KR101595295B1 - 전도체 패턴의 형성이 용이한 복합소재와 그 복합소재를 제조하는 방법 - Google Patents

전도체 패턴의 형성이 용이한 복합소재와 그 복합소재를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재와 그 복합소재를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 복합소재는 3차원 형태의 부품으로 제작 가능한 화이버 형태의 소재 및 상기 화이버 형태의 소재에 코팅되며 레이저 조사시 활성화되어 도금 공정에서 금속층을 형성하는 Cu3N 소재를 포함하며, 본 발명에 따른 복합소재를 이용할 경우 종래의 전도체 패턴 형성 방식에 비하여 단순한 공정으로 용이하게 전도체 패턴을 형성할 수 있도록 한다.

Description

전도체 패턴의 형성이 용이한 복합소재와 그 복합소재를 제조하는 방법 {COMPOSITE MATERIAL FORMING A CONDUCTOR PATTERN EASILY, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE COMPOSITE MATERIAL}
본 발명은 전도체 패터닝이 용이한 복합소재와 그 복합소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래의 3차원 형태의 부품에 전도체 패턴을 형성하는 방법은 이종 또는 이색의 소재를 금형 내에서 순차적으로 사출성형하여 부품을 얻고 그 위에 전도체 패턴을 형성하는 방법으로서, 구체적으로는, 도금이 안되는 소재를 1차 사출 후 도금이 가능한 소재를 2차로 사출하여 그 위에 전도체 패턴을 형성하는 방법이다.
그러나 이러한 이중사출방법을 이용한 전도체 패턴 형성방법은 복잡한 형태의 부품을 제작함에 있어서 금형의 제작이 어려울 뿐 아니라 제작된 부품 간의 편차가 심하며, 종래 기술에 의하면 제조되는 부품의 두께가 1mm 이상이어야 하므로 슬림한 형태의 부품제작이 어려운 문제점이 있다. 특히, 제작된 부품에 복잡한 형태의 전도체 패턴을 형성하기 어려운 문제점이 있다.
근래에는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 소재에 레이저 처리 및 도금 처리 과정을 가하여 전도체 패턴을 구성하는 레이저 직접 구조화(LSD, Laser Direct Structuring) 방법을 이용하지만, 레이저에 의해 패턴을 형성시키기 위해 소재에 포함되는 시드형성제가 최종적으로 제작되는 부품의 성형성을 떨어트리는 문제점이 있다.
더불어, 레이저 직접 구조화를 이용한 부품 제작 과정에서는 베이스 소재에 레이저를 바로 조사하기 때문에 베이스 소재의 특성에 따라 패턴이 번지거나 도금 공정 후에 전도체 패턴이 박리되는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 레이저 조사시 활성화되어 도금 공정에서 금속층이 형성되는 무기물 소재를 화이버(fiber) 형태의 소재에 코팅하여 전도체 패턴의 생성이 용이한 복합소재 및 그 복합소재를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 전도체 패턴의 형성이 용이한 복합소재와 그 복합소재 제조방법은 3차원 형태의 부품으로 제작 가능한 화이버 형태의 소재 및 상기 화이버 형태의 소재에 코팅되며 레이저 조사시 활성화되어 도금 공정에서 금속층을 형성하는 Cu3N 소재를 포함한다.
