KR102218896B1

KR102218896B1 - 정전기 방전 보호용 조성물 및 이 조성물을 이용한 정전기 방전 보호 소자

Info

Publication number: KR102218896B1
Application number: KR1020150160558A
Authority: KR
Inventors: 구근회; 구본석; 서정욱; 김정민; 이윤희
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2035-11-16
Also published as: JP2017092441A; JP6849167B2; KR20170056999A

Abstract

본 발명은, 유기 실리콘, 복수의 금속 분말 및 실리콘 성분을 담지 시킬 수 있는 다공성의 실리카 입자를 포함하여, 실리콘 성분이 담지된 다공성 실리카의 의해 페이스트 내에서 정전기 방전에 의한 데미지(damage)를 최소화하여 성분 변화를 줄여 정전기 방전 보호 소자에 적용시 공동부의 내구성을 향상시킬 수 있는 정전기 방전 보호용 조성물 및 이를 이용한 정전기 방전 보호 소자를 제공한다.

Description

정전기 방전 보호용 조성물 및 이 조성물을 이용한 정전기 방전 보호 소자{ELECTROSTATIC DISCHARGE PROTECTION COMPOSITION AND ELECTROSTATIC DISCHARGE PROTECTION DEVICE USING THE SAME}

본 발명은 정전기 방전 보호용 조성물 및 이 조성물을 이용한 정전기 방전 보호 소자에 관한 것이다.

휴대용 전자 제품의 수요가 증대되고, 다양한 환경에서 사용되는 전자 제품의 종류가 증대됨에 따라, 이들 전자 제품을 보호하기 위한 정전기 방전 보호 소자(Electrostatic discharge, ESD)의 필요성이 부각되고 있다.

이러한 정전기 방전 보호 소자의 필요성은 전자 제품이 소형화, 고집적화 및 고속화됨에 따라 더욱 증대된다.

이러한 정전기 방전 보호 소자로서 전자 제품의 특성에 따라 TVS(Transient Voltage Suppressor) diode(다이오드), MLV(Multilayer varistor) 및 가변전압 폴리머(Voltage Variable polymer) 등이 사용되고 있다.

상기 TVS(transient voltage suppressor) diode는 p-type과 n-type의 실리콘 소자를 이용하여 PNP 정션(junction)을 만들어서 낮은 전압에서 정전기 방전 대책 작동이 이루어 질 수 있으며 빠른 대응이 이루어질 수 있다는 특징이 있다.

상기 MLV(multilayer varistor)는 반도성의 ZnO 입자를 무기첨가제(inorganic additive)와 함께 소결하여 낮은 전압에서는 절연을 유지하지만 정전기 방전과 같은 고전압에서는 통전이 되는 소자이다.

상기 가변 전압 폴리머는 폴리머 매트릭스(matrix) 내에 전기를 통할 수 있는 금속 충진재를 넣어서 정전기와 같은 높은 전압에서만 통전이 되는 기능을 지니게 된다.

폴리머 콤포지트(Polymer composite)의 경우 1 pF 이하의 커패시턴스를 지니게 되므로 고속화 소자 적용에 유리하고 제조가격이 저렴하다는 장점이 있다.

그러나, 이처럼 유용한 폴리머 콤포지트 타입의 정전기 방전 보호 소자에서 내구성이 취약해지는 문제가 발생하고 있으며, 사람들이 제품을 휴대하는 시간이 늘어남에 따라 정전기 방전에 대한 내구성 횟수가 더 커지고 있다.

또한, 스마트폰의 케이스가 금속재질로 되면서 충전 어댑터에 의한 감전이 이루어 질 수 있다는 문제가 지속적으로 제기되고 있다.

즉 충전시 어댑터를 통해서 공급되는 60Hz의 220V의 전압이 회로기판에서 금속재질의 케이스와 연결되어 걸리면 사람이 잡을 때 감전이 일어날 수 있게 된다.

이러한 감전의 문제에 대한 해결책이 지속적으로 제안되고 있다.

이때, 정전기 방전을 위해서 TVS diode 소자를 사용하고 있다면 정전기 방전을 막아주게 되지만 작동전압이 낮아서 거꾸로 감전에 노출되는 문제가 발생될 수 있다.

또한, 감전과 정전기 방전 보호에 대한 측면은 금속 케이스를 사용하는 소형 전자기기에서 모순을 갖게 된다.

