KR100750314B1 - 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 및 이의 제조방법 - Google Patents

정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR100750314B1
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cathode drum
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김만
이주열
권식철
이상열
김정환
이경욱
이경열
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명에 의한 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼은, 도금액에 담긴 상태로 음극(-)과 연결되어 외주면에 금속박판(200)이 형성되는 메쉬형 음극드럼(100)에 있어서, 내부가 빈 원통 모양으로 형성되며, 좌우측면에 돌출 형성된 중심봉(140)을 기준으로 회동 가능한 원통부재(120)와; 외관을 형성하고 상기 금속박판(200)과 대응되는 패턴(patern)이 형성되는 구리층(160)과; 상기 구리층(160)과 원통부재(120) 사이에 구비되어 상기 원통부재(120)에 인가된 전류를 상기 구리층(160)으로 전달하는 니켈층(180)과; 상기 원통부재(120)에 인가된 전류의 흐름을 차단하는 충진재(R)가 충진되는 충진홈(162)을 포함하는 구성을 가지며; 상기 충진홈(162) 내부 일측에는 내측으로 돌출되어 상기 충진재(R)의 외주면 일측을 구속하는 요철부(165)가 구비됨을 특징으로 한다. 이와 같은 구성에 의하면, 충진재의 이탈이 방지되어 균일한 품질을 가지는 금속박판을 연속적으로 대량 생산 가능한 이점이 있다.
메쉬형, 음극드럼, 요철부, 충진재, 구속

Description

정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 및 이의 제조방법 { Mesh type cathode drum for precision electroforming and Method for manufacturing }
도 1 은 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼의 외관 구성을 보인 사시도.
도 2 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼의 내부 구성을 보인 종단면도.
도 3a 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼의 제조방법을 나타낸 공정흐름도.
도 3b 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼 제조방법에서 전처리단계를 세부적으로 나타낸 블럭도.
도 3c 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼 제조방법에서 구리도금단계를 세부적으로 나타낸 블럭도.
도 3d 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼 제조방법에서 에칭단계를 세부적으로 나타낸 블럭도.
도 4 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼에서 니켈층이 형성된 모습을 보인 종단면도.
도 5 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼에서 니켈층 외주면에 구리층이 형성된 모습을 보인 종단면도.
도 6 은 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼에서 감광막이 도포된 모습을 보인 종단면도.
도 7 은 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼에서 감광막이 현상된 모습을 보인 종단면도.
도 8a 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼 제조방법에서 제1에칭단계가 완료시의 일실시예를 보인 종단면도.
도 8b 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼 제조방법에서 제1에칭단계가 완료시의 다른 실시예를 보인 종단면도.
도 9 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼 제조방법에서 제2에칭단계가 완료시의 모습을 보인 종단면도.
도 10 은 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼에서 감광막이 박리된 모습을 보인 종단면도.
도 11 은 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼에서 충진재가 충진된 모습을 보인 종단면도.
도 12 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼 제조방법의 일단계인 제2에칭단계에서 전압의 변화에 따른 구리층과 니켈층의 전류밀도를 보인 그래프.
도 13 은 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼 제조방법의 일단계인 제2에칭단계에서 황산이 적용될 때 전압의 변화에 따른 구리층과 니켈층의 전류밀도를 보인 그래프.
도 14 는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼 제조방법의 일단계인 제2에칭단계에서 질산이 적용될 때 전압의 변화에 따른 구리층과 니켈층의 전류밀도를 보인 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100. 음극드럼 120. 원통부재
140. 중심봉 160. 구리층
162. 충진홈 163. 천공부
164. 함몰부 165. 요철부
166. 양각부 180. 니켈층
200. 금속박판 210. 구멍
PR . 감광막 R . 충진재
S10. 전처리단계 S12. 탈지과정
S14. 세척과정 S16. 침지과정
S18. 건조과정 S20. 니켈도금단계
S30. 구리도금단계 S40. 감광막도포단계
S50. 노광단계 S60. 현상단계
S70. 감광막경화단계 S80. 에칭단계
S82. 1차에칭과정 S84. 2차에칭과정
S90. 감광막박리단계 S100. 충진단계
본 발명은 음극드럼 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수회의 에 칭과정으로 니켈층과 구리층에 충진홈이 함몰 형성되며, 상기 니켈층과 구리층이 접하는 충진홈 내부 일측에는 내측으로 돌출되어 충진재의 이탈을 구속하는 요철부가 형성되는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 금속박판을 제조하는 방법으로는 쌍롤을 이용한 연속주조법, 멜트스피닝(Melt spining)법, 압연법 등이 있다.
연속주조를 이용한 박판의 제조는 현재 열연판재 두께인 수 ㎜ 수준까지 생산하고 있으나 극박판 제조는 아직 성공하지 못하고 있는 실정이며, 이 방법은 제조공정 중 아르곤(Ar) 가스 등으로 공정분위기를 조절하게 되므로 이때 가스로 인한 기포 발생에 의해 금속박판의 표면결함, 과열로 인한 표면층 파괴 등의 제조상 문제점이 발생하게 된다.