본 발명의 다른 일면에 따른 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재와 그 복합소재 제조방법은 화이버 형태의 소재 및 액상 형태의 Cu3N 조성물을 포함하는 혼합물을 가열하여 상기 화이버 형태의 소재를 제외한 나머지 혼합물을 용해시키는 단계, 상기 혼합물을 냉각하고 탈기시키는 단계, 상기 탈기된 혼합물을 열처리하는 단계 및 상기 열처리된 혼합물을 세척 및 건조시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 일면에 따른 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재와 그 복합소재 제조방법은 상기 세척 및 건조된 혼합물을 사출성형하고, 상기 사출성형된 혼합물의 표면에 레이저를 조사하여 패터닝하는 단계 및 상기 패터닝된 혼합물을 도금하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 화이버 형태의 소재에 무기물 소재 특히, Cu3N(구리질화물)을 코팅하여 레이저 처리 및 도금 처리 과정을 통해 전도체 패턴의 형성이 용이한 복합소재를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 복합소재는 슬림하거나 3차원의 복잡한 형태의 부품에도 전도체 패턴의 형성이 가능한 이점을 제공한다. 더불어, 복합소재에 전도체 패턴을 형성 시 1차 사출공정으로 공정과정을 감축하여 전도체 패턴의 형성이 가능하므로 부품의 제작비용을 절감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재를 제조하는 방법의 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 글래스 화이버(glass fiber)에 구리질화물이 코팅된 복합소재를 나타낸 도면이다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 복합소재에 전도체 패턴을 형성하는 방법과 그 방법에 따라 제작된 부품을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이므로 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정하여진다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 본 발명의 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명은 화이버 형태의 소재와 상기 화이버 형태의 소재에 코팅되는 소재를 포함하며, 구체적으로는, 글래스(glass) 화이버, 카본(carbon) 화이버, 셀루로우스(cellulose) 화이버, 케나프(kenaf) 화이버, 그라파이트(graphite) 화이버 및 카본 나노튜브(carbon nanotube)와 같은 화이버 형태의 소재와 상기 화이버 형태의 소재에 코팅되며 레이저 조사시 활성화되어 도금 공정에서 금속층을 형성하는 Cu3N 소재를 포함하는 복합소재에 관한 것이다.
여기서, 화이버 형태의 소재는 사전에 집속제, 커플링제, 평활제와 같은 표면처리제로 처리되어 사용가능하며, 특히 커플링제로 표면처리된 화이버 소재를 이용하면 화이버 형태의 소재와 Cu3N 소재와의 계면결합력을 높여 화이버 형태의 소재 위에 보다 균일하고 조밀한 형태의 Cu3N 소재를 코팅가능하다.
커플링제로는 실란 커플링제(예컨대, shinet su사의 제품, momentive사의 제품, dow corning사의 제품), 폴리머 커플링제(예컨대, polycarboxylic, polyacrylic acid), 중합성 커플링제(예컨대, triazinethiosulfate계) 및 알콕시티오황산(alkoxythiosulfate)계 커플링제 등이 이용될 수 있다.
이 외에도 여러 가지 방법으로 표면처리된 화이버 형태의 소재를 이용하면 화이버 형태의 소재 자체의 손상을 최소화하는 이점 외에도 밀착성, 기계적 특성, 화학적 특성이 향상되는 이점을 제공한다.
화이버 형태의 소재에 코팅되는 Cu3N 소재는 대표적인 코팅법인 액상법으로 전술한 화이버 형태의 소재에 코팅될 수 있다.
화이버 형태의 소재에 액상형태로 코팅되기 위해 제공되는 Cu3N 조성물은 질산 구리 3수화물(copper nitrate trihydrate), 옥타데신(octadecene) 및 옥타데실아민(octadecylamine) 등을 포함하는 것으로서, 옥타데신 및 옥타데실아민이 Cu3N의 입자를 나노(nano)화시켜 화이버 형태의 소재와의 계면결합력을 높이는 효과를 제공한다.
전술한 화이버 형태의 소재에 Cu3N 소재를 코팅하여 코팅된 표면 위에 레이저를 조사하여 패터닝하면 패터닝된 부분이 레이저에 의해 활성화되어, 형성된 패턴과 이후 도금되는 금속의 고착이 용이해져 레이저에 의해 패터닝된 형태로 금속층을 형성하게 된다.
따라서, 본 발명에 따르면 종래의 전도체 패턴 형성 방법에 비하여 단순한 공정으로 복합소재 위에 전도체 패턴을 형성할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 전술한 형태의 복합소재를 제조하는 방법에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 이하의 방법은 화이버 형태의 소재에 액상법으로 Cu3N 소재를 코팅하는 실시예로서 본 발명의 기술적 사상이 아래의 실시예에 국한되는 것이 아님은 물론이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 복합소재 제조방법은 먼저, 화이버 형태의 소재 및 액상형태의 Cu3N 조성물을 포함하는 혼합물을 60까지 승온시키며 가열하여 화이버 형태의 소재를 제외한 나머지 혼합물을 용해시킨다(S110).
화이버 형태의 소재를 제외한 나머지 혼합물이 용해되면 용해된 혼합물을 냉각시켜 고체상태의 혼합물을 생성하고, 생성된 고체상태의 혼합물을 탈기시킨다(S120).