즉, 감전을 막기 위해 케이스와 절연이 되는 소자를 도입하면 정전기 방전에 의해 케이스 내부에 소자가 망가지게 되고 정전기 방전 보호용 소자를 도입하면 사람이 감전이 될 수 있는 문제가 발생한다.

한국등록특허 제10-1392455호 한국공개특허 제2015-0066375호 한국공개특허 제2009-0104514호

상기의 문제를 해결하기 위해서는, 작동전압이 감전이 되는 전압보다는 충분히 높고 정전기 방전에 노출되는 회수에 따라서도 정전기 방전 보호용 작동전압이 크게 변화하지 않아야 한다는 필요성이 발생하게 된다.

상기의 TVS diode, Capacitor, varistor, 폴리머 콤포지트 타입의 서프레서 등이 이러한 감전 보호 기능과 동시에 정전기 방전 보호용 기능을 제공할 수 있다.

그런데 이중 TVS diode는 정전기 방전 보호 기능의 작동전압이 낮아서 역으로 감전보호에는 취약하고 캐패시터는 감전 보호기능은 있으나 정전기 방전에 취약하다. 그래서, 바리스터(Varistor)나 폴리머 타입의 콤포지트를 이용한 소자가 감전과 정전기 방전에 대한 동시 보호기능에 적절하게 된다.

하지만 두 소재 다 정전기 방전에 지속적으로 노출될 시에 소재 내부에서 열화가 발생하여 작동전압이 낮아지고 결국에는 단락이 발생하게 될 가능성이 높아진다.

그래서 정전기 인가 회수에 따라서 작동전압이 어느 정도 범위까지는 유지될 수 있어야 한다.

본 발명의 목적은, 정전기 방전에 지속적으로 노출되더라도 소재 내부에서 열화가 발생하여 작동전압이 낮아지는 것을 방지하고, 이에 정전기 인가 회수에 따라 작동 전압이 어느 정도 범위까지 유지될 수 있도록 한 정전기 방전 보호용 조성물 및 이 조성물을 이용한 정전기 방전 보호 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 유기 실리콘, 복수의 금속 분말 및 실리콘 성분을 담지 시킬 수 있는 다공성의 실리카 입자를 포함하는 정전기 방전 보호용 조성물을 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 베이스 기판; 상기 베이스 기판 상에 서로 이격되어 배치되는 제1 및 제2 전극; 및 상기 전극의 일부를 각각 일체로 커버하도록 상기 제1 및 제2 전극과 상기 베이스 기판 상에 형성되며, 내부에 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되는 공동부를 가지는 유기 절연층; 을 포함하고, 상기 공동부는 유기 실리콘, 복수의 금속 분말 및 실리콘이 담지된 복수의 다공성 실리카를 포함하는 정전기 방전 보호 소자를 제공한다.

본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 실리콘 성분이 담지된 다공성 실리카의 의해 페이스트 내에서 정전기 방전에 의한 데미지(damage)를 최소화하여 성분 변화를 줄여 정전기 방전 보호 소자에 적용시 공동부의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전기 방전 보호 소자를 나타내는 사시도.
도 2는 도 1의 라인 I-I를 따라 취한 정전기 방전 보호 소자의 단면도.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대하여 나타내는 모식도.
도 4는 종래의 정전기 방전 보호 소자에서 공동부 내부에 데미지가 발생한 것을 나타낸 SEM 사진.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 다공성 실리카를 이용한 정전기 방전 보호 소자에서 정전기 방전 건을 인가한 후 공동부의 데미지를 나타낸 SEM 사진.
도 6은 종래의 조성으로 된 정전기 방전 보호 소자에서 정전기 방전 건을 인가한 후 공동부의 데미지를 나타낸 SEM 사진.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

또한, 각 실시 형태의 도면에 나타난 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 사용하여 설명한다.

본 발명의 실시 형태를 명확하게 설명하기 위해 방향을 정의하면, 도 1에 표시된 D1 및 D2는 각각 길이 방향 및 폭 방향을 나타낸다.

이하, 본 발명에 따른 정전기 방전 보호용 페이스트 조성물 및 이를 이용한 정전기 방전 보호 소자의 실시형태를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전기 방전 보호 소자를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 라인 I-I를 따라 취한 정전기 방전 보호 소자의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 정전기 방전 보호 소자(100)는 베이스 기판(110), 제1 및 제2 전극(121, 122) 및 유기 절연층(140)을 포함한다.