멜트스피닝(Melt spining)법은 급속응고를 통한 박판의 제조방법 중 하나이며, 회전하는 냉각롤에 용융금속을 분사시켜 금속박판을 제조하는 것으로 비교적 성분이 균일한 박판을 얻을 수 있는 장점이 있다.
그러나 균일한 성분의 박판을 제조하기 위해서는 진공상태에서 작업을 수행해야 한다는 제약이 따르게 되며, 이를 극복하기 위해 개발된 방법이 피에프씨(PFC : Planar Flow Casting)법으로 대기중에서 작업이 가능해졌으나 균일성의 편차가 심하게 생기는 문제점을 가지고 있다.
가장 보편화된 방법인 압연법은 박판의 생산에 있어서 많은 장점이 있으나, 수많은 단계의 압연으로 인해 제조단가가 높아질 뿐만 아니라 극박판(두께 30㎛ 이하)의 생산은 제품원가의 상승을 초래하여 실제 생산에의 적용에 제약이 있다.
예를 들어, 미국특허 4948434호에 개시되어 있는 바와 같이 두께 약 100㎛ 이하의 금속박판을 제조하기 위해서는 다단계 압연 및 어닐링(Annealing)을 실시해야 하는데, 여기에서 두께 100㎛의 금속박판을 제조하기 위한 다단 냉간압연 공정은 복잡하고 어려우며 장시간이 소요되는 단점과, 불균일한 형상, 두께 편차, 에지크랙(Edge crack) 등의 문제로 인해 수율이 30% 미만이며, 또한 이로 인해 제조단가가 높다는 문제점이 있다.
최근 전주도금을 이용하여 박판을 제조하는 방법에 대해 많은 연구가 진행되고 있는데, 이러한 전주기법을 사용하는 장치에서는 별도의 전해액 공급수단이 존재하지 않고, 단순히 패들(Paddle)을 이용하여 전해액을 교반시키기 때문에 전해액의 농도 분포가 불균일할 뿐만 아니라 막대형 패들의 상하운동 또는 좌우운동에 의해 수많은 기포를 발생시키는 단점이 있다.
이러한 교반방식은 균일한 조성을 요구하는 합금박판의 생산에는 부적합하기 때문에 새로운 방식의 제조방법을 도입할 필요가 있다.
한편 강자성(强磁性) 물질인 니켈(Ni)은 전자파차폐 재료로서 우수한 성능(E-Field, H-Field)을 가지고 있으며, 휴대폰 및 피디에이(PDA), 노트북 같은 휴대용 통신설비와 같이 인체에 근접 사용되는 아이티(IT)제품의 전자파차폐에 효과적인 것으로 알려져 있어 박판이나 메쉬(Mesh)의 형태로 다양하게 사용되고 있다.
특히, 메쉬의 경우에는 전자파차폐 특성 뿐만 아니라 전자부품에서 발생하는 열에 대한 통풍기능을 갖춤으로써 다양한 분야에 적용되고 있다.
현재까지 금속메쉬의 제작은 독일 등지에서 적용되고 있는 금속와이어의 직 조방식과 일본에서 개발된 방법인 폴리에스테르(Polyester) 등을 이용하여 메쉬를 제작하고 무전해 도금법을 이용하여 금속메쉬를 제조하는 방법이 있는데, 이러한 직조형태의 메쉬의 경우 홀(Hole)의 크기가 크고 와이어(Wire)가 차지하는 부분이 작으며 박막의 형태로 제조하는 것이 어렵다는 단점이 있다.
이를 보완하기 위하여 개발된 방법이 메쉬형 음극드럼을 이용한 전기도금방법이다. 전기도금방법은 음극드럼의 외주면에 에칭(Etching)을 실시하여 패턴을 형성하고, 에칭에 의해 함몰된 함몰부에 고분자수지를 충진하여 고분자수지가 존재하지 않는 곳에만 도금되도록 함으로써, 이렇게 형성된 도금층을 음극드럼을부터 분리시키게 되면 금속박판을 얻을수 있게 된다.
그러나, 종래 기술에 의한 메쉬형 음극드럼에는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 상기 음극드럼의 외주면에 형성된 함몰부는 음극드럼의 외주 방향으로 갈 수록 넓게 개구되며, 상기 함몰부에 충진된 고분자수지는 함몰부와 대응되는 형상을 가진다.
따라서, 고분자수지와 에칭부위의 구속력이 저하되므로 도금층을 음극드럼으로부터 분리시키는 과정에서 고분자수지가 쉽게 분리되는 문제점이 있다.
