KR100371931B1 - 버퍼층을 갖는 박막이 형성된 전자파 차폐구조 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자파 차폐 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 비전도성 소재; 상기 비전도성 소재의 적어도 일면에 형성된 도전층; 및 상기 비전도성 소재와 도전층 사이에 개재되며 상기 비전도성 소재와 도전층 모두에 친화성이 있는 버퍼층을 포함하여 이루어진 전자파 차폐 구조 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

버퍼층을 갖는 박막이 형성된 전자파 차폐구조 및 그 제조방법 {Electro-magnetic interference shielding structure with thin film comprising buffer layer and preparing process therefor}

본 발명은 전자파 차폐 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리머 소재에 대한 도전막의 밀착력이 향상된 전자파 차폐 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.

각종 전기 전자 제품의 외장재가 금속에서 플라스틱으로 대체됨에 따라 전기 전자 제품으로부터 발생되는 전자파(EMI; Electro-Magnetic Interference)가 심각한 문제점을 야기하고 있다. 구체적으로 예를 들어, 컴퓨터, 항공기 및 각종 통신장비 등에 이상 잡음이나 오동작, 성능저하를 초래할 뿐 아니라, 심지어 인체에도 유해한 영향을 미치는데 핸드폰에서 발생하는 전자파가 뇌종양을 일으킨다는 연구결과가 보고된 바 있다.

따라서, 선진 각국에서는 유해 전자파를 규제하는 관계 법규를 마련하여 자국에서 생산하는 제품을 비롯하여 외국에서 수입되는 제품에 이르기까지 적용대상을 확대하고 있으며, 그 기준에 적합하지 않은 제품에 대해서는 생산 및 수입을 금지시키고 있다. 이에 각종 전기 전자 제품을 생산하는 제조 업체들은 전자파를 차폐할 수 있는 여러 가지 방안을 강구하게 되었다.

전자파를 차폐하는 방법은 크게 두가지로 구별될 수 있는데, 플라스틱 소재를 성형하기 위한 수지 조성물에 도전성 재료를 배합하여 소재 자체가 도전성을 갖도록 하는 것과, 비전도체인 플라스틱 소재 상에 도전성의 전자파 차폐 박막을 형성하는 것이다.

수지조성물에 도전성 재료를 배합하는 방법은 플라스틱에 알루미늄, 카본, 금속분말, 탄소섬유, 플레이크 등의 도전성 필러를 혼입하여 성형하는 방법으로서, 2차 가공이 필요없고, 코팅시 나타나는 크랙, 박리의 염려가 없다는 장점은 있으나 균일한 차폐 효과를 내기 위해서는 다량의 필러를 사용하여야 하므로 하우징의 두께가 증가하고 플라스틱 자체의 성능을 저하시키는 문제점이 있다. 또한, 카본 블랙, 탄소섬유 등의 흑색 필러를 사용하는 경우에는 표면이 흑색이 되어 2차 도장이 필요하고 도전성이 높은 플라스틱은 양도체이므로 감전의 위험성을 갖게 된다.

비전도체인 플라스틱 소재 상에 도전성 차폐 박막을 형성하는 방법으로는 플라스틱 표면에 금속판을 라미네이팅하는 방법, 금속 분말을 용사하거나 진공증착시방법, 습식 도금하는 방법, 전도성 페인트를 피복하는 방법 등을 예로 들 수 있다.

그러나, 상기 방법 중에서 전도성 페인트 피복법은 톨루엔과 같은 유독성 용제를 사용하기 때문에 환경오염을 야기하고 작업자의 건강을 위협하며, 전도성 페인트를 전량 수입에 의존하고 있는 형편이라 가격경쟁력이 떨어지고, 순수한 금속으로만 피복하는 경우와 동일한 전자파 차폐 효과를 얻기 위해서는 피복층의 두께가 훨씬 두꺼워야 하기 때문에 전자 기기의 경박단소화 경향에 맞추기 곤란하다는 문제점이 있다.

