KR20140122078A - 정전기 방전 보호재 및 이를 이용한 정전기 방전 보호 부품 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 수지 매트릭스에 분산된 도전성 입자간의 연결성을 향상시키고, 수지 매트릭스 내에 도전성 입자를 균일하게 분산시키기 위하여, 수지 매트릭스; 상기 수지 매트릭스 내에 분산된 침상형의 도전성 입자; 및 상기 수지 매트릭스 내에 분산되되, 상기 침상형의 도전성 입자 사이에 위치하는 분산용 입자;를 포함하는, 정전기 방전 보호재 및 이를 이용한 정전기 방전 보호 부품을 제시한다.

Description

정전기 방전 보호재 및 이를 이용한 정전기 방전 보호 부품{ESD PROTECTION MATERIAL AND ESD PROTECTION DEVICE USING THE SAME}

본 발명은 정전기 방전 보호 부품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정정기 방전 보호 부품에 포함된 정전기 방전 보호재의 입자 구조에 관한 것이다.

최근, 휴대전화 등의 전자기기의 소형화, 고성능화와 함께, USB 2.0이나 USB 3.0, 그리고 S-ATA2, HDMI 등으로 대표되는 전송 속도의 고속화(1 ㎓ 를 초과하는 고주파수화)가 급속히 진행되고 있다. 그러나, 그 반작용으로 전자기기의 내전압은 점차 낮아지고 있고, 이에 따라, 인체와 전자기기의 단자가 접촉했을 때에 발생하는 정전기 펄스로부터의 전자기기 보호가 점차 주요 과제로 대두되고 있다.

이러한 정전기 펄스로부터 전자기기를 보호하기 위하여, 일반적으로 정전기가 들어가는 라인과 그라운드 사이에 정전기 방전 보호 부품(이하, ESD(Eelectrostatic discharge)보호 부품)을 접속한다.

특허 문헌을 참조하면, 종래의 ESD 보호 부품은 서로 대향하는 한 쌍의 전극 사이에 정전기 방전 보호재(이하, ESD 보호재)가 충전되어 있고, 이 ESD 보호재는 절연성의 수지 매트릭스(matrix)에 각종 도전성 입자가 분산된 구조로 이루어져 있다.

이에 따라, 정전기 펄스가 없는 정상작동 상태에서는 한 쌍의 전극 사이의 저항은 무한대 크기로서 서로 전류가 통하지 않고 정상입력신호는 전자기기 쪽으로 흐르게 된다. 그러나, 정전기에 의한 과전압이 인가되면 도전성 입자 사이에 도전 패스가 형성되어 한 쌍의 전극 사이에 전류가 도통되는 전자 터널링 현상이 발생하게 된다. 이에 따라, 과전압에 의한 전류는 ESD 보호 부품으로 바이패스되어 그라운드로 빠져나가게 되고, 그 결과, 전자기기를 과전압으로부터 보호할 수 있다.

특허문헌 : 일본 공개특허공보 제 2010-165660호

수지 매트릭스에 분산된 도전성 입자 사이의 거리나 접촉점(여기서, 접촉점은 실제로 접촉하는 것 외에 실제로 접촉하지는 않으나 최단거리에 위치하는 점을 포함)의 수는 도전 패스의 형성에 있어서 중요한 요소가 된다. 따라서, 본 발명은 이를 개선하여 정전기 내압 등의 특성이 종래보다 향상된 ESD 보호 부품을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명은, 수지 매트릭스; 상기 수지 매트릭스 내에 분산된 침상형의 도전성 입자; 및 상기 수지 매트릭스 내에 분산되되, 상기 침상형의 도전성 입자 사이에 위치하는 분산용 입자;를 포함하는, 정전기 방전 보호재를 제공한다.

여기서, 상기 분산용 입자는 구 형상이 될 수 있다.

또한, 상기 분산용 입자의 함유량은 15Vol% 내지 45Vol%가 될 수 있다.

또한, 상기 분산용 입자의 직경은 100nm 내지 500nm가 될 수 있다.

또한, 상기 분산용 입자는 크기가 서로 다른 이종 입자로 구성될 수 있다.

또한, 상기 분산용 입자는 비도전성의 무기 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 분산용 입자는 Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZnO, In₂O₃, NiO, CoO, SnO₂, ZrO₂, CuO, MgO, AlN, BN 및 SiC 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종의 물질 또는 이들의 화합물로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 도전성 입자의 장축 길이는 1㎛ 내지 15㎛이고, 단축 길이는 50nm 내지 500nm가 될 수 있다.