또한, 상기 고분자수지가 음극드럼으로부터 분리되면 함몰부에 전류가 흘러 금속박판은 정밀도가 저하되는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 떨어져 나간 충진재를 다시 충진하는 공정이 빈번하게 발생되므로 음극드럼의 유지 보수 비용이 증가하게 되어 바람직하지 못하다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 원통부재 표면에 니켈(Ni) 및 구리(Cu)도금을 실시하여 니켈층 및 구리층을 함몰 형성하고, 다수회의 에칭으로 니켈층과 구리층에 충진홈이 형성되며, 충진홈 내부 일측에는 내측으로 돌출된 요철부가 형성되도록 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 및 이의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 충진재와 요철부의 간섭에 의해 충진재의 이탈이 방지되도록 함으로써 금속박판의 품질이 일정하게 유지되도록 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 및 이의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 도금액에 담긴 상태로 음극(-)과 연결되어 외주면에 금속박판이 형성되는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼에 있어서, 내부가 빈 원통 모양으로 형성되며, 좌우측면에 돌출 형성된 중심봉을 기준으로 회동 가능한 원통부재와; 외관을 형성하고 상기 금속박판과 대응되는 패턴(patern)이 형성되는 구리층과; 상기 구리층과 원통부재 사이에 구비되어 상기 원통부재에 인가된 전류를 상기 구리층으로 전달하는 니켈층과; 상기 원통부재에 인가된 전류의 흐름을 차단하는 충진재가 충진되는 충진홈을 포함하는 구성을 가지며; 상기 충진홈 내부 일측에는 내측으로 돌출되어 상기 충진재의 외주면 일측을 구속하는 요철부가 구비됨을 특징으로 한다.
상기 충진홈은, 상기 구리층에 천공 형성된 천공부와, 상기 니켈층에 함몰 형성된 함몰부를 포함하여 구성되며, 상기 천공부와 함몰부는 동일한 직선상에 동 심원을 형성함을 특징으로 한다.
상기 요철부는 구리층에 형성됨을 특징으로 한다.
상기 요철부는 천공부와 함몰부가 접하는 부위에서 가장 작은 내경을 가지도록 형성됨을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼의 제조방법은, 내부가 빈 원통 모양의 원통부재 표면을 세척하는 전처리단계와, 상기 전처리단계를 거친 원통부재 표면에 니켈을 도금하여 니켈층을 형성하는 니켈도금단계와, 상기 니켈층 표면에 구리를 도금하여 구리층을 형성하는 구리도금단계와, 구리층 외면에 감광막을 도포하는 감광막도포단계와, 상기 감광막 외면에 포토에칭용 마스크를 부착시키고 자외선으로 노광시키는 노광단계와, 상기 포토에칭용 마스크를 제거하고 노광된 부분의 감광막을 제거하는 현상단계와, 상기 원통부재 표면에 남아있는 감광막을 경화시키는 감광막경화단계와, 상기 구리층 및 니켈층을 에칭하여 충진재가 충진되는 충진홈을 형성하는 에칭단계와, 상기 감광막을 박리시키는 감광막박리단계와, 상기 충진홈에 충진재를 충진하는 충진단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 전처리단계는, 원통부재 표면을 알칼리(Alkali)로 탈지하는 탈지과정과, 탈지된 원통부재를 증류수로 세척하는 세척과정과, 상기 원통부재를 알코올(Alcohol)에 침지(沈漬)하는 침지과정과, 침지(沈漬)된 원통부재의 외면에 남아있는 알코올을 건조하는 건조과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 니켈도금단계는 상기 원통부재 외면에 150 ~ 200㎛의 니켈층을 형성하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 감광막도포단계 내지 감광막경화단계는 크린룸(Clean room)에서 실시됨을 특징으로 한다.
상기 에칭단계는, 상기 구리층을 천공시켜 천공부를 형성하는 1차에칭과정과, 상기 니켈층을 함몰시켜 함몰부를 형성하는 2차에칭과정을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 2차에칭과정에서 상기 충진홈 내부 일측에는 내측으로 돌출되어 상기 충진재의 외면 일측을 구속하는 요철부가 형성됨을 특징으로 한다.
상기 요철부는 충진홈 내부에서 가장 작은 직경을 가지도록 형성됨을 특징으로 한다.
상기 2차에칭과정은, 상기 염화제2철(FeCl3) 용액에서 실시됨을 특징으로 한다.
상기 제2에칭과정은 0.75 V ∼1.5 V 의 전압 조건에서 실시됨을 특징으로 한다.
상기 제2에칭과정은 0.07 ∼0.15 A/㎠ 의 전류밀도 범위 내에서 실시됨을 특징으로 한다.
상기 2차에칭과정은, 황산(H2SO4) 용액에서 0.3 V 이하의 전압 조건하에서 실시됨을 특징으로 한다.
상기 제2차에칭과정은, 질산(HNO3) 용액에서 0.7 V ∼0.9 V 의 전압 조건하에서 실시됨을 특징으로 한다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 균일한 품질을 가진 금속박판을 연속적으로 대량 생산 가능한 이점이 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가 채용된 메쉬형 음극드럼의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼의 외관 구성을 보인 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼의 내부 구성을 보인 종단면도가 도시되어 있다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼(이하 "음극드럼(100)"이라 칭함)은 대략 좌우로 긴 원기둥 형상을 가지며, 회전 가능하게 구성된다.
그리고, 상기 음극드럼(100)의 내측에는 내부가 빈 원통 모양의 원통부재(120)가 구비된다. 상기 원통부재(120)는 좌우측면이 차폐되어 내부에 공간이 형성되며, 탄소강 또는 써스(SUS;Steel Use Stainless)304로 성형된다.
필요에 따라서 상기 원통부재(120)는 속이 채워진 봉상이나 속이 비어있는 원통형의 파이프 또는 원통형의 박판을 말아서 제작 가능함은 물론이다.