또한, 습식 도금법은 피막재료로 니켈이나 코발트와 같은 촉매성이 강한 금속을 사용하는데, 도금액에 화학 환원제를 첨가하여 사용하므로 환경 오염 문제를 야기할 뿐만 아니라 모재를 도금액에 침지시켜 피막층을 형성하기 때문에 선택적인 단면 도금이 불가능하여 단면 도금을 실시해야 할 경우에는 도금시키지 않고자 하는 면을 마스킹하여 실시해야 하므로 생산성이 저하된다는 문제점이 있어 점차 진공 증착법, 스퍼터링법의 활용이 급격하게 증가하고 있다.

진공 증착법은 진공상태에서 증착하고자 하는 물질을 가열시켜 증기 상태로 소재 표면에 도전성 박막을 형성하는 방법으로서 작업과정이 단순하고 시설비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있으나, 플라스틱 소재의 경우 작업공정 중에 필연적으로 발생하는 열에 대한 소재 자체의 안정성이 부족하고 박막을 형성하는 에너지가 작기 때문에 밀착력이 저하되며, 형성된 박막의 밀도가 낮아 외부환경에 대한 내구성에 심각한 문제를 가지고 있다.

반면, 스퍼터링법은 저온에서 증착 과정을 수행하며, 화학양론비를 용이하게 조절할 수 있고, 증착 물질이 발생된 플라즈마에 의해 박막으로 형성되므로 진공증착에 비해 증착 에너지의 크기가 수백배에 달하므로 밀착력이 우수하고, 이로 인해 형성된 박막의 밀도가 높아 외부환경에 대한 내구성이 우수하다. 또한, 형성된 박막의 미세한 두께 조절이 용이하다는 장점이 있다.

이온화된 기체의 타겟 표면 충돌현상에 의해 증착물질을 직접 기화시키는 방법으로서, 불활성 기체의 이온화 작용은 비평형 방전영역(abnormal glow discharge)에서 이루어지며 이온화된 기체는 전기장의 영향에 의해 음극 표면을 가격하게 된다. 따라서, 스퍼터링법에서는 타겟을 음극으로 사용하고, 진공용기 또는 스퍼터링 대상 소재를 양극으로 사용하여, 순수 금속만을 피복시킬 수 있어 전도성 페인트를 피복하는 경우에 비해 단위 두께당 저항을 감소시킬 수 있고 밀착력이 우수하다는 장점이 있다.

한편, 전기 전자 제품의 각종 금속 부품 및 외장재를 대체하고 있는 플라스틱 소재로는 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌 옥사이드와 같은 열가소성 엔지니어링 플라스틱을 예로 들 수 있는데, 그 중에서도 폴리카보네이트는 내후성 및 기계적 강도가 강하고 내충격성까지 갖추고 있어 전자제품 전반에 걸쳐 사용이 확대되고 있다.

대표적인 엔지니어링 플라스틱인 폴리카보네이트는 일반적으로 하기 반응식 1과 같이 비스페놀 A 또는 다른 페놀과 포스겐의 반응으로 생성되는 폴리에스테르이다.

폴리카보네이트는 녹는점 230℃, 열변형 온도 120 내지 140℃이고 기계적 강도가 크고 내수성도 좋다. 특히 내충격성, 탄성율이 크고 내광성도 우수하다. 구체적으로 하기 표 1에서 폴리카보네이트와 다이캐스트용 함금과의 물성을 비교하였다.

성 질	폴리카보네이트	다이캐스트용아연합금	다이캐스트용알루미늄합금
밀도(g/cc)	1.19	6.64	2.71
탄성율(kg/cm²)	23.9	71.0	28.1
인장강도(kg/cm²)	600	2,800	2,100
인장강도/밀도 비	504	422	780
강도/무게 비	1	0.81	1.5

