KR101110195B1

KR101110195B1 - 무소결 세라믹제조방법

Info

Publication number: KR101110195B1
Application number: KR1020090045493A
Authority: KR
Inventors: 김지훈; 윤영준; 김종희; 김효태; 구은회
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2012-02-15
Also published as: KR20100127011A

Abstract

본 발명에서는 무소결 세라믹제조방법에서 세라믹 분말들이 분산된 잉크의 액적을 소정 기판에 잉크젯 인쇄하여 세라믹 후막을 제조하는 무소결 세라믹제조방법에 있어서, 상기 세라믹 분말은 그의 수직직경인 D_v와 수평직경인 D_h가 하기 식 1을 만족하고, 동시에 상기 분말의 주연부에 존재할 수 있는 각도들 중 최대의 각도가 135°미만으로 되는 제조방법이 개시된다:

식 1

무소결, 잉크젯, 구상세라믹분말, 다봉성입도분포

Description

무소결 세라믹제조방법 {NON-SINTERING CERAMIC MANUFACTURE}

본 발명은 무소결 세라믹제조방법에 관한 것으로, 특히 잉크젯(ink jet) 공정을 통한 무소결 세라믹제조방법에 관한 것이다.

오늘날 세라믹 패키지관련기술은 저온동시소성기술(Low Temperature Co-fired Ceramic: LTCC)을 바탕으로 캐패시터, 저항 등의 수동소자와 FEM(Front End Module) 등의 통신소자의 제작에 기여하고 있다.

특히, 최근 들어 날로 소형화되는 차세대 휴대용 정보통신기기에 적용 가능한 고집적 세라믹 다층 집적화 모듈의 제작을 위해서는 종래의 2차원 집적화가 아니라 3차원 집적화된 초고집적 시스템 모듈의 제조가 요구된다. 그러나, 상기 LTCC 세라믹스는 그 소결온도가 900℃로서 종래 통상적인 세라믹스의 소결온도(일반적으로 1500℃)보다는 저온이지만 모듈 내의 금속도체로 되는 전극 등의 이종물질과 접합하기에는 여전히 소결온도가 높다는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 상기 초고집적 시스템 모듈의 미세회로 구현이 어렵다는 문제도 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 소결공정을 생략가능한 무소결 세라믹제조방법이 개발되어왔으며, 특히 최근에는 잉크젯(ink jet) 인쇄를 통하여 세라믹 후막을 제조하는 방법이 개발되고 있다. 이러한 잉크젯은 적층하고자 하는 물질을 액체 잉크(ink)로 만들어 토출하여 후막을 제조하며, 이때 상기 잉크는 세라믹 또는 금속의 미세분말을 적절한 용액에 분산하여 제조된다. 특히, DOD(Drop-On-Demand) 인쇄방식에서는 상기 제조된 잉크를 압전 액츄에이터로 구성된 캐비티에 넣고 이에 압력을 가하여 잉크 액적(droplet)을 일정한 토출빈도로 소정 기판의 원하는 위치에 토출함으로써 후막을 적층한다. 이렇게 형성된 후막은 고온의 소결공정 없이도 세라믹 막의 물리적 특성을 이끌어낼 수 있게 된다.

특히, 이러한 공정은 소결공정을 거치지 않으므로, 제조된 세라믹 막이 우수한 물성을 갖기 위해서는 치밀한 막을 가져야 하고, 또 이렇게 치밀한 막을 제조하기 위해서는 충전율이 관건으로 된다. 즉, 충전율은 상기 토출되는 잉크 내에 존재하는 세라믹 분말들이 액체의 증발시 치밀하게 적층되는 정도를 나타내며, 이 충전율이 클수록 더욱 치밀한 막의 제조가 가능해진다. 예를 들어, 종래 LTCC 세라믹스의 하나로서 알루미나 분말을 글라스(glass)와 함께 혼합하여 복합체를 형성하는 경우의 알루미나 충전율은 대략 30-40vol% 정도에 불과하다. 또한, 이의 필름 캐스팅에 의한 제조방법에서도 알루미나 충전율은 약 50vol% 전후로 비교적 낮다. 그러나, 이들 종래방법들은 소결공정을 거치므로 별다른 문제가 발생하지 않으나, 소결공정이 생략된 잉크젯 인쇄방식에서는 이들 종래방법들의 충전율보다 높은 충전율을 가져야 한다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 무소결 세라믹제조방법에 있어서 제조되는 후막의 충전율을 향상하여 치밀한 막의 제조를 가능하게 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 무소결 세라믹제조방법은 세라믹 분말들이 분산된 잉크의 액적을 소정 기판에 잉크젯 인쇄하여 세라믹 후막을 제조하는 무소결 세라믹제조방법에 있어서, 상기 세라믹 분말은 그의 수직직경인 D_v와 수평직경인 D_h가 하기 식 1을 만족하고, 동시에 상기 분말의 주연부에 존재할 수 있는 각도들 중 최대의 각도가 135°미만으로 될 수 있다:

식 1

이때, 상기 세라믹 분말은 다봉성 입도분포를 가질 수 있고, 상기 입도분포는 20㎚-1㎛로 됨이 바람직하다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 무소결 세라믹제조방법에 있어서 다봉성 입도분포를 갖는 구상의 세라믹분말을 사용함으로써 제조된 후막의 충전율이 개선되어 더욱 치밀하고 향상된 세라믹 물성을 갖는 후막의 제조가 가능해진다.