그리고, 상기 원통부재(120)의 차폐된 좌우측면의 중심을 관통하여 길이 방향으로는 중심봉(140)이 구비된다. 상기 중심봉(140)은 원통부재(120)의 회동 중심 역할을 수행하는 것으로, 상기 원통부재(120)는 중심봉(140)을 기준으로 회동 가능하게 된다.
상기 음극드럼(100)의 외관은 구리층(160)에 의해 형성된다. 상기 구리 층(160)은 상기 원통부재(120)에 음극(-)을 설치하고 황산동 도금액에 양극(+)을 연결하여 전기도금법을 실시함으로써 형성된 것으로, 상기 구리층(160)의 외면에는 메쉬형 패턴이 형성된다.
상기 메쉬형 패턴은 에칭가공에 의해 육각형 모양이 다수개 규칙적으로 함몰 형성된 것으로, 포토에칭 공정에 의해 함몰되어 육각형 모양을 가지는 다수개의 충진홈(162)과, 상기 원통부재(120)의 외주면에서 충진홈(162)을 제외한 나머지부분 즉, 벌집 형상의 양각부(166)를 포함하여 구성된다.
상기 충진홈(162)은 본 발명의 요부 구성으로서 도 1에 도시된 바와 같이, 정육각형을 가지도록 성형하였으나, 금속박판(200)의 용도에 따라 원형, 사각형 등 다양한 형상으로 구현 가능함은 물론이다. 그리고, 상기 충진홈(162)의 상세한 구성 설명은 아래에서 하기로 한다.
상기 메쉬형 패턴은 제조하고자 하는 금속박판(200)과 대응되는 형상을 가지는 것으로, 보다 상세하게 상기 충진홈(162)은 금속박판(200)에 형성되어질 구멍(210)과 동일한 형상 및 크기를 가진다.
상기 구리층(160)과 원통부재(120) 사이에는 니켈층(180)이 형성된다. 상기 니켈층(180)은 상기 원통부재(120)에 인가된 전류가 상기 구리층(160)으로 전달되도록 하는 것으로, 상기 구리층(160)과 마찬가지로 전기도금법에 의해 형성되며, 전기전도도가 높은 금속으로 형성됨이 바람직하다.
한편, 상기 충진홈(162)은 다수회의 에칭공정에 의해 형성된 것으로 내부에는 충진재(R)가 충진된다. 상기 충진재(R)는 충진홈(162)이 금속박판(200)을 이루 는 금속과 반응하지 않도록 차단하는 것으로, 내화학성을 가지는 고분자 수지가 적용된다.
따라서, 상기 음극드럼(100)에 음극(-)을 연결한 상태로 양극(+)이 인가된 도금액에 담그게 되면, 상기 충진재(R)는 전류를 차단하게 되어 상기 양각부(166)에만 전류가 흐르게 된다. 즉, 상기 양각부(166)에만 금속박판(200)이 형성되며, 이로써 상기 금속박판(200)은 양각부(166)와 동일한 패턴을 가지게 된다.
상기 충진홈(162)은 내부 중앙부가 오목하게 형성되어 상기 충진재(R)의 외면을 구속하도록 구성된다. 즉, 상기 충진홈(162)은 구리층(160)에 천공 형성된 천공부(163)와, 상기 니켈층에 함몰 형성된 함몰부(164)를 포함하여 구성되며, 상기 천공부(163)와 함몰부(164)는 동일한 직선상에 형성된다.
그리고, 상기 충진홈(162) 내부에는 충진홈(162) 내측 방향으로 돌출되어 상기 충진재(R)의 외면을 구속하는 요철부(165)가 형성된다. 상기 요철부(165)는 1차에칭과정(S82)에 의해 형성된 천공부(163) 하측에 2차에칭과정(S84)을 실시하여 상기 함몰부(164)를 형성함으로써 생성된 것으로, 상기 구리층(160)에 형성된다.
따라서, 상기 요철부(165)는 천공부(163)와 함몰부(164)가 접하는 부위에서 가장 작은 내경을 가지도록 형성되며, 상기 충진홈(162) 내부에 충진된 충진재(R)가 응고되면 상기 충진재(R)는 요철부(165)에 의해 외면이 구속되어 상측으로 이탈이 규제된다.
이하에서는 상기와 같이 구성되는 메쉬형 음극드럼의 제조방법을 첨부된 도 3a 내지 도 12를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3a 내지 도 3B에는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼의 제조방법을 나타낸 공정흐름도가 도시되어 있고, 도 4 내지 도 11에는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼의 제조방법에서 각 단계가 완료된 상태의 외관 구성을 보인 종단면도가 도시되어 있으며, 도 12에는 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼 제조방법의 일단계인 제2에칭단계에서 전압의 변화에 따른 구리층(160)과 니켈층(180)의 전류밀도를 보인 그래프가 도시되어 있다.
