KR102348703B1 - 스프레이 노즐이 결합된 전해 증착 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

스프레이 노즐이 결합된 롤투롤 공정을 이용하여 물성이 우수한 균일한 박막을 생성하고, 경제성도 높일 수 있는 전해 증착 장치 및 방법을 제공한다.
이를 위하여, 도금조를 포함하는 전해 증착 장치에 있어서, 일부는 도금욕에 잠기고 일부는 대기 중에 노출되도록 도금조에 배치되는 롤; 및 상기 롤 상부에 위치하며 상기 롤의 대기 중에 노출된 부분 위에 물질을 분사하기 위한 스프레이 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 증착 장치를 제공한다.
또 상기 전해 증착 장치를 이용하는 증착 방법으로서, 일부는 도금욕에 잠기고 일부는 대기에 노출되도록 롤을 위치시키는 단계; 상기 도금욕의 롤 표면에 모재를 공급하는 단계; 전해 증착을 실시하여 상기 모재의 도금욕에 잠긴 부분에 표면에 제1박막을 형성하는 단계; 상기 롤을 회전시키면서 상기 롤의 증착된 부분이 대기 중으로 노출될 때, 스프레이 노즐로부터 코팅 물질을 분사하여 상기 제1박막 위에 제2박막을 형성하는 단계를 포함하는 증착 방법을 제공한다.

Description

스프레이 노즐이 결합된 전해 증착 장치 및 방법{ELECTROCHEMICAL DEPOSITION APPARATUS WITH SPRAY NOZZLE AND METHOD FOR DEPOSITION USING THE SAME}

본 발명은 습식 증착에 대한 것이며, 더 자세하게는 습식 전해 공정에 스프레이 노즐 분사 공정을 결합하여 다층 박막을 신속하고 저렴하게 형성할 수 있는 전해 증착 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래 롤투롤 공정의 경우 습식 전해 증착법을 이용하여 대면적 공정이면서도 균일한 생산성과 단순하고 용이한 제품 생산과정 등의 이점이 있어, 박막 제조 공정 분야에서 널리 사용되고 있다. 이렇게 생산된 박막은, 구리 박막의 경우 PCB 기판, 리튬-이온 배터리 등의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

한편, 박막 코팅 공정에서 코팅층의 특성을 향상시키기 위해 그래핀, CNT, 등의 물질들을 수용액 상에 분산시켜 같이 증착하는데, 이를 위해 수용액에 염을 녹이고, 경우에 따라서 기능성 물질들을 분산시켜 같이 증착하는 방법을 사용한다.

그러나 이 경우 코팅층 내에서 기능성 물질의 균일한 분포를 얻기 힘들어 최종 결과물의 우수한 특성 및 물성을 기대하기가 힘들다. 또한 공정 과정에서 소모되는 양이 상당하여 경제적으로도 어려움이 많다.

본 발명에서는 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 스프레이 노즐이 분사가 결합된 습식 전해 공정을 이용하여 물성이 우수한 균일한 박막을 생성하고, 경제성도 높일 수 있는 전해 증착 장치 및 방법을 제공하는 것이 목적이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 아래와 같은 구성으로 이루어지는 스프레이 노즐이 결합된 전해 증착 장치를 제공한다.

도금조를 포함하는 전해 증착 장치에 있어서,

일부는 도금욕에 잠기고 일부는 대기 중에 노출될 수 있도록 도금조에 배치되는 롤; 및

상기 도금조 상부에 위치하며, 상기 롤의 대기 중에 노출된 부분 위에 코팅 물질을 분사하기 위한 스프레이 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 증착 장치.

상기 롤은 실린더형 롤인 것이 바람직하다.

상기 롤은 전해 도금 시 작동 전극(working electrode)로서 작용할 수 있다.

또 제1박막과 제2박막의 상대적인 두께는 롤이 도금욕에 잠기는 깊이를 조정함으로써도 제어될 수 있다.

