소형 콘덴서 케이스의 절연박막 코팅

및 물성에 관한 연구

김 종 한, 김 성 현, 정 영 식, 조 동 련, * 정 용 호, * 김 영 래

전남대학교 응용화학부, * (주)하남전자

A Study on the Thin Film Coating for

the Insulation of Small Condenser

Jong Han Kim, Sung Hyun Kim, Young Sik Chung, Dong Lyun Cho,

* Yong Ho Jung, * Young Rae Kim

Faculty of Applied Chemical Engineering, Chonnam National University,

* Hanam Electronics Corporation

서론

각종 전자제품들의 고성능, 고기능, 경박단소화에 발맞추어 콘덴서도 소형화 되어 감에 따라 소형 및 초소형 콘덴서의 제조에 적합한 얇은 절연층의 피복기술이 필요하다.

콘덴서를 감싸는 형태로 성형되는 알루미늄 케이스는 축전용 전자회로를 내장하는 케이스로서 알루미늄 코일을 각종 크기의 컵 형태로 드로우잉하는 방법으로 제조되며, 다른 부품들과 전기적으로 차단되어야 하므로 외부에 절연층이 피복되어야 한다. 절연층은 두께가 얇으면서도 전기절연성, 내구성, 내약품성 및 내열성 등이 우수하여야 한다. 일반적인 절연층 피복 방법으로는 1차 가공된 알루미늄 케이스에 열수축성 PVC Tube를 피복하는 방법이 있으나, 얇은 두께의 절연층이 요구되는 소형(20□ 이하) 및 초소형(10□ 이하)콘덴서에는 적합하지 않고, 또한 절연층으로 사용되는 PVC는 환경문제를 야기할 우려가 있다.

한편, 콘덴서 케이스에 절연층을 피복하는 다른 방법으로는 알루미늄이 컵 형태로 성형되기 전에 에폭시, 나일론 또는 PET 등의 합성수지를 알루미늄 코일에 접합한 후, 알루미늄 코일을 성형하는 방법이 이용되고 있으나 합성수지가 갖는 신장률, 인장강도 등의 제한으로 인해 직경에 비해 길이가 긴 콘덴서 케이스 경우에는 박리현상이 발생하기 쉽고, 또한 이러한 합성수지는 내약품성이 우수하지 못하기 때문에 변형되기 쉽다.

1□이하의 박막을 작성하는 수단으로는 종래 진공증착법[1], 전자빔법[2] 및 자외선 조사법[3]에 의한 방법 등이 알려져 있으나 본 연구에서는 저온 플라스마 중합공정[4-5]을 이용하여 알루미늄 콘덴서 케이스에 10□ 이하의 절연성 유기박막을 코팅하여 다른 방법보다 신속하고 핀홀이 없고 균일하게 박막을 형성하였다. 또한 그에 따른 특성들을 관찰하여 전해 콘덴서로의 적용 가능성을 검토하고자 하였다.

실험방법

1. 시편 제조

알루미늄 판(4×4cm)과 알루미늄 케이스(□6.26mm)의 유기/무기 오염물들을 제거하기 위해 에틸 알코올과 물을 1 : 1로 섞은 용액에 초음파 세척기를 사용하여 습식 세척을 행한 후 12시간 이상 건조한 후 데시게이터에 24시간 이상 상온 건조하였다. 또한 접착력 향상을 위한 OH기의 도입을 위해 증류수에 30분간 끓인 시편도 준비하였다.

2. 실험 장치 및 처리공정

본 실험에 사용한 반응기는 Fig.1 10×30×60cm 상자형 R.F. (13.56 MHz)

플라스마 반응기를 사용하였다. 처리하기 전에 산소 플라스마로 전처리하였고, 플라스마 중합을 위한 모노머로는 Hexamethyldisiloxane(HMDSO, Aldrich)와 1-Octene(TCI-EP)을 사용하였으며, 압력은 1 Torr 이하, 방전전력은 40-200W 그리고 처리시간은 3-30분으로 하였다. 또한 가스 유량은 14-120 SCCM ,모노머 유량은 31-72 SCCM 으로 하여 유기 박막을 형성하였다.

