KR101297630B1 - 레이저 직접 구조화용 조성물 및 이를 이용한 레이저 직접 구조화 방법 - Google Patents

레이저 직접 구조화용 조성물 및 이를 이용한 레이저 직접 구조화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 직접 구조화를 위한 조성물, 이를 이용한 레이저 직접 구조화 방법 및 이를 이용하여 제조된 성형품에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 레이저 직접 구조화 방법에서 특정 조성물을 사용함으로써, 경량화, 공정 간소화, 경제적 효과를 갖는 레이저 직접 구조화를 위한 조성물, 이를 이용한 레이저 직접 구조화 방법 및 이를 이용하여 제조된 성형품에 관한 것이다.

Description

레이저 직접 구조화용 조성물 및 이를 이용한 레이저 직접 구조화 방법{Composition for laser direct structuring and a method for lase direct structuring using the same}
본 발명은 레이저 직접 구조화(laser direct structuring, LDS)를 위한 조성물 및 이를 이용한 레이저 직접 구조화 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 레이저 직접 구조화 방법에서 특정 전도성 조성물을 사용함으로써, 레이저와 전도성 시드 입자가 도금에 의해 반응하는 효과, 공정 간소화 및 경제적인 효과를 갖는 레이저 직접 구조화를 위한 조성물 및 레이저 직접 구조화를 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로 핸드폰(CDMA, PCS, GSM, IMT-2000 등), 개인용 휴대 단말기(PDA), 옥내 무선 랜 시스템(LAN system)의 일종인 블루투스 시스템(Bluetooth system) 등에는 안테나로서 소형 안테나가 주로 사용된다.
종래 소형 안테나에 있어서 다이폴 안테나는 단순한 구조를 가지므로 제조하기 쉽고 넓은 주파수 범위에서 사용 가능하다는 장점이 있으나, 길이가 매우 커지기 때문에 휴대하기가 불편하고 설치 공간이 많이 필요하여 휴대용 단말기나 휴대폰 등에는 사용이 부적합하고, 헬리컬 안테나는 절연 물질의 지지대에 도선이 나선 형상으로 감겨서 형성되므로 전체적인 길이가 다이폴 안테나에 비해 작아지기 때문에 휴대용 단말기나 핸드폰 등에 사용이 가능하다. 그러나 헬리컬 안테나의 경우에도 설치 공간이 많이 필요하다.
최근에는 회로 기판(PCB) 상에 표면 실장시킬 수 있는 유전체 칩 안테나가 다양하게 개발되고 있으며, 설치 공간이 축소됨에 따른 핸드폰이나 휴대용 단말기 등의 소형화가 가능하여 사용이 점차 증가할 것으로 예상된다.
현재까지 개발되어 알려진 종래의 유전체 칩 안테나는 높은 비유전율을 갖는 박막의 유전체 시트를 다수겹으로 적층시켜 제조한다.
상기한 박막의 유전체 시트에는 소정의 패턴으로 도체띠가 형성되고, 적층시킴에 따라 위 아래에 위치하는 유전체 시트에 형성된 도체띠가 서로 연결되도록 형성된다. 그리고 위 아래 표면에 위치하는 유전체 시트에는 다시 박막의 세라믹 유전체 시트를 도체띠를 덮도록 피복시켜 회로 기판과 안테나가 서로 단락되지 않도록 절연처리하고, 맨 아래층의 박막 유전체 시트에는 급전점과 지지점을 인쇄한다.
또한, 종래의 유전체 칩 안테나는 표면에 위치하는 시트 사이의 연결을 적층되는 각 유전체 시트마다 구멍을 형성하여 도전체 금속을 채운 다음, 적층시킨 상태에서 압착 소성하는 것에 의해 상하층의 도체띠를 연결시키는 경우도 있다.
이와 같은 칩 안테나는 크게 세라믹 상에 도금이나, 금속 성분을 인쇄하여 형성할 수 있다.
최근에는 레이저 처리와 도금으로 정확한 패턴과 회로를 형성하는 레이저 직접 구조화(Laser Direct Structuring, LDS)가 제안되었다. LDS는 사출물에 레이저 활성화(Laser Activation) 및 무전해 도금 처리를 하는 공정을 포함하는 간단한 공정으로 패턴과 회로를 형성할 수 있다. 또한, LDS는 패턴이 레이저에 의해서 형성되기 때문에 세밀한 패턴을 표현하는 것이 가능하다. 무엇보다도 패턴을 형성하기 위해서 별도의 금형이나 마스크를 제작해야 하는 것이 아니라, 레이저 조사기의 이동 경로와 관련된 프로그램 데이터를 간단히 변경함으로써 다양한 패턴 작업이 가능하다는 이점이 있다. 따라서, 안테나 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
일반적인 LDS 공정을 살펴보면, 칩 안테나를 구성하는 베이스 프레임에 레이저를 조사하여 패턴을 형성하고, 도금 처리를 포함하는 금속화 처리를 통해 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 목적은 전도성 패턴 형성 효과, 경제적 효과가 뛰어난 레이저 직접 구조화를 위한 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 코팅 조성물을 이용한 레이저 직접 구조화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 코팅 조성물을 포함하는 레이저 직접 구조화된 성형품을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점인 레이저 직접 구조화를 위한 조성물은 열가소성 수지 80~95.4중량%; 시드 형성제 0.1~5중량%; 및 레이저 흡수제 4.5~15중량%를 포함하고, 레이저를 사용해서 활성화된 후에 도금될 수 있다.