음극드럼 제조방법의 설명하기에 앞서, 상기 원통부재(120) 표면에 전술한 포토에칭 공정을 진행하기 위해서는 포토에칭용 마스크(미도시)가 필요한데, 이러한 포토에칭용 마스크(Mask)는 정밀한 제품의 제조를 위해 도면을 기초로 에칭펙터(Etching Factor)를 고려하여 캐드(CAD)로 설계되어야 함이 바람직하다.
이때 선폭은 도면보다 넓어지게 되며 캐드(CAD)로 설계된 도면을 포토플라터(Photoplotter)를 사용하여 필름 위에 직접 도면을 그린 후 현상하게 되면 포토에칭용 마스크가 완성된다.
한편 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼의 제조방법은, 상기 원통부재(120) 표면을 세척하는 전처리단계(S10)부터 시작되는데, 상기 전처리단계(S10)는 상기 원통부재(120) 표면과 니켈층(180)의 밀착력을 향상시키기 위하여 행하여지는 과정이다.
즉, 전처리단계(S10)는 상기 원통부재(120) 표면에 부착된 먼지, 기름, 지문 등의 이물질을 제거하기 위한 방법으로, 원통부재(120) 표면을 알칼리(Alkali) 탈지 후 증류수(蒸溜水)로 세척하고 알코올(Alcohol)에 침지(沈漬)하여 열풍건조로 또는 온풍기의 열풍으로 건조시키게 된다.
보다 세분화하자면, 상기 전처리단계(S10)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 원통부재(120) 표면을 알칼리로 탈지하는 탈지과정(S12)과, 탈지된 원통부재(120)를 증류수로 세척하는 세척과정(S14)과, 상기 원통부재(120)를 알코올(Alcohol)에 침지(沈漬)하는 침지과정(S16)과, 침지(沈漬)된 원통부재(120)의 외면에 남아있는 알코올을 건조하는 건조과정(S18)으로 이루어진다.
상기 전처리단계(S10)에 의해 원통부재(120) 외면의 이물이 제거되면, 상기 원통부재(120) 표면에 니켈(Ni)을 도금하는 니켈도금단계(S20)가 실시된다. 상기 니켈도금단계(S20)는 전기도금법에 의해 상기 양각부(166) 외면에 니켈층(180)을 형성하는 과정이다.(도 4 참조)
보다 상세하게는 상기 니켈도금단계(S20)는 원통부재(120)를 음극(-)에 설치하고 니켈도금액을 양극(+)으로 이용하여 전기도금법으로 도 2와 같이 상기 원통부재(120) 외주면에 150 ~ 200㎛의 니켈층(160)을 형성하는 과정이다.
상기 니켈도금단계(S20)가 완료되면 상기 니켈층(180) 표면에 구리를 도금하여 구리층(160)을 형성하는 구리도금단계(S30)를 실시하게 된다.
상기 구리도금단계(S30)는 니켈도금단계(S20)에서와 마찬가지로 전기도금법을 이용하여 실시하는 과정으로, 음극(-)에 니켈층(180)이 형성된 상기 원통부재(120)를 설치하고 양극(+)으로 황산동 도금액을 사용함으로써 도 5 에 도시된 바와 같이 상기 니켈층(180) 위에 20 ~ 30㎛의 구리층(160)을 형성시키게 되는 것이다.
상기 구리도금단계(S30)를 세분화하자면 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 구리층(160)의 외면에 구리를 도금하여 구리층(160)을 형성하는 도금과정(S32)과, 상기 구리층(160)의 외면을 광택 연마하는 연마과정(S34)으로 이루어진다.
따라서, 광택 연마된 상기 구리층(160)의 외면에 금속박판(도 11의 도면부호 200 참조)이 형성되더라도 금속박판(200)은 구리층(160)으로부터 용이하게 박리 가능하게 된다.
상기 구리도금단계(S30)가 완료되면 도 6과 같이 상기 구리층(160) 외면에 감광막(PR)을 도포하는 감광막도포단계(S40)가 실시된다. 상기 감광막도포단계(S40)는 구리층(160) 표면에 감광막(PR)이 골고루 분포되도록 하면서 균일한 감광막(PR)이 형성되도록 한다.
따라서, 상기 감광막도포단계(S40)에서는 원통부재(120)을 회전시키면서 스프레이식으로 뿌리거나, 상기 원통부재(120) 형상에 대응되는 롤(Roll)을 준비하여 서로 외주면이 접촉하도록 회전시켜 실시할 수도 있음은 물론이다.
여기에서 본 발명에 의해 제조되는 메쉬형 음극드럼(100)은 매우 고정밀을 요구하기 때문에 공기 중에 존재하는 미세한 불순물이나 먼지 등이 감광막(PR) 도포시 유입되면 선폭이 부분적으로 끊어지거나 에칭(Etching)이 되지 않는 부분이 발생하여 제품불량의 원인이 되므로, 상기 감광막도포단계(S40)에서부터 아래에서 설명할 감광막경화단계(S70)까지는 크린룸(Clean room)에서 작업하여야 한다.
상기 감광막도포단계(S40)에서의 감광막(PR)은 상기 포토에칭용 마스크가 포지티브타입(Positive type)이냐 아니면 네가티브타입(Negative type)이냐에 따라 달리 사용하게 되는데, 포지티브타입(Positive type)에서는 RC-100PR을 사용하게 되며 네가티브타입(Negative type)에서는 PVA(PolyVinyl Alcohol)수지를 사용하게 된다.