무소결 잉크젯 제조방법에 있어서, 세라믹 분말들이 분산된 잉크의 액적이 소정 기판에 토출되면 액적과 기판의 계면에서부터 액체의 증발이 발생하며, 이로써 잉크 내의 세라믹 분말들이 적층된다.

이러한 인쇄공정에 있어서, 본 발명자들은 이때 사용되는 세라믹 분말의 형상과 크기분포에 따라 상기 적층되는 양상이 달라짐을 발견하였다. 즉, 잉크의 액적이 기판표면에 토출된 후 증발할 때 잉크액적 내에 온도구배에 의한 표면장력의 차이가 발생하고, 이로 인해 액적 내부에는 미세한 유체의 흐름인 유동이 형성된다. 이러한 유동은 액적 내의 세라믹 분말들을 이동시키고 일정한 방향으로 적층하는 구동력이 된다. 특히, 본 발명자들은 이러한 분말의 이동은 분산된 세라믹 분말들의 형상에 따라 좌우되는데 주목하였고, 상기 형상이 구상으로 될 때 이동되는 분말들 간의 마찰이 최소화되어 가장 효과적인 분말의 적층이 달성된다는 것을 알아냈다.

이때, 본 발명에서 사용되는 용어인 "구상(spherical)"은 도 1a 및 도 1b와 같이 정의된다. 즉, 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일 세라믹 분말에 있어서 수직직경인 D_v와 수평직경인 D_h가 하기 식 1을 만족하고, 또한 상기 분말의 주연부에 존재할 수 있는 각도들 중 최대의 각도 α는 하기 식 2를 만족할 때, 본 발명에서 상기 분말의 형상은 구상인 것으로 정의된다:

식 1

식 2

이러한 분말 형상의 판단은 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)으로 제조된 세라믹 후막의 단면 또는 표면을 관찰하여 분말의 형상을 기준으로 전술한 바대로 판단하게 된다. 도 2a는 구상분말로 충전된 후막의 전자현미경사진을 나타내고, 도 2b는 비구상분말로 충전된 후막의 전자현미경사진을 나타낸다.

또한, 본 발명에 의한 세라믹 분말은 최적의 고밀도 충전을 이루기 위하여 단일의 입도분포보다는 다봉성 입도분포(multi-modal size distribution)를 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 적층시 큰 사이즈의 분말들이 서로 적층되어 생기는 공간은 이보다 작은 사이즈의 분말들로 인하여 메워지게 되어 충전율이 향상된다. 특히, 상기 입도분포는 20㎚-1㎛의 범위로 됨이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 상기와 같이 다봉성 입도분포를 갖는 구상 세라믹 분말로써 잉크를 제작하고 이를 잉크젯 인쇄하여 후막을 형성할 경우, 분말의 충전율이 비구상 세라믹 분말로 된 잉크로써 제조된 후막의 충전율보다 16% 이상 향상됨이 확인된다. 이는 하술하는 본 발명의 바람직한 실시예들과 첨부된 도면을 참조하며 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

실시예

본 실시예에서는 통상의 잉크젯 인쇄방식인 DOD(Drop-On-Demand) 인쇄방식을 사용하였고, 잉크로서는 20㎚-1㎛의 입도분포를 갖는 알루미나(Al₂O₃: ASFP-20, 일본 Denka사)의 구상분말을 잉크용매인 DMF(N.N. dimethylformamide; 비등점: 153℃, 표면장력: 40.4 dyne/cm)에 8vol%로 되도록 분산하여 제조하여 이의 액적을 Cu 기판(1.5mm, 온도: 50℃)에 토출하여 이 기판의 상부에 후막을 형성하였다. 잉크 액적의 부피는 150-180pl(pico liter), 토출주파수는 600-1000Hz, 잉크 액적간 피치는 50-100㎛, 인쇄된 후막을 구성하는 라인들간의 간격은 25-50㎛, 인쇄면적은 11×11mm²였다. 이렇게 제조된 후막은 주사전자현미경(SEM)을 통하여 잉크의 증발후 분말의 거동을 관찰하였고, 후막의 충전율은 하기 식 3에 의하여 산출하였다:

식 3

이때, W는 세라믹(즉, 알루미나) 후막의 중량, ρ는 세라믹(즉, 알루미나)의 이론밀도(알루미나의 경우 3.97g/cc), A는 인쇄면적, t는 세라믹 후막의 두께이다.

