KR101188025B1 - 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 복합재료 및 그를 이용한 동박적층판 - Google Patents

일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 복합재료 및 그를 이용한 동박적층판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 얇은 두께와 낮은 열팽창계수 그리고 높은 열 방출 특성을 가지는 복합재료의 제조방법, 그 제조방법에 의해 제조된 복합재료 및 그 복합재료를 이용한 동박적층판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일방향 탄소섬유 프리프레그를 이용한 복합재료의 제조방법, 그 제조방법에 의해 제조된 복합재료 및 그 복합재료를 이용한 동박적층판에 관한 것이다.
본 발명에 따른 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 복합재료는, 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제조하는 단계; 제조된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 일정한 폭으로 절단하는 단계; 일정한 폭으로 절단된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 직물로 제직하는 단계; 및 제직된 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 성형하는 단계로 제조되는 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 것을 특징으로 한다.

Description

일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 복합재료 및 그를 이용한 동박적층판{Composite material using uni-directional carbon fiber prepreg and copper clad laminate}
본 발명은 얇은 두께와 낮은 열팽창계수 그리고 높은 열 방출 특성을 가지는 복합재료의 제조방법, 그 제조방법에 의해 제조된 복합재료 및 그 복합재료를 이용한 동박적층판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 복합재료의 제조방법, 그 제조방법에 의해 제조된 복합재료 및 그 복합재료를 이용한 동박적층판에 관한 것이다.
인쇄회로기판으로 널리 사용되는 구리를 입힌 얇은 적층판인 동박적층판(Copper Clad Laminate: CCL)은 일반적으로 2개의 구리층 사이에 절연층이 형성된 구조를 가진다. 동박적층판의 기초재료로 사용되는 절연층의 소재인 수지는 전기 절연성이 우수하지만 기계적 강도가 약하고 온도에 따른 치수 변화가 금속에 비하여 높다는 단점을 가진다.
이와 같은 수지층의 단점을 보완하기 위하여 종이, 유리섬유 또는 부직포가 수지층의 강도를 증가시키면서 온도에 따른 치수 변화를 감소시키기 위한 보강기재로 사용된다.
동박적층판은 유리섬유에 에폭시수지를 침투시킨 유리섬유/에폭시(Glass/Epoxy) 동박적층판, 인쇄회로기판의 제조를 위한 종이/페놀(Paper/Phenol) 동박적층판, 2종류 이상의 보강기재를 가지는 복합(Composite) 동박적층판, 정보처리분야에서 사용되는 낮은 유전율을 가진 보강기재를 가진 고주파용 동박적층판 및 유연성이 높은 폴리에스테르 또는 폴리이미드필름과 동박으로 만들어진 플렉시블(Flexible) 동박적층판으로 나누어질 수 있다.
휴대용 이동 통신 단말과 같이 전자 제품의 이동성(portability)이 요구됨에 따라 전자 제품을 구성하는 인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)은 소형화, 박판화, 고집적화와 동시에 높은 성능이 기능이 요구되고 있다. 그 결과 전자 제품에 이용되는 인쇄회로기판에서의 소자 패키지 밀도가 증가하고 실장되는 층수가 다층화되어감과 동시에 인쇄회로기판은 단면에서 양면으로 바뀌어 가는 경향을 보이고 있다.
흔히 사용되는 BGA(Ball Grid Array) 패키지 공법, 또는 SiP(System in Package) 및 MCM(Multi Chip Module) 등의 제품의 경우 주기판(Main Board)과 서브기판(Sub Board), 또는 칩(Chip)과 칩 사이에는 상호간의 열팽창계수(CTE; Coefficient of Thermal Expansion)의 차이로 인하여 비틀림(Warpage)이 발생할 수 있어 그 결과 칩과 칩 그리고 기판의 연결에 크랙(Crack)이 발생할 수 있는 문제가 있다.