일 구체예에서, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에스테르, 가교 구조의 폴리부틸렌테레프탈레이트, 액정 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리프탈레이트아미드 및 폴리페닐렌 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 시드 형성제는 구리 염 및 착화제(complexing agent)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 레이저 흡수제는 중금속 복합 산화물 또는 구리 염을 포함하는 안료를 포함할 수 있다.
본 발명은 기존 복합 폴리머소재에 비해 가격이 저렴한 일반 PP(폴리프로폴렌) 등 소재에 전도성입자를 삽입배합함으로 플랙시블한 유연성 소재, 일반 플라스틱소재에도 적용이 가능하여 경제적인 효과를 얻을 수 있다. 자동차 사이드미러램프 점등전기회로패턴 및 운전석 앞면 속도계기판 점등회로패턴, 스위치점열, 커넥터 회로패턴 등에 PCB 기판을 적용하여야 하는 한계가 있지만 본 복합 플라스틱소재는 PCB 없이 바로 3차원 곡면 케이스에 직접전기회로 패턴이 가능한 장점을 지니고 있다.
본 발명의 일 관점인 레이저 직접 구조화를 위한 조성물은 열가소성 수지; 시드 형성제; 및 레이저 흡수제를 포함할 수 있다.
상기 레이저 직접 구조화를 위한 조성물은 레이저가 조사되어 패턴을 형성하는 베이스 프레임을 형성할 수 있다. 레이저 직접 구조화를 위한 베이스 프레임이 적합한 전도성 패턴을 구현하기 위해서는 베이스 프레임의 주 골격을 형성하는 기초 수지, 시드 형성제 및 레이저 흡수제의 배합 비율을 찾는 것이 중요하다.
상기 조성물에 있어서, 열가소성 수지는 레이저 직접 구조화가 실시되는 베이스 프레임의 주 성분으로서 베이스 프레임의 주 골격을 형성한다.
열가소성 수지는 레이저 직접 구조화에 있어서 베이스 프레임으로 통상적으로 사용되는 열가소성 수지를 사용할 수 있다. 예를 들면, 열가소성 수지로서, 플라스틱 압출 성형이 가능한 여러 폴리머가 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 등을 포함하는 폴리에스테르, 가교 구조의 폴리부틸렌테레프탈레이트, 액정 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리프탈레이트아미드, 폴리페닐렌 옥사이드 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 폴리프로필렌이 사용될 수 있다.
상기 조성물에 있어서, 열가소성 수지는 상기 조성물 중 고형분 기준으로 80~95.4중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 시드 형성제 및 레이저 흡수제와의 혼합에서 베이스 프레임의 형성이 잘 될 수 있고, 기존의 복합 폴리머 소재에 비해 가격이 저렴한 수지를 사용함으로써 경제적인 효과가 있을 수 있다. 바람직하게는 85~90.4중량%로 포함될 수 있다.
상기 조성물에 있어서, 시드 형성제는 레이저 활성화 및 도금 처리에 있어서 도금을 위한 시드 형성을 용이하게 할 수 있다. 시드 형성제는 특별히 제한되지 않지만, 구리 염 및 착화제(complexing agent)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 구리 아세트산염 또는 그의 일수화물을 사용할 수 있다. 시드 형성제는 조성물의 고형분 기준으로 0.1~5중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 도금을 위한 시드 형성이 잘 될 수 있다. 바람직하게는 0.1~1.5중량%로 포함될 수 있다.
상기 조성물에 있어서, 레이저 흡수제는 레이저 활성화 과정에서 레이저 흡수율을 높이는 물질로 사용될 수 있다. 레이저 흡수제는 레이저를 흡수할 수 있는 안료를 사용할 수 있는데, 예를 들면, 중금속 복합 산화물 또는 구리 염을 포함하는 안료 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도 구리/크롬 산화물 계열의 무기 안료를 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
레이저 흡수제는 코팅 조성물 중 고형분 기준으로 4.5~15중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에서, 레이저 활성화 시 레이저 흡수율이 높고 패턴의 번짐 또는 박리가 발생하지 않을 수 있다. 바람직하게는 9.5~13.5중량%로 포함될 수 있다.