그리고, 정전기 방전 보호 소자(100)는 보호층(160) 및 제1 및 제2 외부 전극(151, 152)을 더 포함할 수 있다.

이때, 정전기 방전 보호 소자는 인가된 세트(set)나 IC부품을 정전기로부터 보호하기 위한 정전기 방전 서프레서(suppressor) 부품에 적용될 수 있고, 예컨대 내구성이 취약한 가변 전압 폴리머 콤포지트 타입의 서프레서(suppressor)에 적용될 수 있다.

베이스 기판(110)은 베이스 기판(110) 상에 적층되는 제1 및 제2 전극(121, 122) 및 유기 절연층(140)을 지지 가능하도록 형성된 것이면 충분하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(110)은 플레이트 형상으로 형성될 수 있다.

다만, 베이스 기판(110)의 형상은 도 1에 도시된 바에 한정될 것은 아니고, 사각형뿐만 아니라 원형의 플레이트 형상 등으로 형성될 수 있다.

이러한 베이스 기판(110)은 절연 재료로 이루어져 베이스 기판(110) 상에 적층되는 제1 및 제2 전극(121, 122)과 절연될 수 있다.

구체적으로, 베이스 기판(110)은 전체적으로 절연성을 가지도록 절연 재료로 이루어질 수 있으며, 필요시 제1 및 제2 전극(121, 122)이 적층되는 베이스 기판(110)의 일면에 절연막이 형성되어 제1 및 제2 전극(121, 122)과 절연될 수 있다.

베이스 기판(110) 또는 베이스 기판(110)의 일면에 형성되는 절연막은 무기 절연 재료 또는 유기 절연 재료로 이루어질 수 있다.

즉, 베이스 기판(110)은 예컨대 알루미나, 실리카 등의 무기 절연 재료로 이루어지는 기판일 수 있으며, 에폭시 수지 등의 유기 절연 재료로 이루어지는 기판일 수 있다.

제1 및 제2 전극(121, 122)은 베이스 기판(110) 상에 서로 이격되어 배치된다.

제1 및 제2 전극(121, 122)은 일정한 이격 거리를 두고 베이스 기판(110) 상에 서로 대향되게 배치된다.

이때, 제1 및 제2 전극(121, 122) 사이에 형성되는 이격 거리는 요구되는 정전기 방전 성능에 따라 적절히 선택될 수 있다.

도 2를 참조하면, 제1 및 제2 전극(121, 122)은 각 선단부가 서로 대향되게 배치될 수 있다.

여기서, 제1 및 제2 전극(121, 122)의 선단부란 베이스 기판(110) 상의 내측 영역에 배치되는 제1 및 제2 전극(121, 122)의 일 단부를 의미하며, 베이스 기판(110) 상의 외측 영역에 배치되는 제1 및 제2 전극(121, 122)의 타 단부는 후단부라 정의한다.

제1 및 제2 전극(121, 122)은 선단부가 서로 대향되며, 제1 및 제2 전극(121, 122)의 후단부는 후술하는 제1 및 제2 외부 전극(151, 152)과 각각 접속되도록 베이스 기판(110)의 측면과 나란하게 배치되어 베이스 기판(110)의 외측으로 노출될 수 있다.

본 실시 예에서는, 이와 같이 제1 및 제2 전극(121, 122)의 각 선단부(122)가 일정 거리 이격되어 있으므로, 제1 및 제2 전극(121, 122)의 양 단에 걸리는 전압이 일정 값 이하인 경우에는 전류가 흐르지 않는다.

그러나, 일정 전압 이상의 전압 즉, 작동 전압이 제1 및 제2 전극(121, 122)의 양 단에 인가되는 경우, 제1 및 제2 전극(121, 122)은 이격 배치되어 있어도 전류가 흐를 수 있다.

따라서, 설정되는 작동 전압 값에 따라 제1 및 제2 전극(121, 122)의 이격 거리는 변경될 수 있다.