즉, 통상 사용되는 인쇄회로기판의 열팽창계수는 약 12~20ppm(반도체 패키지용 FR-4, epoxy/유리섬유)인데 반하여, Solder Ball을 통해서 기판 위에 실장되는 칩(반도체, 실리콘 웨이퍼)의 열팽창계수는 2~5ppm이므로 제품의 사용시 발생하는 열에 의해 Solder Ball의 피로수명이 저하됨과 동시에 기판이 수평적으로 팽창하여 변형되게 된다. 그 결과 특히 박판 제품의 경우에는 열팽창계수의 민감성이 크며, 취급 또는 사용 중에 작은 외부충격에 대해서도 민감하게 불량으로 이어지는 문제가 발생하게 되어 제품의 신뢰성이 저하되게 된다.
인쇄회로기판과 그 위에 실장되는 칩 사이의 열팽창계수의 차이로 인한 문제점을 해소하기 위한 선행기술로 등록특허 제847003호 "인쇄회로기판을 위한 탄소섬유 보강재"가 있다. 이 선행기술에서는, 도 8에 나타낸 것처럼, 가로와 세로 방향으로 서로 직조 형태로 얽어진 탄소 섬유포(Carborn Fiber Cloth)와 탄소섬유 분쇄 입자 중 어느 하나 또는 이들 모두를 용제, 촉매, 경화제 및 에폭시를 포함하는 폴리머(Polymer) 용체에 함침하고 다수의 롤(Roll)을 통해 원하는 두께로 가공한 후 60~140℃에서 건조 제작하여 형성한 인쇄회로기판을 위한 탄소섬유 보강재를 개시한다. 또한 이 선행기술에서는, 도 9에 나타낸 것처럼, 인쇄회로기판을 위한 탄소섬유 보강재의 상하 표면에 동박을 형성된 동박적층판을 개시한다.
그러나 이와 같은 탄소섬유 직물을 이용한 인쇄회로기판용 보강재는 탄소섬유 자체를 직조함에 따라 줄일 수 있는 두께에 제한이 있고 직물에 공극(틈)이 발생하는 단점을 가진다. 즉, 현재 생산되고 있는 탄소섬유의 가장 가는 섬유는 1K(여기서 'K'는 탄소섬유를 구성하는 필라멘트 다발 수로서 1,000가닥을 의미한다)이며 1,000가닥의 탄소섬유 필라멘트 다발(Yarn)로 되어 있어 직물로 직조할 경우 직조된 탄소섬유 직물의 두께의 한계가 있고 최대 140㎛ 정도가 한계라는 단점을 가진다.
또한 탄소섬유를 직조한 후 수지에 함침하여 제작하게 되므로 아무리 탄소섬유 직물을 경사와 위사의 교차 부위에 틈이 없게 제직하였다 하더라도 수지를 함침시킬 때 함침 공정의 장력에 의해 경사 방향의 폭이 줄어드는 현상과 수지에 의해 경사와 위사의 폭이 줄어들기 때문에 틈이 벌어지는 문제가 발생하여 인쇄회로기판 비아홀 가공에서 일정한 파워의 레이저를 조사하여 홀을 일정한 깊이로 가공할 경우 공극(틈)으로 인해 공극 부위와 탄소섬유 부위의 강도 차이 때문에 일정하지 않는 비아홀이 형성된다. 예를 들어, 단소섬유가 있는 부위를 가공하기 위해서 일정한 파워의 레이저를 조사하면 공극 부위(수지만 있는 부위)는 가공이 과하게 되어 비아홀이 원하는 깊이보다 과하게 가공되는 문제점이 발생하며, 이를 방지하기 위해서 레이저 파워를 약하게 조사하면 탄소섬유가 있는 부위는 원하는 깊이보다 가공이 부족하게 되는 문제점을 가진다.
또한 직물로 제직시 발생하는 경사와 위사 탄소섬유의 장력 차이 및 수지 함침 공정 중 발생하는 장력 문제로 X, Y축의 열팽창계수의 차이가 발생하는 문제점을 가진다.
본 발명은 선행기술의 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.