또한, 상기 도전성 입자는 C, Ni, Cu, Au, Ti, Cr, Ag, Pd 및 Pt 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종의 금속 또는 이들의 금속 화합물로 이루어질 수 있다.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 정전기 방전 보호 부품은, 절연기판; 상기 절연기판 상에 상호 이격되어 대향 배치된 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이를 덮도록 상기 절연기판 상에 구비된 기능층;을 포함하되, 상기 기능층은 상기 정전기 방전 보호재로 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 침상형의 도전성 입자를 수지 매트릭스 내에 분산시킴으로써 도전성 입자간의 연결성(여기서의 연결성은 도전 패스를 통한 전기적 연결을 의미한다.)을 개선하여 정전기 방지 기능을 강화할 수 있다.

또한, 침상형의 도전성 입자 사이로 분산용 입자가 위치하는 구조를 가짐으로써 도전성 입자의 응집 현상을 방지할 수 있고, 이에 따라, 침상형의 도전성 입자를 수지 매트릭스 내 균일하게 분산시킬 수 있어 보다 안정된 전도 특성을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 ESD 보호 부품의 단면도
도 2는 본 발명에 따른 ESD 보호 부품의 평면도
도 3은 본 발명에 포함된 도전성 입자 및 분산용 입자의 확대도

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 다수형도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용효과를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 ESD 보호 부품의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 ESD 보호 부품의 평면도이다. 부가적으로, 도면의 구성요소는 반드시 축척에 따라 그려진 것은 아니고, 예컨대, 본 발명의 이해를 돕기 위해 도면의 일부 구성요소의 크기는 다른 구성요소에 비해 과장될 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 ESD 보호 부품(100)은 절연기판(110)과, 상기 절연기판(110)의 어느 일면에 형성된 한 쌍의 전극(120), 그리고 상기 한 쌍의 전극(120) 사이를 덮도록 상기 절연기판(100) 표면에 구비된 기능층(130)을 포함할 수 있다.

상기 절연기판(110)은 상기 한 쌍의 전극(120) 및 기능층(130)을 지지 가능한 것이면 된다. 또한, 그 치수나 형상에 대해서는 특별히 제한되지 않으며 본 발명의 ESD 보호 부품(100)이 적용되는 전가 기기에 따라 다양하게 제작될 수 있다.

상기 절연기판(110)은 상기 한 쌍의 전극(120)과 기능층(130)이 구비된 표면이 절연성을 갖는 것이면 된다. 따라서, 상기 절연기판(110)은 절연성 재료로 이루어지는 기판 외에, 기판 상의 일부 또는 전체면에 절연막이 제막된 것을 포함하는 개념이 될 수 있다.

구체적으로, 상기 절연기판(110)은 알루미나, 실리카, 마그네시아, 질화알루미늄, 포르스테라이트 등의 세라믹 기판이나 단결정 기판일 수 있다. 또한, 세라믹 기판이나 단결정 기판 등의 표면에 알루미나, 실리카, 마그네시아, 질화알루미늄, 포르스테라이트 등의 절연막을 형성한 것도 바람직하게 사용할 수 있다.

상기 한 쌍의 전극(120)은 상호 이간되어 상기 절연기판(110)의 어느 일면에 대향 배치되고, 본 발명의 실시예에서 상기 한 쌍의 전극(120)은, 상기 절연기판(110)의 중앙 위치에 갭 거리(ΔG)를 두고 대향 배치되어 있다. 여기서, 갭 거리(ΔG)는 원하는 방전 특성을 고려하여 적절히 설정하면 되고, 통상 1 내지 50㎛ 정도가 될 수 있다.

상기 한 쌍의 전극(120)을 구성하는 소재로는, 예를 들어, C, Ni, Al, Fe, Cu, Ti, Cr, Au, Ag, Pd, Pt 중에서 선택되는 적어도 1 종류의 금속, 혹은 이들의 금속 화합물 등을 들 수 있으나 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예에서 상기 한 쌍의 전극(120)은 직사각 형상으로 형성되어 있는데, 그 형상은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 빗살상, 혹은 톱니상으로 형성되어 있어도 무방하다.