비교예

또한, 본 실시예에 대한 비교예로서 0.3㎛의 단일입도를 갖는 알루미나 비구상분말을 상기 실시예와 동일한 방법으로 후막을 제조하였고 상기 식 3에 의하여 충전율을 산출하였다.

본 실시예에 의해 제조된 후막의 전자현미경 사진을 도 3a-3e에 나타낸다. 즉, 도 3a는 잉크액적이 Cu 기판에서 증발한 후의 후막사진(x500)이고, 도 3b 및 도 3c는 각각 상기 액적의 종단부분인 도 3a의 "A"부분을 각각 x20,000, x35,000 확대한 사진들이며, 도 3d는 상기 액적의 중앙부분인 도 3a의 "B"부분을 x30,000 확대한 사진이다. 또한, 도 3e는 잉크액적이 Cu 기판에서 증발한 후의 후막을 x10,000 확대한 사진이다. 이들 사진을 참조하면, 구상분말들이 치밀하게 적층되어 있음을 확인할 수 있다.

또한, 비교예에 의해 제조된 후막의 전자현미경 사진을 도 4a-4e에 나타낸다. 즉, 도 4a는 잉크액적이 Cu 기판에서 증발한 후의 사진(x300)이고, 도 4b 및 도 4c는 각각 상기 액적의 종단부분인 도 4a의 "C"부분을 각각 x5,000, x15,000 확대한 사진들이며, 도 4d는 상기 액적의 중앙부분인 도 4a의 "D"부분을 x15,000 확대한 사진이다. 또한, 도 4e는 잉크액적이 Cu 기판에서 증발한 후의 후막을 x10,000 확대한 사진이다. 이들 사진을 참조하면, 구상분말들과는 달리 비구상분말들의 경우 잉크 증발 후 치밀하게 적층되지 않고 듬성듬성 적층되어 있음이 확인된다.

하기 표 1에서는 구상분말로 제조된 본 실시예와 비구상분말로 제조된 비교예의 각 후막에 대해 산출된 충전율을 나타낸다. 표 1을 참조하면, 충전율이 구상분말의 경우가 비구상분말의 경우보다 약 16% 정도 개선되었음을 알 수 있다.

표 1

	막두께(㎛)	인쇄면적(mm²)	막중량(g)	충전율(%)
비교예	5.12	149.32×8	0.00875	57.6
본 실시예	5.23	138.53×4	0.0078	68.5

이상 기술한 본 발명의 바람직한 실시 예들의 특성은 조성분말의 평균입도, 분포 및 광학 특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량에 따라 통상적인 오차범위 내에 서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연한 것이다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시 예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1a 및 도 1b는 각 세라믹 분말의 단면도.

도 2a는 구상분말로 충전된 후막의 전자현미경사진.

도 2b는 비구상분말로 충전된 후막의 전자현미경사진.

도 3a-3b는 본 실시예에 의한 액적의 전자현미경사진으로서,

도 3a는 잉크액적이 Cu 기판에서 증발한 후의 후막사진(x500);

도 3b는 도 3a의 상기 액적의 종단부분인 "A"부분을 x20,000 확대한 사진;

도 3c는 도 3a의 상기 액적의 종단부분인 "A"부분을 x35,000 확대한 사진;

도 3d는 상기 액적의 중앙부분인 "B"부분을 x30,000 확대한 사진;

도 3e는 잉크액적이 Cu 기판에서 증발한 후의 후막을 x10,000 확대한 사진.

도 4a-4e는 비교예에 의한 액적의 전자현미경사진으로서,

도 4a는 잉크액적이 Cu 기판에서 증발한 후의 사진(x300);

도 4b는 도 4a의 상기 액적의 종단부분인 "C"부분을 x5,000 확대한 사진;

도 4c는 도 4a의 상기 액적의 종단부분인 "C"부분을 x15,000 확대한 사진;

도 4d는 도 4a의 상기 액적의 중앙부분인 "D"부분을 x15,000 확대한 사진;

도 4e는 잉크액적이 Cu 기판에서 증발한 후의 후막을 x10,000 확대한 사진.

Claims

세라믹 분말들이 분산된 잉크의 액적을 소정 기판에 잉크젯 인쇄하여 세라믹 후막을 제조하는 무소결 세라믹제조방법에 있어서,

상기 세라믹 분말은 그의 수직직경인 D_v와 수평직경인 D_h가 하기 식 1을 만족하고, 동시에 상기 분말의 주연부에 존재할 수 있는 각도들 중 최대의 각도가 135°미만인 것을 특징으로 하는 무소결 세라믹제조방법.

식 1
삭제
제1항에 있어서,

상기 세라믹 분말의 입도분포는 20㎚-1㎛로 되는 것을 특징으로 하는 무소결 세라믹제조방법.