대한민국 등록특허 제10-0847003호
본 발명의 목적은 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용함으로써 종래 기술이 가지는 두께의 한계를 극복한 복합재료의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인쇄회로기판을 포함하여 컴퓨터, 통신기기, 제어기계, 발전기, 변압기, 모터 또는 배전판과 같은 다양한 전기 또는 전자기기에 사용되어 낮은 열팽창계수와 높은 열 방출 특성을 부여하는 복합재료의 제조방법, 그 제조방법에 의해 제조된 복합재료 및 그 복합재료를 이용한 동박적층판을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 복합재료는, 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제조하는 단계; 제조된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 일정한 폭으로 절단하는 단계; 일정한 폭으로 절단된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 직물로 제직하는 단계; 및 제직된 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 성형하는 단계로 제조되는 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 것을 특징으로 한다.
이때, 일방향 탄소섬유 프리프레그의 제조에 사용되는 탄소섬유는 1K, 3K, 6K, 12K 또는 24K 탄소섬유인 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명에 따른 동박적층판은 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제조하고, 제조된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 일정한 폭으로 절단한 후, 일정한 폭으로 절단된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 직물로 제직하고 제직된 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물의 상하 표면에 동박을 적층하여 일체로 성형한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제조한 후 그를 제직한 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용함으로써 탄소섬유 다발을 제직한 종래 기술에 비해 더욱 얇은 두께가 되고, 수지가 함침된 상태의 프리프레그를 제직한 것으로 직조 상태에서 별도의 수지 함침 공정이 필요하지 않음으로 함침 공정에서 발생하는 틈 벌어짐을 방지할 수 있으며, X, Y방향의 장력 차가 크지 않아 X, Y방향의 열팽창계수가 차이가 적다는 이점을 가진다.
또한 기존에 사용되고 있는 인쇄회로기판 소재들과 비교하여 더 낮은 열팽창계수를 가지며, 탄소섬유의 높은 열전도율에 기인하여 인쇄회로기판에 잠재하는 열을 빠르게 발산시킬 수 있는 열전도체로서의 역할도 가능하여 기판의 수명 연장, 열에 의한 변형 방지 및 제품의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 기존에 사용되고 있는 탄소섬유의 가장 가는 섬유인 1K로 직조된 직물과 동일한 두께의 직물을 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물에서는 가격이 저렴한 12K로 직조가 가능하므로 동일한 두께의 직물에서는 보다 경제적이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 초박판 복합재료의 제조공정 및 일방향 탄소섬유 프리프레그의 제조 공정을 각각 도시한 것이다.
도 3은 제조된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 이용하여 탄소섬유 일방향 프리프레그 직물을 제조하는 공정을 나타낸 사진이다.
도 4는 탄소섬유 일방향 프리프레그 직물을 성형하는 공정을 나타낸 사진이다.
도 5는 탄소섬유 직물과 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물의 제직 방법을 모식적으로 나타낸 그림이다.
도 6은 탄소섬유 직물과 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물의 두께 차이를 확인하기 위해 단면을 촬영한 사진이다.
도 7은 종래 기술에 따른 탄소섬유 직물과 본 발명에 따른 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물의 공극 발생 여부를 확인하기 위해 촬영한 사진이다.
도 8은 선행기술에 따른 인쇄회로기판용 탄소섬유 보강재를 나타낸 단면도이다.