또한, 상기 감광막도포단계(S40)에서는 감광막을 도포하고 난 다음 소프트베이크(Soft Bake)을 실시하게 되는데, 상기 RC-100PR을 사용하는 경우에는 90 ~ 95℃의 드라이오븐(Dry oven)에서 약 30분간 실시하게 되고 상기 PVA수지를 사용하는 경우에는 60℃로 건조시키게 된다.
상기 감광막도포단계(S40)를 거친 다음에는 상기 원통부재(120) 표면에 포토에칭용 마스크를 부착시키고 자외선으로 노광(Exposure)시키는 노광단계(S50)가 진행된다.
상기 노광단계(S50)는 상기 포토에칭용 마스크의 음(陰)·양(陽) 차이에 따라 감광막(PR)이 노출되는 부분과 노출되지 않는 부분으로 분리된 원통부재(120) 표면에 강한 자외선을 통과시키는 과정으로, 이러한 자외선 빛에 의해 포토에칭용 마스크의 패턴을 상기 원통부재(120) 표면에 옮겨주게 된다.
상기 노광단계(S50)에서 사용되는 노광기는 400W의 수은전구가 사용되며, 상기 원통부재(120)를 천천히 회전시키면서 노광시키게 된다. 이때의 노광시간은 상기 RC-100PR을 사용하는 경우에는 3분, 수용성 감광막(PR)인 PVA수지를 사용하는 경우에는 5분을 각각 실시하게 된다.
상기 노광단계(S50)가 실시된 다음에는 상기 원통부재(120) 표면에서 포토에칭용 마스크를 제거하고 노광된 부분의 감광막(PR)을 제거하는 현상단계(S60)가 실 시된다. 상기 현상단계(S60)는 상기 노광단계(S50)의 자외선에 의해 빛을 받은 부분은 녹아서 제거되어 상기 원통부재(120)가 노출되고 빛을 받지 않은 부분은 그대로 남아 경화되는 과정이다.
상기 현상단계(S60)에서는 상기 RC-100PR을 사용하는 경우에 SHIPLEY사의 RC-351을 25%로 증류수로 희석한 현상액을 사용하여 20 ~ 25℃의 온도범위에서 1 ~ 2분간 현상(Development)을 하게 되고, 상기 PVA수지를 사용하는 경우에는 수돗물을 현상액으로 사용하여 실온에서 현상이 가능할 뿐만 아니라 25 ~ 30℃의 따뜻한 물로 현상기를 사용하여 물을 분사시킴으로써 현상을 실시할 수 있게 된다.
상기 현상단계(S60)가 실시된 다음에는 상기 구리층(160) 표면에 남아있는 감광막(PR)을 경화(硬化)시키는 감광막경화단계(S70)가 진행된다.(도 7참조)
상기 현상단계(S60)가 끝난 감광막(PR)은 건조만 되어 있는 상태이므로 연하고 무르기 때문에 기계적인 충격이나 긁힘에 약할 뿐 아니라, 아래에서 설명할 에칭단계(S80)에서 박리되거나 부분적으로 침식되어 에칭되지 않아야 할 부분이 에칭되는 경우가 있으므로 피막을 경화시키는 과정이 필요하게 되어 상기 감광막경화단계(S60)를 실시하게 되는 것이다.
상기 감광막경화단계(S70)는 하드베이크(Hard Bake)로 불리는 과정으로, 상기 RC-100PR을 사용하는 경우에 온도 120℃의 드라이오븐(Dry oven)에서 약 30분간 실시하게 된다.
그리고, 상기 PVA수지를 사용하는 경우에는 상기 감광막경화단계(S70)를 거치기 전에 우선 8%의 크롬산용액에 20 ~ 30초간 침지하여 수지가 크롬산과 반응함 으로써 육안으로 관찰하기 용이하도록 하고 수지자체도 경화시킨 후, 물로 세척하고 알코올에 5초간 침지하여 65℃로 건조한 다음 감광막경화단계(S70)로서 약 5분간 130 ~ 150℃의 드라이오븐(Dry oven)에서 진행하게 된다.
상기 감광막경화단계(S70)가 진행된 다음에는 상기 원통부재(120) 표면의 노광된 부분을 에칭(Etching)하는 에칭단계(S80)가 실시된다. 상기 에칭단계(S80)는 상기 구리층(160)과 니켈층(180)을 두 차례의 에칭으로 함몰시켜 상기 메쉬형 패턴(도 1의 외관 참조)을 형성하기 위한 과정으로, 전술한 충진홈(162)이 이때 형성된다.
상기 에칭단계(S80)를 도 3c 및 도 8a 내지 도 9를 참조하여 보다 상세하게 살펴보면,
상기 에칭단계는 상기 구리층(160)을 천공시켜 천공부(163)를 형성하는 1차에칭과정(S82)과, 상기 니켈층을 함몰시켜 함몰부(164)를 형성하는 2차에칭과정(S84)을 포함하여 구성된다.