그러나, 폴리카보네이트와 같이 에칭이 어렵고 극성도 띄지 않는 수지는 양호한 밀착력을 얻을 수 있는 에칭 및 표면 촉매화가 매우 까다롭다는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 수지로 이루어진 소재 상에 도전성 페인트를 스프레이 코팅하는 경우는 물론 스퍼터링하는 경우에도 충분한 밀착력을 얻을 수 없어 제품의 성능에 커다란 문제점을 야기하고 있다. 예를 들면, 제품에 채용되는 부품들의 대다수가 미세전류로 작동되는데 이 부품의 외부를 둘러싸고 있는 전자파 차폐막의 밀착력 불량으로 인해 일부라도 박리되어 전류의 흐름을 방해한다면 전기적인 단락현상을 유발하여 제품의 오동작 문제를 발생시킬 수 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 비전도성 소재에 도전성 물질을 피복하여 전자파를 차폐함에 있어서, 폴리카보네이트와 같이 금속과의 친화성이 적은 경우에도 소재와 금속층과의 밀착력이 향상된 전자파 차폐 구조 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 전자파 차폐 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 전자파 차단구조에 대한 원소별 깊이방향 분포를 분석한 AES 깊이 프로파일(depth profile)이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전자파 차단 구조 단면의 SEM 사진(×10,000)이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,

비전도성 소재;

상기 비전도성 소재의 적어도 일면에 형성된 도전층; 및

상기 비전도성 소재와 도전층 사이에 개재되며 상기 비전도성 소재와 도전층 모두에 친화성이 있는 버퍼층을 포함하여 이루어진 전자파 차폐 구조를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 비전도성 소재는 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 폴리페닐렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 도전층은 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 스테인레스스틸 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 버퍼층은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 폴리머 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 버퍼층은 스테인레스스틸, 니켈, 티타늄, 코발트, 구리 및 이들의 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 버퍼층이 스퍼터링, 진공증착, 이온보조 진공증착 또는 전자빔 진공증착에 의해 형성될 수 있다.

본 발명은 또한, 비전도성 소재를 준비하는 단계;

상기 비전도성 소재의 적어도 일면에 비전도성 소재와, 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 스테인레스스틸 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 도전성 물질에 대하여 친화성이 있는 물질을 사용하여 버퍼층을 형성하는 단계;

상기 버퍼층의 비전도성 소재와 인접하지 않은 면 상에 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 스테인레스스틸 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 도전성 물질을 사용하여 도전층을 형성하는 단계를 포함하는 전자파 차폐 구조 제조방법을 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 전도성 차폐 구조(10)의 단면을 확대하여 도시한 것이다. 본 발명은 폴리카보네이트와 같이 기계적 물성이 뛰어나 각종 금속의 대체용으로 활용되고 있는 비전도성 모재(11)에 전자파 차폐 능력을 부여함에 있어서, 상기 모재(11)가 은, 알루미늄, 구리, 금 , 백금, 스테인레스스틸 및 이들의 합금과 같은 도전성 물질과의 친화성이 만족스럽지 않은 점을 개선하기 위하여 비전도성 모재(11)와 도전층(13) 사이에 모재 및 도전물질 모두에 친화성이 있는 물질로 이루어진 버퍼층(12)을 개재시키는 것을 특징으로 한다.

상기 폴리카보네이트와 같은 비전도성 물질과 금속 분말 모두에 친화성이 있는 물질로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 폴리머로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체를 예로 들 수 있는데, 반드시 폴리머로만 한정되는 것은 아니다. 즉, 폴리머 이외에도 스테인레스스틸, 니켈, 티타늄, 코발트, 구리 및 이들의 화합물과 같이 폴리머 소재에 대한 친화력이 뛰어난 금속을 사용할 수 있다.

버퍼층이 폴리머 물질로 이루어진 경우에는 당업계에 널리 알려진 일반적인 폴리머 박막 형성방법, 즉 캐스팅, 라미네이팅 등에 의할 수도 있으며, 스퍼터링, 진공증착, 이온보조 진공증착, 전자빔 진공증착과 같은 증착법을 이용하는 것도 가능하다. 적용하는 버퍼 물질마다의 고유한 특성을 고려하여 최적의 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

버퍼층이 금속 또는 그 화합물로 이루어진 경우에는 전술한 바와 같은 일반적인 금속 박막 형성 방법에 의할 수 있는데, 그중에서도 가장 바람직한 것은 스퍼터링이다.

본 발명에 의한 전도성 차폐 구조에 사용되는 비전도성 소재는 비전도성이어서 전자파(EMI)를 차폐하기 위한 수단이 강구되어여야 하는 것이라면 어느 것이든지 가능하며, 반드시 엔지니어링 플라스틱이어야 하는 것은 아니다.