도 9는 선행기술에 따른 인쇄회로기판용 탄소섬유 보강재를 이용한 동박적층판을 나타낸 단면도이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 초박판 복합재료의 제조공정 및 일방향 탄소섬유 프리프레그의 제조 공정을 각각 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 복합재료의 제조방법은, 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제조하는 단계; 제조된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 일정한 폭으로 절단하는 단계; 일정한 폭으로 절단된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 직물로 제직하는 단계 및 제직된 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 성형하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 복합재료의 제조를 위하여 먼저 일방향 탄소섬유 프리프레그가 제조되어야 한다. 일방향 탄소섬유 프리프레그(Uni-directional Carborn Fiber Prepreg)는 시트 형태로서 일방향 탄소섬유에 수지를 함침시켜 제조될 수 있고 구체적인 과정이 도 2에 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 일방향 탄소섬유 프리프레그의 제조를 위하여 먼저 크릴(Creel)에 의하여 일방향 탄소섬유(F)가 이형지(Releasing Paper: R/P)와 함께 열판(11)으로 공급된다. 이형지(R/P)는 탄소섬유에 함침이 되는 양에 해당하는 수지가 코팅이 된 종이로 공급롤러(12)를 통하여 공급될 수 있다. 일방향 탄소섬유(F)는 이 분야에서 공지된 임의의 방법에 따라 제조될 수 있다. 수지는 예를 들어 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리이미드 수지 또는 페놀 수지와 같이 이 분야에서 공지된 임의의 수지가 될 수 있다. 탄소섬유(F)에 함침되는 수지는 필요에 따라 동박에 대한 접착력을 향상시키기 위한 실란 커플링제를 포함할 수 있다. 열판(11)을 통과하면서 용융된 수지는 한 쌍의 롤러(13a,13b)에 의하여 일방향 탄소섬유(F)에 함침될 수 있다. 탄소섬유(F)에 수지가 함침이 되면 제1 분리 롤러(14)를 통하여 이형필름(P)이 제거되면서 새로운 이형필름(P')이 제 2공급롤러(15)를 통하여 공급되고 그리고 냉각 롤러(16a, 16b)에서 냉각이 되는 탄소섬유 프리프레그 공정이 진행된다. 냉각 롤러(16a, 16b)는 탄소섬유(F)에 함침된 수지를 냉각시키고 이와 동시에 일정한 압력을 가하여 탄소섬유(F)를 시트 형태로 만든다. 이와 같은 공정을 통하여 일방향 탄소섬유 프리프레그(PS)가 제조되고 그리고 제조된 일방향 탄소섬유 프리프레그는 공급 롤러(17)를 통하여 공급되는 배면 이형필름(P1)과 함께 권취 롤러(R)에 감긴다. 도 2에 제시된 일방향 탄소섬유 프리프레그의 제조방법은 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 3에는 이와 같이 제조된 제조된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 이용하여 탄소섬유 일방향 프리프레그 직물(Carborn Uni-directional Prepreg Fabric)을 제조하는 공정을 나타내었다.
도 3을 참조하면, 제조된 일방향 탄소섬유 프리프레그는 다음 공정을 위해 일정한 폭으로 절단된다. 제직을 위한 일방향 탄소섬유 프리프레그의 절단 폭은 특별히 제한되지 않으며 본 실시예에서는 10mm의 폭으로 절단하였다. 그리고 절단이 된 일방향 탄소섬유 프리프레그의 한 폭은 경사 방향으로 그리고 다른 폭은 위사 방향으로 교차로 배치하고 평직으로 제직한다.
제직이 완료되면, 도 4에 나타낸 것과 같은, 오토크레이브(Autoclave) 장치를 이용하여 성형하게 되고 성형이 완료되면 본 발명에 따른 초박판 복합재료가 제조된다. 성형 조건은 수지의 종류에 따라 변동될 수 있는데 본 실시예에서는 130℃의 온도, 3kgf/㎠에서 1시간 30분 동안 성형하였다. 한편, 본 실시예에서는 오토클에이브 장치를 이용해 성형하는 것을 예로 들어 설명하였지만 이 분야에서 공지된 다른 방법에 의해 성형하는 것도 가능하다.
이상과 같이 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제직한 일방향 탄소섬유 프레프레그 직물을 이용한 복합재료는 탄소섬유 직물을 제직한 후 수지를 함침하여 제조한 기존의 보강재에 비해 두께를 더욱 얇게 할 수 있다는 이점을 가진다. 즉, 기존의 탄소섬유 직물을 제조하기 위해서는 제직용 1K, 3K, 6K 탄소섬유가 필요하지만 일방향 탄소섬유 프레프레그 직물은 일반 1K, 3K, 6K, 12K 및 24K 탄소섬유를 사용하여 제조가 가능하다. 또한 일방향 탄소섬유 프레프레그 직물은 탄소섬유 직물이 가지는 두께 한계인 140㎛보다 약 3배 정도 얇은 50㎛까지 직조가 가능하다는 이점을 가진다.
이처럼 탄소섬유 직물에 비해 얇은 두께의 구현이 가능한 이유는 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제조하는 공정 중 탄소섬유 다발을 넓게 펼칠 수 있기 때문으로, 두가지 방법에 의한 제직 방법과 그로 인한 두께의 차이 발생은 도 5에 모식적으로 나타낸 그림을 참조하면 쉽게 확인할 수 있다. 도 5에서 위의 그림은 탄소섬유 직물을 나타낸 것이고 아래의 그림은 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 나타낸 것이다.