예컨대, 액체질소를 이용하여 용해된 혼합물을 냉각시켜서 고체상태로 만든 후, 기체질소를 이용하여 불필요한 잔류기체를 제거시키는 과정을 거칠 수 있다. 또한, 탈기 과정은 1회 이상 반복되어 잔류기체의 제거율을 높일 수 있다.
탈기된 혼합물을 제 1 온도 범위에서 기설정된 시간 이상 가열한 후, 제 2 온도 범위까지 단계적으로 혼합물의 온도를 상승시키며 열처리한다(S130).
예컨대, 탈기된 혼합물을 약 150에서 3시간 이상 온도를 유지한 후, 270까지 단계적으로 온도를 상승시켜주며 열처리할 수 있다. 혼합물을 적절히 열처리함으로써 최종 제작되는 부품의 기계적 성질 또는 화학적 성질을 목적에 맞게 조정할 수 있다.
이후 열처리된 혼합물은 에탄올 및 클로로포름(chloroform)과 같은 세척제를 이용하여 세척하는 공정 또는 건조와 같은 후처리 공정을 거친다(S140).
본 발명의 일실시예에서는 화이버 형태의 소재에 Cu3N을 액상으로 용해시켜 코팅하는 액상법을 이용하지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 화이버 형태의 소재에 Cu3N을 페이스트 스크린 코팅, 롤코팅, 스퍼터링법, 증발법 등으로 코팅하는 방법을 이용할 수도 있음은 물론이다.
이하, 도 2를 참조하여 커플링제로 표면처리한 화이버 소재를 이용하여 Cu3N을 코팅하는 방법을 구체적으로 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 복합소재 제조방법에 따라 Cu3N이 코팅된 글래스 화이버(glass fiber)를 나타낸 도면이다.
도 2a는 Cu3N이 코팅된 글래스 화이버의 표면을 나타낸 것으로서, 화이버 형태의 소재 중 글래스 화이버의 표면에 Cu3N을 코팅할 경우, Cu3N이 약 25nm 크기의 큐브 형태로 글래스 화이버 표면에 코팅됨을 알 수 있다.
한편, Cu3N이 화이버 형태의 소재에 보다 조밀하게 코팅되도록 하기 위하여 사전에 화이버 형태의 소재에 커플링제로 표면처리할 수 있는데, 구체적으로는 글래스 화이버 형태의 소재를 산 또는 염기로 세척하고 커플링제로 표면처리하여 전술한 액상 형태의 Cu3N을 코팅하는 과정을 거치면 더욱 조밀한 형태로 Cu3N을 코팅할 수 있다.
도 2b는 표면처리되어 Cu3N이 코팅된 글래스 화이버의 표면을 나타낸 것으로서, 글래스 화이버의 표면에 아미노계 실란 커플링제를 습식법으로 코팅하여 글래스 화이버와 Cu3N의 본딩층을 형성한 후 Cu3N을 코팅할 경우, 도 2a에 도시된 글래스 화이버 형태의 소재의 표면보다 보다 균일하고 조밀하게 나노(nano) 크기의 Cu3N이 코팅되었음을 알 수 있다. 이와 같이, 화이버 형태의 소재에 Cu3N이 더욱 조밀하게 코팅됨으로써, 전도체 패턴을 형성하기 위한 레이저 처리시 보다 균일한 전도체 촉매층이 형성된다.
여기서, 커플링제는 실란 커플링제, 폴리머 커플링제, 중합성 커플링제, 알콕시티오황산(alkoxythiosulfate)계 커플링제 등이 사용될 수 있으며, 사용되는 커플링제는 화이버 형태의 소재의 종류 및 특성에 따라 선택될 수 있다. 또한, 커플링제의 처리 방법은 습식법 이외에도 다양한 방식의 처리방법으로 행하여질 수 있음은 물론이다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 전술한 방식으로 Cu3N을 코팅한 복합소재에 전도체 패턴을 형성하는 방법을 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 복합소재에 전도체 패턴을 형성방법을 나타낸 흐름도 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 복합소재에 전도체 패턴을 형성방법에 따라 제작된 부품을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 복합소재에 전도체 패턴을 형성방법은 먼저, 전술한 방식으로 화이버 형태의 소재에 Cu3N을 코팅하여 복합소재를 제조한다(S310). 제조된 복합소재를 제작하고자 하는 형태로 사출성형한다(S320). 사출성형된 복합소재에 형성하고자 하는 패턴의 형태로 레이저를 조사하여 패터닝한다(S330). 패터닝된 복합소재를 무전해 도금 방법으로 1차 도금한다(S340). 이상의 과정으로도 종래보다 균일한 금속층을 형성할 수 있으나 더 균일한 금속층을 구현하기 위해서는 무전해 공정 이후 2차로 전해 도금 공정을 실시하는 것이 좋다(S350).