한편, 균일한 도포를 위해 스프레이 노즐은 롤의 길이방향으로 다수 구비될 수 있다. 또 상기 스프레이 노즐이 서로 다른 물질을 도포할 수 있도록 2 종류 이상이 구비되어, 롤의 회전 주기에 따라 교대로 물질을 분사할 수도 있다. 이에 따르면, 둘 이상의 기능성 박막이 교대로 형성될 수 있다.

한편, 도금욕 상부의 롤을 제외한 부분에 가림판이 형성되어, 스프레이 노즐에서 분사되는 물질이 도금욕 내로 혼입되지 않도록 할 수 있다.

상기 도금 장치는 롤의 회전 속도, 전류, 노즐에서의 분사 속도, 분사 시점, 분사 압력 등을 조절하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다. 이를 통하여 전해 도금 층과 스프레이 박막의 두께를 조절함으로써 다층 구조를 형성할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전해 증착 장치에는 권취 장치가 더 구비되어, 스프레이 까지 완료된 제1박막과 제2박막의 결합체를 롤로부터 연속적으로 분리하여 냄으로써, 롤투롤의 연속 공정이 가능하다. 권취 장치는 전해 동박 공정 등에 사용되는 일반적인 권취 장치를 사용할 수 있다.

한편 본 발명에서는 전술한 증착 방법을 구현하기 위해 아래와 같은 구성으로 이루어지는 증착 방법을 제공한다.

일부는 도금욕에 잠기고 일부는 대기에 노출되도록 롤을 위치시키는 단계;

상기 도금욕의 롤 표면에 모재를 공급하는 단계;

전해 증착을 실시하여 상기 모재의 도금욕에 잠긴 부분에 표면에 제1박막을 형성하는 단계;

상기 롤을 회전시키면서 상기 모재의 도금된 부분이 대기 중으로 노출될 때, 스프레이 노즐로부터 코팅 물질을 분사하여 상기 제1박막 위에 제2박막을 형성하는 단계.

본 발명에서 장치가 작동을 시작하면 먼저, 도금욕에는 전류가 인가되고 도금 공정이 시작된다. 즉 도금욕에 잠겨 있는 롤의 밑 부분에서는 모재 표면에 제1박막이 도금된다. 제1박막은 도금 가능한 박막이면 되나, 주로 금속박막이며 예를 들어 구리, 니켈 등일 수 있다.

이어서, 롤의 침수된 부분이 회전에 의해 대기 중으로 올라와 노출되고 스프레이 노즐이 있는 위치까지 오면, 모재에 형성된 제1박막 위에 스프레이 노즐에 의해 기능성 물질이 분사되어, 제1박막 위에 제2박막이 형성된다. 기능성 물질은 CNT, 그래핀 등 박막의 특성 및 물성을 향상시킬 수 있는 물질들이며, 특히 한정되지는 않는다.

이러한 방법으로 균일한 금속 박막/기능성 박막이 형성될 수 있다.

또 필요에 따라, 상기 공정을 2회 이상 반복할 수 있다. 즉 롤을 2회 이상 회전시킬 수 있다. 그 경우 제1박막과 제2박막이 각각 2층 이상 반복되는 구조를 얻을 수 있다.

한편 모재가 되는 재료는 롤투롤 방식으로 공급하면서, 모재 위에 도금욕에서 전해 도금으로 박막을 증착하고 이어서 스프레이 분사로 박막을 형성하는 연속 방식으로 공정을 수행할 수 있다.

이때 상기 단위 롤과 스프레이 노즐을 한 세트 이상 더 설치하고, 제1박막과 제2박막이 형성된 시트를 이러한 추가 장치 세트로 연속 공급함으로써, 제1박막과 제2박막이 각각 한 층 이상씩 더 형성되게 할 수도 있다.

한편, 본 발명에서는 롤의 회전속도를 조절함으로써 도금욕 내에서 제1박막이 코팅되는 도금 시간을 조절함에 따라, 제1박막의 두께를 제어할 수 있다. 제1박막의 두께는 도금 조건, 즉 인가되는 전류량, 욕의 조성 등을 통해 제어할 수도 있음은 물론이다.