상기 한 쌍의 전극(120) 사이에는 ESD 보호재로 이루어진 기능층(130)이 배치될 수 있다. 상기 기능층(130)은 페이스트(paste) 형태의 ESD 보호재를 상기 한 쌍의 전극(120) 사이의 공간을 포함한 상기 절연기판(110)의 일면에 스퍼터링이나 증착법, 또는 스크린 인쇄 등을 실시함으로써 형성될 수 있다.

상기 기능층(130)의 치수나 형상 등은 과전압이 인가되었을 때에 그 자체를 통해 상기 한 쌍의 전극(120) 사이에서 초기 방전이 확보되도록 설계되어 있는 한 특별히 한정되지 않는다. 또한, 상기 기능층(130)의 두께 역시 특별히 한정되는 것은 아니나, 본 발명의 ESD 보호 부품을 사용하는 전자기기의 소형화 및 고성능화를 실현하는 관점에서 10nm 내지 10㎛ 정도의 박막으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 기능층(110)의 구성 재료인 ESD 보호재는, 절연성의 수지 매트릭스(matrix)(131)에 침상형의 도전성 입자(132) 및 분산용 입자(133)가 분산된 것을 특징으로 한다.

상기 ESD 보호재의 매트릭스로서 사용되는 수지 재료의 구체적인 예로는, 에폭시 수지, 페놀 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지 등의 고분자 재료를 들 수 있다. 이들은, 1 종을 단독으로 사용해도 되고, 2 종 이상을 병용해도 된다.

도 3은 상기 도전성 입자(132)와 분산용 입자(133)의 확대도로서, 도 3을 참조하면, 상기 도전성 입자(132)는 C, Ni, Cu, Au, Ti, Cr, Ag, Pd 및 Pt 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종의 금속 또는 이들의 금속 화합물로 이루어지되, 장축 길이(D1)는 1㎛ 내지 15㎛이고, 단축 길이(D2)는 50mn 내지 500mn인 침상형이 될 수 있다.

만약, 상기 도전성 입자(132)가 침상형이 아닌 구형으로 되어 있다면, 입자와 입자 사이의 접촉은 점 형태로 이루어지게 되나, 본 발명과 같이 침상형인 경우에는 입자와 입자 사이의 접촉이 면 형태로 이루어지게 되므로, 본 발명에서 도전성 입자(132)간의 접촉점(여기서의 접촉점은 실제로 접촉하는 것 외에 실제로 접촉하지는 않으나 최단거리에 위치하는 점을 포함할 수 있다.)은 비약적으로 증가하게 된다. 그 결과, 과전압 인가시 도전 패스의 경로가 많아지게 되어 정전기 내압 등으로 대표되는 ESD 보호 부품의 성능이 크게 향상될 수 있다.

다만, 페이스트 형태의 ESD 보호재를 얻으려면, 도전성 입자와 수지, 그리고 기타 유기용제를 볼 밀(Ball mill)이나 롤 밀(Roll mill)등을 이용하여 소정 비율로 칭량·혼련해야 하는데, 이 과정에서, 침상형의 도전성 입자(132) 사이에는 증가한 접촉점만큼 입자간의 인력(구체적으로, 발데르 발스에 의한 인력)이 커지게 된다. 그 결과, 상기 침상형의 도전성 입자(132)들은 서로 응집하게 되어 수지 매트릭스 내에 균일하게 분산되지 않는다.

따라서, 본 발명은 밀링(milling) 과정에서 상기 침상형의 도전성 입자(132)와 함께 분산용 입자(133)를 혼합하여 상기 침상형의 도전성 입자(132) 사이로 분산용 입자(133)가 위치하는 구조의 ESD 보호재를 사용할 수 있다.

상기 침상형의 도전성 입자(132) 사이로 상기 분산용 입자(133)가 위치하게 되면 상기 도전성 입자(132)의 계면 특성이 저하되고, 그 결과, 도전성 입자(132)간의 응집 현상을 억제하여 수지 매트릭스내 상기 침상형의 도전성 입자(132)를 균일하게 분산시킬 수 있다.

여기서, 상기 분산용 입자(133)는, 분산성과 함께 상기 도전성 입자(132)간의 절연성 확보를 위해 비도전성의 무기 재질로 구성됨이 바람직하고, 무기 재질의 구체적인 예로는, Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZnO, In₂O₃, NiO, CoO, SnO₂, ZrO₂, CuO, MgO, AlN, BN 및 SiC 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종의 물질 또는 이들의 화합물을 들 수 있다.