도 1을 참조하면, 베이스 기판(110)은 서로 교차 형성되는 길이 방향(D1)과 폭 방향(D2)을 가질 수 있다. 제1 및 제2 전극(121, 122)은 베이스 기판(110)의 길이 방향(D1)을 따라 서로 이격되어 배치되되, 베이스 기판(110)의 폭 방향(D2)을 따라 베이스 기판(110)의 중앙 영역에 배치될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극(121, 122)은 베이스 기판(110)의 폭보다 좁게 형성되어 베이스 기판(110)의 일부만을 커버하도록 베이스 기판(110) 상에 배치될 수 있다.

유기 절연층(140)은 제1 및 제2 전극(120)의 일부를 각각 일체로 커버하도록 제1 및 제2 전극(121, 122) 및 베이스 기판(110) 상에 적층되어 형성된다.

유기 절연층(140)은 제1 및 제2 전극(121, 122)의 일부 각각을 일체로 커버하도록 형성되므로, 제1 및 제2 전극(121, 122) 사이에 형성되는 이격 공간을 포함하여 제1 및 제2 전극(121, 122)의 일부 즉, 제1 및 제2 전극(121, 122)의 선단부와 인접한 영역을 일체로 커버할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 유기 절연층(140)은 제1 및 제2 전극(121, 122)이 배치되는 베이스 기판(110)의 일면 중 제1 및 제2 전극(121, 122)에 의해서 커버되지 않는 베이스 기판(110)의 폭 방향(D2)으로 놓이는 베이스 기판(110)의 나머지 영역을 커버하도록 형성될 수 있다.

즉, 유기 절연층(140)은 베이스 기판(110)의 폭 너비와 대응되는 폭 너비를 가질 수 있다.

유기 절연층(140)은 내부에 제1 및 제2 전극(121, 122) 사이에 배치되는 공동부(130)가 형성된다.

유기 절연층(140)의 내부에 형성되는 공동부(130)는 제1 및 제2 전극(121, 122) 사이에 배치될 수 있고, 제1 및 제2 전극(121, 122)에 작동 전압 이상의 전압이 인가되면, 공동부(130)를 통하여 제1 및 제2 전극(121, 122) 사이에 전류가 흐를 수 있다.

정전기와 같은 펄스 형태의 전압이 인가되어 제1 및 제2 전극(121, 122) 사이에 전류가 흐르는 경우, 전류가 제1 및 제2 전극(121, 122)을 커버하고 있는 유기 절연층(140)을 통하여 흐른다면 유기 절연층(140)은 내부를 흐르는 전류에 의해서 발생하는 열로 인하여 손상될 수 있다.

제1 및 제2 전극(121, 122)을 커버하는 유기 절연층(140)이 상기와 같은 이유로 손상이 되면, 반복 사용의 내구성이 현저히 저하되며, 요구되는 방전 성능에 따라 결정된 설계 값이 변경될 수 있으므로, 작동 전압이 인가되어도 양 전극 사이에 전류가 흐르지 않거나, 작동 전압 이하의 전압 값에서 전류가 흐를 수 있다.

본 실시 형태와 같이 유기 절연층(140) 내부에 공동부(130)가 형성되는 경우, 전류는 공동부(130)를 통하여 흐를 수 있으므로, 유기 절연층(140)의 손상을 방지할 수 있고, 소자의 전체적인 내구성 및 소자의 작동 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

한편, 제1 및 제2 전극(121, 122)을 커버하는 절연층이 본 실시 예와 같이 유기 절연 재료로 이루어지는 경우, 무기 절연 재료로 절연층을 형성하는 경우 보다 유전율이 낮아 전기 용량(Capacitance) 값이 작아지게 되고, 이로써 고속 신호에서 간섭이 작아져 방전 성능이 향상될 수 있다.

또한, 제조 공정의 측면에서도, 절연층을 유기 절연층으로 형성하는 것이 보다 낮은 온도에서 절연층을 형성할 수 있으므로, 경제적인 이점 또한 확보할 수 있다.

도 2를 참조하면, 제1 및 제2 전극(121, 122)은 공동부(130) 내에 노출되도록 배치될 수 있다.

제1 및 제2 전극(121, 122)의 선단부가 공동부(130) 내에 노출됨으로써, 제1 및 제2 전극(121, 122) 사이를 흐르는 전류는 유기 절연층(140)을 거치지 않고 공동부(130)를 통하여 흐를 수 있다.

