 테스트는 상온(10℃)에서 80℃까지 주변온도를 상승시키면서 상온에서 초기 저항값 대비 80℃에서의 저항값을 측정하여 저항변화율이 30% 이상 상승했는지를 테스트하는 것으로 30% 미만으로서 실시예 1,2 모두 만족하였다.
그리고, 내전압시험은 면상필름의 충전부와 비충전부에 지정된 고전압이 가해질 경우 면상필름 절연부의 파괴 여부를 평가하는 것으로 2kV 60초가 인가시 실시예 1,2 모두 절연파괴가 없었다.
또한, 절연저항시험은 면상필름의 절연부의 절연저항을 평가하는 것으로 인가전압 DC 500V에 대해 실시예 1,2 모두 절연저항이 있는 것으로 확인하였다.
뿐만 아니라, 국부적인 발열 특성이 있는지 확인하기 위해 5시간 동안 60℃ 발열상태를 유지하였지만, 국부적인 온도 상승이 발생하지 않았고, 모두 균일하게 측정되었다.

Claims (3)

  1. 면상필름 제조에 사용되는 전도성 잉크조성물에 있어서;
    상기 전도성 잉크조성물은,
    폴리이미드수지 250g에 카본블랙 페이스트 50g, 판형 산화아연 베이스 15g, 지방산 메틸에스테르 10g, 담마검(gum dammar) 5g, 부틸셀루솔브아세테이트 5g, 인산에스테르염 10g을 용기에 투입한 후 볼밀로 혼합교반하여 제조된 것을 특징으로 하는 면상필름 제조용 전도성 잉크조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판형 산화아연 베이스는 판형 산화아연 40중량%와, 바인더 30중량% 및 나머지 네오 폴리올 에스테르(Neopolyol esters)로 이루어지고;
    상기 판형 산화아연은 너비 1㎛, 두께 10-30nm를 갖고, 어스펙비(Aspect Ratio)가 10 이상인 것을 사용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 면상필름 제조용 전도성 잉크조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바인더는 식물성오일 30중량%, 겔화제 2.5중량%, 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔(BHT) 1.5중량% 및 나머지 로진변성 페놀수지로 이루어지고;
    상기 식물성오일은 콩기름이며, 상기 겔화제는 킬레이트 알콕사이드인 것을 특징으로 하는 면상필름 제조용 전도성 잉크조성물.
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