상기 1차에칭과정(S82)은 에칭을 실시하여 구리층(160)이 관통되도록 하는 과정으로, 상기 원통부재(120) 표면에서 노광되어 필요없는 부분을 에칭액으로 없애게 된다. 즉, 상기 감광막(PR)이 남아있는 부분을 남겨둔 채 나머지 부분(상기 구리층(160) 중에서 외부로 노출된 부분)은 부식시켜 함몰시키게 된다.
상기 1차에칭과정(S82)에서의 에칭액으로는 스테인레스 및 기타 금속의 에칭에 가장 널리 사용되고 있는 42% 염화제2철용액을 사용하여 45℃의 온도에서 실시하게 된다.
이때, 에칭되는 깊이는 100 ~ 150㎛가 바람직하다. 이것은 상기 음극드럼(100)을 이용한 금속박판(200) 제조시에 금속박판(200)의 품질 확보를 위한 것으로, 상기 메쉬형 패턴의 정밀도를 높임으로써 정밀한 금속박판(200)의 구현이 가능하게 된다.
또한, 상기 1차에칭과정(S82)은 에칭시간을 조절하여 도 8a와 같이 상기 구리층(160)과 니켈층(180)이 접하는 위치까지 천공시킬 수도 있으며, 도 8b와 같이 니켈층(180)의 상부까지 함몰시켜도 무관하다.
상기 1차에칭과정(S82)이 완료되면 2차에칭과정(S84)을 실시하게 된다. 상기 2차에칭과정(S84)은 본 발명의 요부 구성인 요철부(165)가 형성되는 과정으로 상기 구리층(160)은 에칭하지 않고 니켈층(180)만을 선택적으로 부식시키게 된다.(도 9 참조)
상기 2차에칭과정(S84)에서 요철부(165)를 형성하기 위한 조건이 도 12에 도시되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같이 상기 2차에칭과정(S84)은 염화제2철(FeCl3) 용액에서 실시되며, 0.75 V 내지 1.5V의 전압 조건에서 실시된다. 그리고, 전압 조건이 0.75V 이상일 때 전류밀도는 0.07 ∼0.15 A/㎠ 범위 내에서 실시된다.
즉, 전압조건이 0.75V 이상이고, 전류밀도가 0.07 ∼0.15 A/㎠ 범위일 때 상기 니켈층(180)은 용해되지 않는 반면, 상기 구리층(160)은 전압과 전류밀도가 정비례하여 부식된다.
그리고, 전압조건이 1.5V 이상일 때에는 상기 요철부(165)를 형성시에 많은 기포가 발생되어 정밀도가 저하되므로 지양(止揚)함이 바람직하다.
따라서, 상기 도 8a 및 도 8b와 같은 상태에서 천공부(163)의 하측만 선택적으로 부식되어 도 9와 같이 함몰부(164)를 형성할 수 있게 된다.
또한, 상기 에칭액은 황산(H2SO4) 용액 또는 질산(HNO3) 용액이 적용될 수도 있다. 즉, 도 13 및 도 14에는 에칭액이 황산(H2SO4) 용액 또는 질산(HNO3) 용액으로 적용되었을 때 작업조건이 도시되어 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 상기 황산용액이 적용되었을 경우에는 0.3 V 이하의 전압 조건하에서 실시할 때 니켈층(180)의 선택적인 부식이 가능하며, 질산용액이 적용되었을 경우에는 0.7 V ∼0.9 V 의 전압 조건에서 실시할 때 니켈층(180)의 선택적인 부식이 활발함을 알 수 있다.
상기 에칭단계(S80)가 끝난 다음으로는 상기 구리층(160) 표면에서 남아있는 감광막(PR)을 박리시키는 감광막박리단계(S90)가 진행된다(도 10 참조). 이러한 감광막박리단계(S90)를 거치게 되면 비로소 상기 원통부재(120)의 표면에 포토에칭용 마스크의 메쉬형 패턴이 형성되는 것이다.
상기 감광막박리단계(S90)는 상기 RC-100PR을 사용하는 경우에 아세톤 용액에서 실시하게 되고, 상기 PVA수지를 사용하는 경우에는 5% 차아염소산나트륨 용액을 80℃로 가열하여 1분간 침지함으로써 진행하게 된다.
이러한 감광막박리단계(S90)가 끝난 다음에는 상기 충진홈(162)을 충진하는 충진단계(S100)가 진행된다. 상기 충진단계(S100)는 음극드럼(100)에서 생산되는 메쉬형 금속박판(200)의 원활한 박리와 음극드럼(100) 표면의 충진홈(162)에 통전으로 인한 메쉬형상의 홀 막힘 현상을 방지하기 위하여 실시하게 되는 것이다.
즉, 상기 충진단계(S100)에서 충진홈(162)에 충진되는 충진재(R)는 내화학성을 가진 수지(Resin) 종류를 사용하게 되며, 이러한 충진재(R)가 충진홈(162)에 충진된 후에 열처리에 의해 건조되면 상기 충진재(R)는 요철부(165)에 의해 구속되어 충진홈(162)으로부터 이탈되지 않게 된다.