또한 롤의 회전속도에 의해, 스프레이 노즐에 의해 물질이 롤 위에 분사되는 시간이 조절되기 때문에 제2박막의 두께 역시 조절 가능하다.

또한 분사되는 물질의 양을 조절함으로써 제2박막의 두께를 조절할 수도 있다.

이상 설명한 본 발명의 방법 및 장치에 따르면, 물성이 우수한 복합 박막을 균일하고 신속하게 형성하는 효과가 있다.

또 종래 수용액에 기능성 물질을 분산시켜 증착하는 공정에 비해 낭비되는 재료의 양을 줄임으로써 제조 비용을 낮추는 효과가 있다.

또 간단한 구조와 공정으로 물성이 향상된 다층 박막을 형성할 수 있는 효과가 있다.

또 간단한 구조와 공정으로 다층 박막이 형성된 모재를 연속 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전해 증착 장치를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 장치의 측면을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 장치에 의해 도금욕과 대기 중에서 각각 박막이 형성되는 공정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 5는 이와 같이 하여 형성된 다층 구조 박막의 단면을 나타내는 SEM 사진으로서, (a)는 니켈과 CNT가 1회 적층된 경우, (b)는 2회 적층된 경우이다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전해 증착 장치를 개념적으로 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 실시예의 장치(10)는 도금조(100), 롤(200), 스프레이 노즐(300) 등을 포함한다.

본 실시예에서 도금조(100)는 일반적인 전해 도금조이다.

롤(200)은 특히 한정되지는 않으나 본 실시예에서는 실린더형이다. 롤(200)은 도금조(100)에 도금액이 채워졌을 때 일부가 잠길 수 있는 정도의 높이로 도금조에 결합된다. 따라서 도금액이 채워진 경우 롤(200)의 일부는 외부, 즉 대기 중에 노출된다.

스프레이 노즐(300)은 도금조(100)의 외부, 바람직하게는 롤(200)의 상부에 형성된다. 스프레이 노즐(300)의 형태와 개수는 한정되지 않으나, 본 실시예에서는 도 2에 나타난 바와 같이 롤(200)의 길이방향으로 균일하게 코팅 물질을 분사할 수 있도록 하기 위해 여러 개가 한 줄로 배열되어 있다.

또한 장치(10)는 일반적인 전해 도금 장치와 마찬가지로 전원(400), 대향전극(500) 등을 포함한다.

한편, 본 실시예의 전해 증착 장치(10)는 상기 도금조(100)의 조건, 롤(200)의 회전, 스프레이 노즐(300)의 동작을 유기적으로 제어하기 위한 제어부(미도시)를 더 포함한다.

이하 전술한 장치에 의한 도금 작업을 도 3 내지 도 4를 참고하여 설명한다.

롤(200)의 도금액과 닿은 부분에서는, DC 형태의 전류를 가하거나 펄스 전류, 역펄스 전류(pulse reverse current) 등을 이용함으로써 도 3에 나타난 바와 같이 롤(200) 표면에 도금층인 제1박막(L1)이 형성된다. 이해를 위해 도면에서 제1박막(410)의 두께는 과장해서 표시하였다.

이때 롤(200)은 작업 전극으로서 작용한다.

모재(S)는 구리를 사용하였다. 도면에서는 설명의 편의를 위해 구리 시트를 투입하는 부분과, 다층 박막이 완성된 구리 시트를 인출하는 부분은 생략하였다.

도금되는 재료는 한정되지 않으며, 본 실시예에서는 니켈을 도금하는 경우로 하였다. 도금욕의 조성은 NiSO₄ 0.3M, NiCl₂ 0.7M, Na₃Citrate 0.1M의 조성을 구성하였다. 도금욕의 pH는 3.6으로 맞추었으며, 200rpm으로 교반을 수행하였다. 또 도금욕의 온도는 25℃로 설정하였다. 이러한 조건에서 -10mA/cm²의 전류밀도로 도금을 수행하였다.

이러한 조건에서 전해 도금이 이루어지면서 모재(S) 표면에 니켈이 도금된다. 동시에 롤(200)은 회전하기 때문에, 표면에 니켈이 도금된 구리 모재(S)는 대기 중으로 노출되고, 이어서 스프레이 노즐(300) 위치에서 기능성 박막이 코팅된다.