도 3은 도 2의 A 영역을 확대하여 나타내는 모식도이다.

도 3을 참조하면, 공동부(130)는 유기 실리콘, 복수의 금속 분말 및 매질인 실리콘 성분을 담지 시킬 수 있는 다공성의 실리카 입자를 포함하는 정전기 보호용 페이스트 조성물로 이루어진다.

본 실시 형태의 정전기 보호용 페이스트 조성물에서, 금속 분말은 유기 실리콘 내부에 균일하게 또는 불균일하게 분산 배치될 수 있으며, 이에 공동부(130)가 보조 전극의 기능을 수행할 수 있다.

이때, 금속 분말은 바람직하게는 니켈 나노 입자이거나 또는 알루미늄 입자일 수 있다.

여기서, 상기 알루미늄 입자는 지름 D50을 기준으로 평균 입경이 3㎛ 이하의 입자일 수 있다.

서로 대향하는 전극 간의 거리 대비 상기 알루미늄 입자의 지름이 너무 커지면 상기 알루미늄 입자가 두 대향하는 전극 중 적어도 하나에 직접 접촉될 수 있다.

이러한 현상을 방지하기 위해 전극 간격 대비 입자의 평균 지름을 제한하며, 바람직하게 알루미늄 입자의 평균 입경은 전극 간격 대비 1/5~1/3의 값을 가질 수 있다.

일반적으로 전극 간 간격이 약 20㎛라고 하면, 본 실시 예에서의 알루미늄 입자의 평균 입경은 3㎛ 이하가 될 수 있다.

더불어, 본 실시 예의 니켈 나노 입자는 바람직하게 지름 D50을 기준으로 평균 입경이 500nm 이하일 수 있다.

상기 니켈 나노 입자도 상기 알루미늄 입자와 같이 평균 입경이 한정될 수 있는데, 니켈 나노 입자의 경우 크기가 커지면 그 형상이 구형 보다 스파이크 형태가 더 많아지므로 구형의 입자를 구할 수 있는 바람직한 크기로서 평균 입경 500nm가 한정된 것이다.

이때, 금속 분말이 니켈 나노 입자인 경우, 공동부는 유기 실리콘 20 내지 35중량%, 니켈 나노 입자 60 내지 75중량% 및 다공성의 실리카 입자 5 내지 10중량%를 포함할 수 있다.

상기 유기 실리콘의 함량이 20 중량% 미만인 경우 입자간의 간격이 너무 가까워져 절연이 유지되지 않고 금속 충진 입자인 니켈 나노 입자 간의 접촉으로 인해 쇼트(short)가 발생될 수 있으며, 상기 유기 실리콘의 함량이 35 중량%를 초과하는 경우 입자 간의 간격이 너무 멀게 되어 정전기 인가시에도 전류가 통하지 않게 되는 문제가 발생할 수 있다.

이와 유사한 논리로, 금속 분말의 함량과 유기 실리콘의 함량과 다공성의 실리카의 함량이 100중량%를 만족할 때, 유기 실리콘의 함량이 적어지면 니켈 나노 입자 또는 다공성의 실리카의 함량이 상대적으로 높아지는 상황이 된다.

따라서, 상기 다공성의 실리카 입자의 함량이 5 중량% 미만인 경우 그 안에 함유된 유기 실리콘의 양이 적어져서 내구성 향상이 제대로 이루어지지 않을 수 있고, 상기 다공성의 실리카 입자의 함량이 10 중량%를 초과하게 되면 절연성이 너무 커져 정전기 인가시 전류가 통하는 것을 방해하는 요인을 작용할 수 있다.

금속 분말이 알루미늄 입자인 경우, 공동부는 유기 실리콘 20 내지 35중량%, 알루미늄 입자 50 내지 65중량% 및 다공성의 실리카 입자 5 내지 10중량%를 포함할 수 있다.

상기 알루미늄 입자의 경우에도 앞서 설명한 니켈 나노 입자와 동일한 작용 및 임계적 의의가 적용되므로 이에 중복을 피하기 위하여 상세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 다공성의 실리카 입자는 유기 바인더로 선정된 매질인 실리콘 성분을 담지시켜 정전기 방전 충격에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.