상기 조성물은 레이저 직접 구조화 방법에 사용되어, 레이저를 사용해서 패턴 형성 및 활성화된 이후에 도금될 수 있다. 이러한 조성물은 다양한 제품, 예를 들면 전기 및 전자 부품, 개인용 컴퓨터, 노트북 및 휴대용 컴퓨터, 휴대폰 및 기타 통신 장비, 자동차, 의료, 다양한 센서, LED 조명 등에 사용될 수 있다.
상기 조성물은 조성물의 농도 조절을 위해 용매를 더 포함할 수 있다. 용매는 상기 언급된 열가소성 수지, 시드 형성제 또는 레이저 흡수제에 대해 가용성인 용매를 사용할 수 있다. 용매로는 증류수, 유기 용매 등을 사용할 수 있지만, 적합하게는 증류수를 사용할 수 있다. 증류수는 상기 조성물의 잔량으로 포함될 수 있다.
상기 조성물은 열가소성 수지, 시드 형성제 및 레이저 흡수제 이외에도, 이러한 유형의 수지에 통상적으로 혼입되는 다양한 첨가제들을 포함할 수 있다. 첨가제들의 혼합물을 사용할 수도 있다. 첨가제들은 조성물을 형성하기 위한 성분들을 혼합하는 동안에 적당한 시기에 혼합시킬 수 있다. 1종 이상의 첨가제를 열가소성 조성물에 포함시켜 열가소성 조성물 및 그로부터 제조된 성형품에 한 가지 이상의 소정의 특성을 부여한다.
상기 조성물에 첨가될 수 있는 첨가제의 예로는 열 안정제, 가공 안정제, 항산화제, 광 안정제, 가소제, 대전 방지제, 이형제, UV 흡수제, 윤활제, 착색제, 유동 촉진제 또는 이러한 첨가제들 중 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 조성물은 레이저를 사용해서 활성화된 이후에 도금될 수 있다.
본 발명의 조성물은 열가소성 수지를 형성하기 위해 여러 가지 성분들을 화합시키는 공지의 방법을 사용해서 제조될 수 있다. 한 실시 형태에서, 성분들을 먼저 고속 혼합기에서 배합한다. 기타 저전단 방법으로도 이러한 배합 단계를 수행할 수 있으며, 그러한 방법의 예로 수동 혼합을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이어서, 배합물을 호퍼를 통해서 이축 압출기의 네크부 내로 공급한다. 다른 방법으로서, 1종 이상의 성분을 사이드 충전기를 통해서 네크부 및/또는 하류에서 압출기 내로 직접 공급함으로써 조성물 내로 혼입시킬 수도 있다. 압출기는 일반적으로 조성물을 유동시키는데 필요한 온도보다 높은 온도에서 작동시킨다. 압출물을 즉시 수조에서 급냉시키고 펠렛을 성형한다. 압출물을 절단할 경우에 제조된 펠렛은 필요에 따라 길이가 1/4 인치 이하일 수 있다. 이와 같은 펠릿을 후속하는 주형, 성형, 또는 제조 단계에 사용할 수 있다.
본 발명의 조성물을 포함하는 성형, 제조 또는 주형된 물품도 본 발명에 의해 제공된다. 본 발명의 조성물은 여러 가지 수단, 예를 들면 사출 성형, 압출, 회전 성형, 블로우 성형, 및 열 성형에 의해 유용한 성형품으로 성형된다. 예를 들면, 개인용 컴퓨터, 노트북 및 휴대용 컴퓨터, 휴대용 안테나 및 기타 통신 장비, 의료 용도, RFID 용도, 자동차 용도, 센서, 의료기, LED 조명 등과 같은 물품을 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 관점인 레이저 직접 구조화 방법은 상기 조성물로 베이스 프레임을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 방법은
(1) 상기 조성물로 베이스 프레임을 형성하는 단계;
(2) 레이저 조사에 의해 상기 베이스 프레임의 표면에 소정 형상의 패턴을 활성화하는 단계; 및
(3) 상기 활성화된 패턴을 금속화하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 "베이스 프레임"은 레이저 활성화에 의해 패턴이 형성되고, 도금 처리에 의해 금속화되는 프레임을 의미한다.
베이스 프레임은 상기 열가소성 수지, 시드 형성제, 및 레이저 흡수제를 포함하는 조성물로 형성될 수 있다. 베이스 프레임의 형성 방법은 특별히 제한되지 않으며, 상기 조성물을 압출하여 형성된 펠렛에 공지된 방법을 적용하여 제조할 수 있다.