상기한 단계를 거쳐 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼의 제조방법은 완료된다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
예를 들어 본 발명의 실시예에서는 원통부재를 써스(SUS)304로 형성하였으나, 필요에 따라서는 탄소강 등 다양한 재질로 성형하여 적용 가능함은 물론이다.
위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 메쉬형 음극드럼은, 원통부재 표면에 니켈(Ni) 및 구리(Cu)도금을 실시하여 니켈층 및 구리층을 함몰 형성하고, 다수회의 에칭으로 니켈층과 구리층에 충진홈이 형성되며, 충진홈 내부 일측에는 내측으로 돌출된 요철부가 구성된다.
따라서, 충진재는 충진홈 내부에서 요철부에 의해 구속되어 외측 방향의 이탈이 규제되는 이점이 있다.
또한, 음극드럼을 이용하여 금속박판을 다수회 연속적으로 생산하더라도 충진재의 소실이 발생하지 않게 되므로 금속판재의 품질이 일정하게 유지되는 이점이 있다.
뿐만 아니라, 음극드럼의 유지 보수 비용이 절감되므로 금속박판의 제조 원가가 현저히 감소하게되는 이점이 있다.

Claims (16)

  1. 도금액에 담긴 상태로 음극(-)과 연결되어 외주면에 금속박판이 형성되는 메쉬형 음극드럼에 있어서,
    내부가 빈 원통 모양으로 형성되며, 좌우측면에 돌출 형성된 중심봉을 기준으로 회동 가능한 원통부재와;
    외관을 형성하고 상기 금속박판과 대응되는 패턴(patern)이 형성되는 구리층과;
    상기 구리층과 원통부재 사이에 구비되어 상기 원통부재에 인가된 전류를 상기 구리층으로 전달하는 니켈층과;
    상기 원통부재에 인가된 전류의 흐름을 차단하는 충진재가 충진되는 충진홈을 포함하는 구성을 가지며;
    상기 충진홈 내부 일측에는 내측으로 돌출되어 상기 충진재의 외주면 일측을 구속하는 요철부가 구비됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 충진홈은,
    상기 구리층에 천공 형성된 천공부와,
    상기 니켈층에 함몰 형성된 함몰부를 포함하여 구성되며,
    상기 천공부와 함몰부는 동일한 직선상에 동심원을 형성함을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 요철부는 구리층에 형성됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 요철부는 천공부와 함몰부가 접하는 부위에서 가장 작은 내경을 가지도록 형성됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼.
  5. 내부가 빈 원통 모양의 원통부재 표면을 세척하는 전처리단계와,
    상기 전처리단계를 거친 원통부재 표면에 니켈을 도금하여 니켈층을 형성하는 니켈도금단계와,
    상기 니켈층 표면에 구리를 도금하여 구리층을 형성하는 구리도금단계와,
    구리층 외면에 감광막을 도포하는 감광막도포단계와,
    상기 감광막 외면에 포토에칭용 마스크를 부착시키고 자외선으로 노광시키는 노광단계와,
    상기 포토에칭용 마스크를 제거하고 노광된 부분의 감광막을 제거하는 현상단계와,
    상기 원통부재 표면에 남아있는 감광막을 경화시키는 감광막경화단계와,
    상기 구리층 및 니켈층을 에칭하여 충진재가 충진되는 충진홈을 형성하는 에칭단계와,
    상기 감광막을 박리시키는 감광막박리단계와,
    상기 충진홈에 충진재를 충진하는 충진단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전처리단계는,
    원통부재 표면을 알칼리(Alkali)로 탈지하는 탈지과정과,
    탈지된 원통부재를 증류수로 세척하는 세척과정과,
    상기 원통부재를 알코올(Alcohol)에 침지(沈漬)하는 침지과정과,
    침지(沈漬)된 원통부재의 외면에 남아있는 알코올을 건조하는 건조과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 니켈도금단계는 상기 원통부재 외면에 150 ~ 200㎛의 니켈층을 형성하는 과정임을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 감광막도포단계 내지 감광막경화단계는 크린룸(Clean room)에서 실시됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼의 제조방법.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 에칭단계는,
    상기 구리층을 천공시켜 천공부를 형성하는 1차에칭과정과,
    상기 니켈층을 함몰시켜 함몰부를 형성하는 2차에칭과정을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 2차에칭과정에서 상기 충진홈 내부 일측에는 내측으로 돌출되어 상기 충진재의 외면 일측을 구속하는 요철부가 형성됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 요철부는 충진홈 내부에서 가장 작은 직경을 가지도록 형성됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 제조방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 2차에칭과정은,
    염화제2철(FeCl3) 용액에서 실시됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제2에칭과정은 0.75 V ∼1.5 V 의 전압 조건에서 실시됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제2에칭과정은 0.07 ∼0.15 A/㎠ 의 전류밀도 범위 내에서 실시됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 제조방법.
  15. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 2차에칭과정은,
    황산(H2SO4) 용액에서 0.3 V 이하의 전압 조건하에서 실시됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 제조방법.
  16. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제2차에칭과정은,
    질산(HNO3) 용액에서 0.7 V ∼0.9 V 의 전압 조건하에서 실시됨을 특징으로 하는 정밀 전주를 위한 메쉬형 음극드럼 제조방법.
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