Figure 1. Schematic diagram of Box-Style reactor(18,000cm3)

3. 물성 조사

코팅된 박막의 두께와 morphology를 SEM과 AFM으로 관찰하였으며, 화학적 구조는 FT/IR-RF(Josco-430)로 관찰하였다. 박막과 알루미늄 표면간의 접착력은 Lab-shear test와 Adhesion-tape test를 사용하였고, 박막의 전기저항성은 전해 도금법[6]을 응용하여 절연성과 전도성 물질이 혼합되어 있는 물질을 음극으로  이용하면 금속이온과 전자교환이 가능한 곳에서만 금속이 증착되므로 이러한 성질을 이용하여 절연성을 확인 하였다. 내약품성은 ASTM D5638-95에 의하여 샘플을 콘덴서 조립기판 세척용 용매들에 2분간 침적시켰다가 건조한 다음 무게변화를 측정하였다. 또한 내열성은 JIS C0021의하여 측정 확인 하였다.

결과 및 토론

절연물로 silicon계를 사용한 주요원인은 플라스마를 이용하므로서 금속표면과 접착력이 우수할 뿐만 아니라 내열성과 전기 절연성이 좋고 유전율과 유전정접이 낮을 뿐만 아니라, 내후성, 내약품성 등이 뛰어나다.

1. 공정변수에 따른 박막에 미치는 영향

본 실험은 공정변수에 따라 크게 달라지며 공정조건을 맞추는 일이 가장 중요하다.

증착 시간에 따라 여러 공정조건에 따른 박막의 두께는 모두 선형적으로 증가함을 실험을 통해 알 수 있어 공정 변수 조건에 따라 원하는 박막 두께를 얻을 수 있었다. 하지만 공정 변수에 따라 박막 이외에 기상 중에서 분말상으로 생성되기도 하고, 기재 표면에 액상 또는 점착성이 있는 박막으로 생성되기도 한다. 이것은 모노머의 유량을 크게 하고, 가스압을 올리거나 방전전력이 매우 낮은 경우 점성이 있는 액상의 막이 생성되는 편이며, 반대로 유량을 적게 하고 압력을 낮추면 분말상의 막이 생성됨을 관찰할 수 있었다.

2. 박막의 접착력 특성

콘덴서 제품 공정 특성상 콘덴서 케이스의 표면과 절연 박막간의 접착력은 30kg/cm2이상이 필요하며, 또한 커링 공정을 위해 접착력 뿐만 아니라 표면이 soft한 표면을 얻어야 한다. 이를 위해 접착성이 매우 우수하고, 또한 전기적 특성이 우수한 HMDSO 모노머를 이용하였고, 그 다음 soft한 표면을 얻기 위해 1-Octene를 사용해 보았다. 이에 따른 접착력을 Table 1.에 나타냈다.

Samples	Adhesion Strength [N/cm2]
Untreat Al Plate	251.6*
HMDSO+O2	213.3*
1-Octene+Ar	131.2↕
HMDSO+1-Octene+Ar	169.7↕
HMDSO+1-Octene+O2	243.4*
HMDSO+O2/1-Octene+Ar	227.7*

* cohesive failure, ↕ adhesive failure

Table 1. Adhesion Strength by Lap-shear test

1-Octene+Ar과 HMDSO+1-Octene+Ar 플라스마로 처리한 경우를 제외하고는 박막의 접착력이 adhesive failure가 아닌 에폭시 접착제의 파괴 또는 박막과 에폭시 접착제간의 failure가 되어 우수한 접착력을 보였다.

3. 박막의 화학적 구조 변화

Fig 2.는 각종 플라스마로 처리된 알루미늄판의 표면들을 분석한 FTIR-RF 스펙트럼을 HMDSO와 1-Octene 모노머 자체의 스펙트럼과 비교하여 보여주고 있는데, 저온 플라스마 중합공정을 이용함으로서 기존 모노머의 화학적 구조를 가진 유기 박막을 얻을 수 있었다.

Figure 2. FTIR-RF Spectra Surface of Alumiunm plate

(a) HMDSO monomer                     (a) 1-Octene monomer

(b) HMDSO+O2 (120W,3min)              (b) 1-Octene+Ar(160W,25min)

(c) HMDSO+O2/1-Octene+Ar              (c) HMDSO+1-Octene+Ar

(100W,3min/160W,20min)                 (200W,25min)

(d) HMDSO+1-Octene+O2 (100W,20min)

참고문헌

[1] M. White, Vacuum 15, 449 (1965)

[2]. T. William et al ; Nature 19, 769(1966)

[3]. P. White, Insulation 13, 52 (1967)

[4]. H. K. Yasuda, "Plasma Polymerization," Acad. Press, New York, (1985).

[5]. A. Grill, "Cold Plasma and its Applications for Processing of Solids," T.J.Watson Research Center, New York, (1998).

[6]. B. T.Ahn, B.J.Lee, "Electrical properties of CVD polycristalline DLC film" 107(1999)