구체적으로, 화이버 형태의 소재에 Cu3N을 코팅하여 제조된 복합소재는 Cu3N이 레이저 흡수제 역할을 함으로써, 레이저 조사시, 활성화되어 패턴을 형성한다. 도 4a가 사출성형으로 제작된 부품의 표면에 레이저를 활용하여 직사각형 패턴을 형성한 예를 나타낸 것이다.
이러한 복합소재는 열가소성수지로서, 사출성형이 가능한 여러 수지가 사용될 수 있다. 예컨대, PE, ABS, PBT, PET, LCP, PPA, PA6 또는 이들의 복합수지가 사용될 수 있다.
또한, 레이저는 형성된 Cu3N 코팅층의 표면에서 기설정된 패턴 경로를 따라 움직이며, 패턴의 형상 및 굵기에 따라 일정 구간을 반복하여 이동하거나 일정 경로를 따라 움직일 수 있다. 레이저로는 특히 한정되는 것은 없으며 레이저 파장에 따라 파워나 처리 속도 등을 변화할 수 있다. 예컨대, 파장이 1064nm의 레이저를 활용할 경우 파워는 2~6watt 및 주파수는 40Hz로 조사할 수 있다.
레이저 패터닝 후, 활성화된 패턴은 전해 도금 또는 무전해 도금 또는 이들을 모두 거쳐 금속화할 수 있다. 도 4b가 도 4a의 부품을 무전해 도금시켜 금속층을 형성한 예를 나타낸 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 복합소재는 화이버 형태의 소재에 Cu3N을 코팅함으로써 종래의 전도체 패턴 형성 방법에 비하여 단순한 공정으로 용이하게 전도체 패턴을 형성할 수 있도록 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명에 표현된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 3차원 형태의 부품으로 제작 가능한 화이버 형태의 소재; 및
    상기 화이버 형태의 소재에 액상 형태로 흡착되어 코팅되며, 레이저 조사시 활성화되어 도금 공정에서 금속층을 형성하는 Cu3N 소재
    를 포함하는 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화이버 형태의 소재는 글래스 화이버, 카본 화이버, 셀루로우스 화이버, 케나프 화이버, 그라파이트 화이버 및 카본 나노튜브 중 어느 하나인 것
    인 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 화이버 형태의 소재는 산 또는 염기로 세척되어 커플링제로 표면처리된 것
    인 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 커플링제는 실란 커플링제, 폴리머 커플링제, 중합성 커플링제 및 알콕시티오황산계 커플링제 중 어느 하나이며, 상기 화이버 형태의 소재 종류에 따라 선택되는 것
    인 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재.
  6. 화이버 형태의 소재 및 액상 형태의 Cu3N 조성물을 포함하는 혼합물을 가열하여 상기 화이버 형태의 소재를 제외한 나머지 혼합물을 용해시키는 단계;
    상기 혼합물을 냉각하고 탈기시키는 단계;
    상기 탈기된 혼합물을 열처리하는 단계; 및
    상기 열처리된 혼합물을 세척 및 건조시키는 단계
    를 포함하는 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 세척 및 건조된 혼합물을 사출성형하고, 상기 사출성형된 혼합물의 표면에 레이저를 조사하여 패터닝하는 단계; 및
    상기 패터닝된 혼합물을 도금하는 단계
    를 더 포함하는 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 패터닝된 혼합물을 도금하는 단계는,
    상기 패터닝된 혼합물을 무전해 도금 방법으로 도금한 후, 전해 도금 방법으로 도금하는 것
    인 전도체 패턴 형성이 용이한 복합소재 제조방법.
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