그리고, 상기 분산용 입자(133)가 상기 침상형의 도전성 입자(132) 사이에 쉽게 위치되도록 하기 위하여, 상기 분산용 입자(133)를 구 형상으로 구성하는 것이 바람직하다.

이와 더불어, 상기 분산용 입자(133)가 상기 도전성 입자(132)에 비해 너무 작거나 크면 상기 도전성 입자(132)를 분산시키는데 어려움이 있으므로, 상기 분산용 입자(133)의 직경은 상기 도전성 입자(132)의 장,단축 길이를 고려하여 적절한 범위내에서 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 상기 도전성 입자(132)의 직경은 100nm 내지 500nm가 될 수 있다.

또한, 상기 수치범위 내에서 상기 분산용 입자(133)를 크기가 서로 다른 이종 입자나 삼종 입자, 또는 그 이상으로 구성할 수 있다. 그리하면 조립 입자 사이로 미립 입자가 충진되어 상기 침상형의 도전성 입자(132) 사이의 공간에 상기 분산용 입자(133)가 보다 많이 위치할 수 있게 되고, 이에 따라 상기 도전성 입자(132)의 응집을 더욱 억제할 수 있다.

한편, 상기 분산용 입자(133)의 함유량은 15Vol% 내지 45Vol% 범위내에서 설정하도록 한다.

상기 분산용 입자(133)의 함유량이 15Vol%보다 적으면 상기 도전성 입자(132)의 응집 현상을 억제하기 어렵게 되고 절연저항이 저하될 수 있다. 반면, 상기 분산용 입자(133)의 함유량이 45vol%를 넘어가게 되면 상기 도전성 입자(132) 사이의 거리가 멀어져 전자터널링 현상을 발생시키는 임계치 전압, 즉, 클램프 전압(clamping voltage)이 높아져 ESD 보호 부품으로서의 기능 구현이 어렵게 된다.

따라서, 상기 분산용 입자(133)의 함유량은 상기 수치범위내에서 적절한 값을 선택하되, 상기 수치범위는 전술한 본 발명의 효과를 최대로 구현하기 위해 한정한 최적값이므로, 상기 수치범위를 약간 벗어나더라도 본 발명의 목적에 부합된다면 허용될 수 있음은 물론이다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 본 발명에 따른 ESD 보호 부품 110 : 절연기판
120 : 전극 130 : 기능층
131 : 수지 매트릭스 132 : 도전성 입자
133 : 분산용 입자

Claims (10)

1. 수지 매트릭스;
   상기 수지 매트릭스 내에 분산된 침상형의 도전성 입자; 및
   상기 수지 매트릭스 내에 분산되되, 상기 침상형의 도전성 입자 사이에 위치하는 분산용 입자;를 포함하는, 정전기 방전 보호재.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 분산용 입자는 구 형상인, 정전기 방전 보호재.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 분산용 입자의 함유량은 15Vol% 내지 45Vol%인, 정전기 방전 보호재.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 분산용 입자의 직경은 100nm 내지 500nm인, 정전기 방전 보호재.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 분산용 입자는 크기가 서로 다른 이종 입자로 구성되는, 정전기 방전 보호재.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 분산용 입자는 비도전성의 무기 재질로 이루어지는, 정전기 방전 보호재.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 분산용 입자는 Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZnO, In₂O₃, NiO, CoO, SnO₂, ZrO₂, CuO, MgO, AlN, BN 및 SiC 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종의 물질 또는 이들의 화합물로 이루어지는, 정전기 방전 보호재.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 도전성 입자의 장축 길이는 1㎛ 내지 15㎛이고, 단축 길이는 50nm 내지 500nm인, 정전기 방전 보호재.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 도전성 입자는 C, Ni, Cu, Au, Ti, Cr, Ag, Pd 및 Pt 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종의 금속 또는 이들의 금속 화합물로 이루어지는, 정전기 방전 보호재.
   
10. 절연기판;
    상기 절연기판 상에 상호 이격되어 대향 배치된 한 쌍의 전극; 및
    상기 한 쌍의 전극 사이를 덮도록 상기 절연기판 상에 구비된 기능층;을 포함하되, 상기 기능층은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 정전기 방전 보호재로 구성된, 정전기 방전 보호 부품.

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