전자파 차폐 효과를 발휘하는 전도층의 소재로는 당업계에서 동일한 용도로 사용하고 있는 도전성 재료라면 어느 것이든지 적용가능하다. 전도층 형성방법 역시 당업계에 널리 알려진 다양한 방법을 사용할 수 있으나, 스퍼터링이 가장 바람직하며 버퍼층이 폴리머일 경우에는 적용하는 물질의 특성을 고려하여 선택되어야 한다.

본 발명에 의한 전자파 차폐 구조를 제조하는 방법으로 바람직한 스퍼터링의 원리를 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

진공 속에 아르곤과 같은 불활성 가스 주입하고, 직류를 걸어주면 음극에서 전자가 튀어나와 기체 분자와 충돌한다. 충돌한 분자의 일부는 이온화가 되지만 대부분은 이온화가 되지 못하고 여기된 후 곧 안정한 상태로 되돌아 간다. 이때 글로우라는 광선을 발하며 방전하여 "글로우방전"이 나타나고 플라스마가 생긴다. 스퍼터링은 이 플라스마 속의 이온(Ar⁺)을 음전기의 힘으로 음극쪽으로 가속시켜 음극 물질을 튕겨내서 기판에 부착되게 하는 현상을 말한다. 음극판을 타겟이라고 하며, 높은 운동에너지를 갖는 원자가 고체로부터 공간에 비출하는데 스퍼터 장치는 고체로부터 비상하는 스퍼터 원자를 기판 위에 체적해서 박막을 형성한다. 스퍼터 장치에서는 글로우 방전을 행한 플라즈마 중의 양이온에 음전압을 인가한 타겟에 가속해서 충돌시킨다. 1개 이온이 타겟에 충돌한 때 비상한 스퍼터율은 타겟 재질, 이온의 종류와 그 에너지에 의해서 변한다. 타겟의 스퍼터 에칭 속도 (E)는 하기 수학식 1로 나타낸다.

상기 식중, S는 스퍼터 비율, j는 타겟에 인가된 전류밀도, M은 원자량임.

타겟으로부터 비상한 스퍼터 원자가 기판에 도달하는 확률은 타겟과 기판의 기하학적 형태와 양자간의 상대적인 위치관계, 양자간의 공간에 있어서 스퍼터 원자와 가스분자가 충돌산란의 영향을 받는다. 타겟과 기판이 함께 정지해서 대향해 있는 경우는 부착속도 (D)는 비례정수(F)에 의해 스퍼터 에칭속도(E)와 다음과 같은 관계를 갖는다.

일반적인 스퍼터 장치에서 D는 대략 0.1 내지 0.5이다.

상기 수학식 1 및 2로부터 특정의 스퍼터 장치와 스퍼터 조건이 결정된 때 막의 부착속도는 S와 j로 제어될 수 있다. 많은 스퍼터 장치에서 성막속도는 타겟으로의 투입전력에 거의 비례하고 있다.

스퍼터링 방법은 다시 직류 2극 스퍼터 방식, RF 2극 스퍼터 방식, 열음극 스퍼터 방식, 마그네트론 스퍼터 방식 등으로 구분될 수 있으나, 본 발명에 적용함에 있어서 어느 방식으로 특별히 제한되는 것은 아니다.

이하 본 발명의 실시예를 들어 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시적인 것으로서 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

스퍼터링 장치(MRC 903, MRC사 제품)의 진공 챔버내에 스테인레스 스틸 타겟(SUS 304)과 폴리카보네이트 모재를 대향되게 설치하였다. 타겟 쪽에 음극, 플라스틱 소재 쪽에 양극이 오도록 회로를 구성하였다. 진공챔버내의 압력은 초기진공도 5×10^-6Torr, 공정진공도 8×10^-4Torr 로 유지하였으며, 아르곤:산소를 9:1의 비율로 혼입하였고, 150W의 전력을 회로에 인가하여 4분 동안 플라즈마를 발생시켰다. 약 2000Å 두께의 SUS 산화물 버퍼층을 형성하였고, 그 위에 약 3000Å의 SUS를 형성하였다.