레이저 조사에 의해 상기 베이스 프레임의 표면에 소정 형상의 패턴을 형성한다. 레이저는 미리 프로그램된 원하는 패턴 경로를 따라 움직이며, 패턴의 형상 및 굵기에 따라 일정 구간을 반복하여 이동하거나 일정 경로를 따라 조사될 수 있다. 레이저로는 Fiber 레이저, UV 레이저, 엑시머 레이저 등 또는 UV 방사체로부터의 전자기 방사가 사용될 수 있다. 레이저는 1,064nm의 파장에서, 18~20W의 세기를 조사할 수 있다. 패턴의 간격은 특별히 제한되지 않지만, 30-100㎛가 될 수 있다.
패턴 형성 후 활성화된 패턴을 금속화할 수 있다. 금속화 방법은 전해 도금 또는 무전해 도금을 사용할 수 있다. 무전해 도금액에 포함되는 성분들은 당업계에 알려져 있으며, 예를 들면 구리염, 착화제, 환원제, 염기, 안정제, 용매 등을 포함할 수 있다. 구리염으로는 황산 구리, 착화제로는 에틸렌디아민테트라아세트산, 환원제로는 포름알데히드, 염기로는 수산화칼륨, 안정제로는 2,2-디피리딜을 사용할 수 있고, 용매로는 증류수를 사용할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
일 례로서, 전해 도금액 1000㎖를 기준으로, 구리염 15~30g, 착화제 30~70g, 환원제 1~20g, 안정제 0.01~0.2g 및 용매로서 잔량의 물을 첨가하고, 염기로 pH 10-15 이하로 맞추어 제조할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점은 상기 조성물을 이용하여 형성된 성형품에 관한 것이다. 상기 성형품은 특별히 제한되지 않지만, 자동차, 핸드폰(CDMA, PCS, GSM, IMT-2000 등), 개인용 휴대 단말기(PDA), 옥내 무선 랜 시스템의 일종인 블루투스 시스템 등의 안테나, 반도체 소자, 센서 등을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 1:레이저 직접 구조화
폴리프로필렌(호남석유화학) 86.9g, 구리 아세트산염(세진시아이) 0.2g 및 구리 크롬계 안료(신세라믹) 13g을 혼합하여 압출용 조성물을 제조하였다. 조성물을 압출하여 펠렛을 형성하고, 통상의 압출 방법으로 베이스 프레임을 형성하였다. 상기 베이스 프레임에 파장 1,064nm, 출력 20W(1mJ) 및 에너지세기 1.4J/㎠로 레이저를 조사하여 패턴을 형성하였다. 이로부터 형성된 패턴의 간격은 약 30㎛를 유지하였다. 패턴 형성 후 금속화 처리를 위한 도금액을 제조하였다. 도금액은 2000ml 기준으로, 증류수 1600ml에 황산구리 40g을 넣고 완전히 녹인 다음, 에틸렌디아민테트라아세트산 110g, 포름알데히드 25g, 2,2-디피리딜 25mg을 넣고 혼합하였다. 그런 다음, 증류수를 추가로 첨가하여 총 2000ml가 되도록 하고, 수산화칼륨을 첨가하여 pH 14 이하가 되도록 맞추었다. 제조한 도금액에 온도계를 넣고 빠른 속도로 저어주면서 가열기의 온도를 80℃이하로 맞춘다. 도금액의 온도가 60℃가 될 때 상기 패턴이 형성된 베이스 프레임을 넣어 금속화 처리를 한다. 도금 처리 완료 후 베이스 프레임을 꺼내고 증류수로 세척하였다. 그 결과, 전도성 미세 패턴이 형성되었다.
비교예 1:레이저 직접 구조화
상기 실시예 1에서 구리 아세트산염 대신에 니켈염을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 레이저 직접 구조화를 실시하였다. 그 결과, 전도성 패턴이 형성되지 않았다.
비교예 2:레이저 직접 구조화
상기 실시예 1에서 구리 아세트산염 대신에 이산화티탄을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 레이저 직접 구조화를 실시하였다. 그 결과, 전도성 패턴이 형성되지 않았다.

Claims (5)

  1. 열가소성 수지 80-95.4중량%; 시드 형성제 0.1-5중량%; 및 레이저 흡수제 4.5-15중량%를 포함하고, 레이저를 사용해서 활성화된 후에 도금될 수 있는 것인, 레이저 직접 구조화용 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에스테르, 가교 구조의 폴리부틸렌테레프탈레이트, 액정 폴리머, 폴리카보네이트, 폴리프탈레이트아미드 및 폴리페닐렌 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 시드 형성제는 구리 염 및 착화제(complexing agent)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 흡수제는 중금속 복합 산화물 또는 구리 염을 포함하는 안료를 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 조성물을 이용하여 레이저 직접 구조화용 베이스 프레임을 형성하는 단계를 포함하는 레이저 직접 구조화 방법.
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