일반적으로 폴리머 콤포지트의 경우 유기 실리콘과 같은 절연 물질 내에 전도성 입자를 충진시켜 구성하게 된다. 이렇게 제조된 조성을 이용하여 대향하는 두 외부 전극 사이에 인쇄하여 서프레서(Suppressor) 형태의 소자를 제작하게 된다.

이렇게 제조된 소자에 정전기를 인가하면 그 내부에서 페이스트 성분이 열화를 겪게 된다. 대부분의 폴리머 콤포지트의 경우 상대적으로 정전기와 열적 거동에 약한 폴리머 성분이 열화가 일어나게 된다.

즉, 종래의 공동부는 정전기 인가시 내부에 빈 공간이 발생하고 첨가한 충진재가 뭉치는 현상이 발생하며, 이에 실리콘 성분이 점점 이 뭉쳐진 공간상에서 적어지는 경향이 나타나게 된다.

도 4는 종래의 정전기 방전 보호 소자에서 공동부 내부에 데미지가 발생한 것을 나타낸 SEM 사진으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 정전기 방전 회수에 따라서 내부에 공동이 생성되며 그와 동시에 내부 성분의 특정물질의 성분이 상대적으로 감소되는 것을 볼 수 있다.

즉, 금속 성분이 더 많이 뭉쳐지고 실리콘 성분이 상대적으로 적게 분포하게 되는 것을 볼 수 있다.

폴리머 타입에서는 절연을 유지시켜주는 것이 유기 실리콘 성분인데 이 성분이 줄어들면서 점차 절연성능이 떨어지게 된다.

이것은 작동 전압의 변화를 통해서도 확인할 수 있다.

이러한 파괴는 비단 폴리머 컴포지트 타입에서만 나타나는 현상이 아니고 바리스터 타입에서도 발생하는 현상이다.

그만큼 정전기 방전에 의해 방출되는 에너지가 집중적이고 대단히 파괴적이라는 것을 잘 알 수 있다.

상기 바리스터의 소재에서는 좀 더 내구성을 향상시키고 정전기 인가 전후에 파괴를 최소화하기 위해서 전도성 입자 표면에 유리질 성분을 코팅하여 정전기 인가 시에도 파괴가 덜 일어나는 구조로 기능층을 강화하는 방향을 제안하고 있다.

즉 무기 절연성 물질을 전도성 입자 표면에 코팅하여 정전기 인가에 의한 충격에도 파괴나 열화가 덜 일어나게 하는 방법을 사용하고 있다.

또는 인가 전극의 변화를 막기 위해 전극에 텅스텐이나 니켈과 같은 녹는점이 높은 금속을 코팅하기도 한다.

하지만, 아직 완벽하게 이러한 내구성이 약해지는 것에 대한 기술이 소개되고 있지 않다.

본 실시 형태에서는, 공동부(130)에 다공성의 실리카가 첨가되면 유기 실리콘 성분이 실리카의 포어(pore) 내부에 갇혀 있다가 정전기에 의한 충격이 가해지면 이 포어가 파괴되면서 유기 실리콘 성분이 빠져 나와 파괴된 부분을 충진하는 작용이 일어나게 된다.

따라서, 다공성 실리카의 의해 종래의 충진제의 뭉침에 의한 공간상에서 유기 실리콘 성분이 줄어드는 현상이 감소하게 되고, 결과적으로 정전기 방전 보호용 페이스트의 내구성을 향상시키게 된다.

따라서, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태의 경우, 종래의 조성으로 된 정전기 방전 보호 소자에 비해 공동부 내부의 데미지(damage)가 나타나더라도 그 영역이 현저히 좁은 것을 확인할 수 있다.

한편, 유기 절연층(140)은 에폭시, 폴리우레탄 및 실리콘 중 적어도 어느 하나를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.

즉, 유기 절연층(140)은 폴리머 수지와 같은 유기 절연 재료로 이루어질 수 있으며, 이와 같은 재료는 무기 절연 재료에 비하여 유전율이 낮아 고속 신호에서 간섭이 작아 전체적으로 높은 방전 성능을 유지할 수 있다.

다시, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 정전기 방전 보호 소자(100)는 보호층(160)과 제1 및 제2 외부 전극(151, 152)을 더 포함할 수 있다.

보호층(160)은 제1 및 제2 전극(121, 122), 유기 절연층(140) 및 베이스 기판(110)을 커버하도록 제1 및 제2 전극(121 122), 유기 절연층(140) 및 베이스 기판(110) 상에 적층되어 형성될 수 있다.