버퍼층이 형성된 폴리카보네이트 모재를 다시 양극 쪽에 설치하고 Cu를 타겟으로 하여 전술한 것과 동일한 방법으로 스퍼터링하여 약 20000Å 두께의 도전층을 형성하였다.

실시예에서 제조된 전도성 차폐구조의 선저항을 측정한 결과 0.8Ω/cm로 나타나 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다.

또한, 밀착성 테스트는 KS-0254의 접착 테이프 시험방법을 사용하여 평가하였다. 10mm×10mm 크기의 도전층을 1mm×1mm 간격의 바둑판 모양으로 절개한 후 테이프를 붙였다 떼어 내었을 때 남아 있는 1mm×1mm 크기를 갖는 바둑판 모양의 수를 관찰하였다. 그 결과 거의 대부분의 도전층이 손상되지 않고 남아 있어 밀착력이 아주 우수하다는 것을 알 수 있었다.

한편, 실시예에서 제조한 전자파 차폐구조에 대하여 원소별 깊이 방향 분포를 분석하였다. 면적 20㎛×20㎛의 시료에 대하여 AES(VG MICROLAB 300R) 기기를 사용하여 전자빔; 10 keV, 60nA 과 스퍼터링 이온; Ar⁺5keV, 5mA 및 에칭시간; 100∼250sec로 분석한 깊이 프로파일(depth porofile)이 도 2에 나타나있다. 도 2에 의하면 SUS는 모두 산화된 것을 알 수 있다.

도 3은 실시예에서 제조한 전자파 차폐 구조의 단면을 10,000배 확대하여 촬영한 SEM 사진이다. 도전층인 Cu의 두께는 약 1.935 ㎛이며, SUS 산화물 버퍼층은 5,300Å으로 측정되었다.

본 발명에 의한 전자파 차폐 구조는 기계적 물성은 뛰어나지만 금속과의 친화성이 적은 비전도성 소재에 전자파 차폐용 도전층을 피복함에 있어서, 비전도성 소재와 금속 모두에 친화성이 있는 물질로부터 제조된 버퍼층을 개재시킴으로써 도전층의 밀착력이 아주 우수하게 되어 전자파 차폐가 필요한 모든 전기전자 제품에 성공적으로 적용될 수 있다.

Claims (7)

1. 비전도성 소재;

   상기 비전도성 소재의 적어도 일면에 형성된 도전층; 및

   상기 비전도성 소재와 도전층 사이에 개재되며, 상기 비전도성 소재와 도전층 모두에 친화성이 있는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로부터 제조된 버퍼층을 포함하여 이루어진 전자파 차폐 구조.
2. 비전도성 소재;

   상기 비전도성 소재의 적어도 일면에 형성된 도전층; 및

   상기 비전도성 소재와 도전층 사이에 개재되며, 상기 비전도성 소재와 도전층 모두에 친화성이 있는 스테인레스스틸, 니켈, 티타늄, 코발트, 구리 및 이들의 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로부터 제조된 버퍼층을 포함하여 이루어진 전자파 차폐 구조.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비전도성 소재는 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌 옥사이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징로 하는 전자파 차폐 구조.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도전층은 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 스테인레스스틸 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자파 차폐 구조.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 버퍼층이 스퍼터링, 진공증착, 이온보조 진공증착 또는 전자빔 진공증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐구조.
6. 비전도성 소재를 준비하는 단계;

   상기 비전도성 소재의 적어도 일면에 비전도성 소재와, 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 스테인레스스틸 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 도전성 물질에 대하여 친화성이 있는 물질을 스퍼터링, 진공증착, 이온보조 진공증착 또는 전자빔 진공증착함으로써 버퍼층을 형성하는 단계;

   상기 버퍼층의 비전도성 소재와 인접하지 않은 면 상에 은, 알루미늄, 구리, 금, 백금, 스테인레스스틸 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 도전성 물질을 사용하여 도전층을 형성하는 단계를 포함하는 전자파 차폐구조의 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 친화성이 있는 물질은, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질이거나, 또는 스테인레스스틸, 니켈, 티타늄, 코발트, 구리 및 이들의 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 전자파 차폐구조의 제조방법.