도 6은 탄소섬유 직물과 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물의 두께 차이를 확인하기 위해 단면을 촬영한 사진으로 위쪽의 탄소섬유 직물에 비해 아래쪽의 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물의 두께가 휠씬 얇다는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 종래 기술에 따른 탄소섬유 직물과 본 발명에 따른 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물의 공극 발생 여부를 확인하기 위해 촬영한 사진이다. 위쪽의 탄소섬유 직물에서는 탄소섬유 번들 사이에 공극(틈)이 발생한 것을 알 수 있다. 공극이 발생하게 되면 앞서 설명한 것과 같이 그 공극에 함침된 수지에 기포가 발생할 우려가 있으며 나중에 동박과의 결합을 위한 고압의 프레스 과정에서 수분 침투로 인하여 쇼트가 발생할 수 있다는 문제점을 가진다. 또한 홀 가공시 공극으로 인해 복합재료에 변형이 발생될 수 있다는 단점도 가진다. 아래쪽의 본 발명에 따른 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물에서는 공극이 전혀 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에 따르면 공극으로 발생될 수 있는 제반 문제점이 해소된다는 이점을 가지게 된다.
또한 일방향 탄소섬유 프레프레그 직물은 일방향 탄소섬유를 이용하여 제작하므로 제품의 두께 및 단위중량을 비교적 쉽게 설계하여 제조가 가능하여 기존의 탄소섬유 직물과 비교하여 두께와 중량 및 가격적인 이점을 가진다.
그리고 일방향 탄소섬유 프레프레그 직물을 사용하여 제조된 인쇄회로기판은 기존에 사용되고 있는 인쇄회로기판 소재들과 비교하여 더 낮은 열팽창계수를 가지며, 탄소섬유의 높은 열전도율에 기인하여 인쇄회로기판에 잠재하는 열을 빠르게 발산시킬 수 있는 열전도체로서의 역할도 가능하여 기판의 수명 연장, 열에 의한 변형 방지 및 제품의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한 기존의 탄소섬유 직물은 생산 특성상 경사와 위사의 장력 차이로 인해 X, Y 방향의 열팽창계수가 차이가 있지만 본 발명에 따른 일방향 탄소섬유 프레프레그 직물은 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제조한 다음 이후 직조를 하므로 경사와 위사의 장력 차이가 기존 탄소섬유 직물에 비해 적다는 이점을 가진다.
한편, 위에서 설명한 것과 제조된 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물의 상하 표면 또는 그 중 어느 하나의 표면에 동박을 적층하고 일체로 성형함으로써 동박적층 판을 제조할 수 있다. 일방향 탄소섬유 프레프레그 직물을 이용한 동박적층판(20)의 경우 일방향 탄소섬유 프리프레그에 수지층이 균일하게 형성되어 수분 발생이 방지됨으로써 쇼트 발생이 억제될 수 있고 수축 및 팽창이 균일하여 치수 안정성이 높아진다는 이점을 가진다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
11: 열판
12: 공급롤러
13a, 13b: 롤러
14: 제1 분리롤러
15: 제2 공급롤러
16a, 16b: 냉각롤러

Claims (4)

  1. 일방향 탄소섬유 프리프레그를 제조하는 단계;
    제조된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 일정한 폭으로 절단하는 단계;
    일정한 폭으로 절단된 일방향 탄소섬유 프리프레그를 직물로 제직하는 단계; 및
    제직된 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 성형하는 단계로 제조되는 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 복합재료.
  2. 제1항에 있어서,
    일방향 탄소섬유 프리프레그의 제조에 사용되는 탄소섬유는 1K, 3K, 6K, 12K 또는 24K 탄소섬유인 것을 특징으로 하는 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 복합재료.
  3. 삭제
  4. 제1항에 기재된 일방향 탄소섬유 프리프레그 직물을 이용한 복합재료의 상하 표면 또는 그 중 어느 하나의 표면에 적층되어 일체로 성형된 동박층을 포함하는 동박적층판.
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