이때, 보호층(160)은 에폭시 수지를 포함하는 재질로 이루어져 베이스 기판(110)과 같이 제1 및 제2 전극(121, 122)과 전기적으로 절연될 수 있다.

이러한 보호층(160)은 유기 절연층(140)에 의해서 커버되지 않는 베이스 기판(110)의 나머지 영역과 제1 및 제2 전극(121, 122) 및 절연층(140)의 상면 및 측면을 일체로 커버할 수 있다.

베이스 기판(110)은 한 쌍의 전극(11, 122) 및 유기 절연층(140)을 지지하는 기능을 할 수 있고, 보호층(160)은 베이스 기판(110)의 상면, 제1 및 제2 전극(!21, 122) 및 유기 절연층(140)을 모두 커버하여 각각의 구성을 동시에 보호할 수 있다.

제1 및 제2 외부 전극(151, 152)은 제1 및 제2 전극(121, 122)의 후단부와 각각 전기적으로 연결되고, 베이스 기판(110)과 보호층(160)의 측면을 커버하도록 배치된다.

따라서, 제1 및 제2 외부 전극(151, 152)에 전원이 인가될 수 있으며, 이는 제1 및 제2 외부 전극(151, 152)과 각각 전기적으로 연결되고 베이스 기판(110) 상에 배치되는 제1 및 제2 전극(121, 122)으로 전달될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예와 비교 예를 이용하여 정전기 보호용 페이스트 조성물을 제조하고, 이 페이스트 조성물의 내구성을 비교한다.

실시 예 1은 페이스트 조성물의 금속 분말이 금속 니켈 나노 입자인 것으로, 니켈 나노 입자(300nm) 9g, 다공성 실리카 1g과 유기 실리콘(신에츠사 KE1842) 3g을 섞어 교반을 실시한 것이다.

이 혼합물은 3 Roll-mill을 이용하여 분산시키며, 이때 3 Roll-mill(EXAKT, 80E)에서는 롤 간의 거리를 10㎛로 하여 4번 패스(pass)를 시킨 후 다시 롤 간의 거리를 5㎛로 하여 2번 패스를 시키고, 이렇게 롤 밀을 한 후 공자전(Revolution 900, Rotation 700, time 1min) 믹스를 통해 분산을 마무리한 후 페이스트 조성물의 점도 및 막 밀도를 측정한다.

그리고, 테스트 쿠폰 (간격 gap 50㎛, 폭 width 150㎛)에 실시 예 1의 페이스트 조성물을 수동으로 인쇄한 후 100℃에서 10분간 건조한 직후 175℃에서 1시간 30분 동안 열 경화를 실시한다.

열 경화 후에는 시료를 실온까지 식힌 다음 멀티 미터를 이용하여 저항을 측정하고, 이 측정된 저항을 통해 인쇄된 페이스트 조성물이 절연이 되었는지를 확인한다.

이후, ESD건을 이용하여 8 kV 의 level 4 (IEC 6100-4-2)를 이용하여 정전기 방전을 인가시키고 누설 전류(leakage current)를 5V DC에서 측정하여 정전기 보호용 페이스트 조성물의 내구성을 확인한다.

실시 예 2는 페이스트 조성물의 금속 분말이 알루미늄 입자인 것으로, 알루미늄 입자(D50, 3㎛) 9g, 다공성 실리카 1g과 유기 실리콘(신에츠사 KE1842) 3g을 섞어서 교반을 실시한 것이다. 이 혼합물은 실시 예 1과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하고 평가를 실시한다.

비교 예는 페이스트 조성물에서 다공성 실리카를 제외한 것으로, 니켈 나노 입자(300nm) 10g에 유기 실리콘(신에츠사 KE1842) 3g을 섞어서 교반을 실시한 것이다. 이 혼합물은 실시 예 1과 동일한 방법으로 페이스트 조성물을 제조하고 평가를 실시한다.

위와 같이 실시 예 1 및 2와 비교 예에 의한 페이스트 조성물을 제조하여 평가한 결과 실시 예 1 및 2의 경우 ESD 내구성 1000회를 달성하였으나 비교 예의 경우 200회 부근에서 누설 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

여기서, 누설 전류가 증가한다는 것은 유기 절연층(140)으로 전류가 흐른다는 의미이다. 즉, 정전기가 인가된 후에 절연이 안정적으로 유지되지 않고 5V DC 전압에서 전류가 지속적으로 흐르게 되는데 이러한 경우에 연결된 단자가 배터리 부분이면 충전된 전기 에너지의 누수가 생기게 되고, 5V에서 작동되는 IC회로의 경우에는 신호의 감쇄를 가져다 준다.

따라서, 정전기가 인가된 직후에도 절연이 유지되어 누설 전류가 작을수록 SET 제품의 성능에 이상이 없게 되며, 상기 실시 예 1 및 2의 경우 이러한 신뢰성을 만족시키게 된다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다.

따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

100: 정전기 방전 보호 소자
110: 베이스 기판
121, 122: 제1 및 제2 전극
130: 공동부
131: 유기 실리콘
132: 금속
133: 실리카
134: 실리콘
140: 절연층
151, 152: 제1 및 제2 외부 전극
160: 보호층

Claims

유기 실리콘, 복수의 금속 분말 및 실리카 입자를 포함하며,
상기 실리카 입자는 다수 개가 응집되어 포어를 형성하는 다공성 구조를 가지며,
상기 유기 실리콘은 상기 다공성 구조의 포어 중 적어도 일부를 충전하는 정전기 방전 보호용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 금속 분말이 니켈 나노 입자인 정전기 방전 보호용 조성물.
제2항에 있어서,
상기 유기 실리콘 20 내지 35중량%, 상기 니켈 나노 입자 60 내지 75중량% 및 상기 실리카 입자 5 내지 10중량%를 포함하는 정전기 방전 보호용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 금속 분말이 알루미늄 입자인 정전기 방전 보호용 조성물.
제4항에 있어서,
상기 유기 실리콘 20 내지 35중량%, 상기 알루미늄 입자 50 내지 65중량% 및 상기 실리카 입자 5 내지 10중량%를 포함하는 정전기 방전 보호용 조성물.
베이스 기판;
상기 베이스 기판 상에 서로 이격되어 배치되는 제1 및 제2 전극; 및
상기 전극의 일부를 각각 일체로 커버하도록 상기 제1 및 제2 전극과 상기 베이스 기판 상에 형성되며, 내부에 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되는 공동부를 가지는 유기 절연층; 을 포함하고,
상기 공동부는 유기 실리콘, 복수의 금속 분말 및 실리카 입자를 포함하며,
상기 실리카 입자는 다수 개가 응집되어 포어를 형성하는 다공성 구조를 가지며,
상기 유기 실리콘은 상기 다공성 구조의 포어 중 적어도 일부를 충전하는 정전기 방전 보호 소자.
제6항에 있어서,
상기 공동부의 금속 분말이 니켈 나노 입자인 정전기 방전 보호 소자.
제7항에 있어서,
상기 공동부는, 상기 유기 실리콘 20 내지 35중량%, 상기 니켈 나노 입자 60 내지 75중량% 및 상기 실리카 입자 5 내지 10중량%를 포함하는 정전기 방전 보호 소자.
제6항에 있어서,
상기 공동부의 금속 분말이 알루미늄 입자인 정전기 방전 보호 소자.
제9항에 있어서,
상기 공동부는, 상기 유기 실리콘 20 내지 35중량%, 상기 알루미늄 입자 50 내지 65중량% 및 상기 실리카 입자 5 내지 10중량%를 포함하는 정전기 방전 보호 소자.
제6항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극이 상기 공동부 내에 노출되도록 배치되는 정전기 방전 보호 소자.
제6항에 있어서,
상기 유기 절연층은 에폭시, 폴리우레탄 및 실리콘 중 적어도 어느 하나를 포함하는 정전기 방전 보호 소자.
제6항에 있어서,
상기 전극, 상기 유기 절연층 및 상기 베이스 기판을 커버하도록 상기 제1 및 제2 전극, 상기 유기 절연층 및 상기 베이스 기판 상에 형성되는 보호층을 더 포함하는 정전기 방전 보호 소자.
제13항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극과 각각 전기적으로 연결되고, 상기 베이스 기판과 상기 보호층의 측면을 커버하도록 배치되는 제1 및 제2 외부 전극을 더 포함하는 정전기 방전 보호 소자.