한편, 전해 도금 단계나 스프레이 노즐(300)에서 물질이 분사되는 동안, 박막의 두께를 늘리거나 막의 밀도를 높이거나 품질을 높이기 위해, 롤(200)의 회전을 일정 시간 멈출 수도 있다.

롤(200)의 회전에 따라 롤(200)의 제1박막(L1)이 형성된 구리 모재(S)가 도금욕으로부터 대기 중으로 노출되어 나온다. 롤(200)이 스프레이 노즐(300) 아래에 위치하게 되면, 다수의 스프레이 노즐(300)을 통하여 분사되는 기능성 물질이 제1박막(L1) 위에 코팅된다.

본 실시예에서는 분사되는 물질로서 CNT를 사용하였다. 하지만 분사 물질은 그래핀 등 코팅 가능한 다양한 물질일 수 있다.

한편, 스프레이 노즐(300)은 연속적으로 작동할 수도 있고, 제1박막(L1)이 원하는 위치까지 올 때 맞추어 일정 시간 단속적으로 분사를 수행할 수도 있다.

그 결과 도 4에 나타난 바와 같이, 구리 모재(S)에는 제1박막(L1) 위에 제2박막(L2)이 형성된다. 한편 본 실시예에서는 상기 제2박막(L2) 위에 니켈층을 한 층 더 형성하였다.

이때 롤(200)의 회전 속도, 전해 조건 등을 조절함으로써, 코팅되는 제1박막(L1)과 제2박막(L2)의 두께, 막의 구조 등을 조절할 수 있다

이와 같이 니켈과 CNT가 코팅된 상태의 구리 모재(S)는 권취 장치에서 공급 받은 뒤 80℃ 온도의 오븐에서 5분 간 건조하였다.

한편 다른 실시예에서는 제1박막(L1) 및 제2박막(L2) 형성 공정을 2회 반복하였다. 즉 한 세트 더 설치된 롤(200)과 스프레이 노즐(300)에서 상기 제1박막과 제2박막이 형성된 시트를 공급받아, 제1박막(L1)과 제2박막(L2)을 각각 한 층씩 더 형성되게 할 수도 있다.

도 5는 이와 같이 하여 형성된 다층 구조 박막의 단면을 나타내는 SEM 사진으로서, (a)는 니켈과 CNT가 1회 적층된 경우, (b)는 2회 적층된 경우이다.

도 5의 (a) 및 (b)에서 도금층인 제1박막(L1)과 기능성 박막층인 제2박막(L2)이 반복되는 구조가 잘 형성되어 있음을 알 수 있다. 도 5의 (a)에서 하부의 니켈 제1박막은 0.99㎛, CNT 제2박막은 1.35㎛, 상부의 니켈 박막은 2.51㎛ 두께로 형성되었다. 도 5의 (b)에서 하부의 니켈 제1박막은 0.80㎛, CNT 제2박막은 0.92㎛, 상부의 니켈 제1박막은 0.52㎛, CNT 제2박막은 0.83㎛ 두께로 형성되었다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이는 예시적인 것이며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

1. 삭제
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8. 도금조를 포함하며; 일부는 도금욕에 잠기고 일부는 대기 중에 노출되도록 도금조에 배치되며, 전해 도금 시 작동 전극으로서 작용하는 롤;
   상기 롤과 이격되어 위치하는 대향전극; 상기 롤 상부에 위치하며, 롤의 길이방향으로 하나 이상 구비되어, 상기 롤의 대기 중에 노출된 부분 위에 코팅 물질을 분사하기 위한 스프레이 노즐; 및 상기 롤로부터 코팅된 박막을 분리하여 감기 위한 권취 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해 증착 장치를 이용하는 증착 방법으로서,
   일부는 도금욕에 잠기고 일부는 대기에 노출되도록 상기 롤을 위치시키는 단계;
   상기 도금욕의 롤 표면에 모재를 공급하는 단계;
   전해 증착을 실시하여 상기 모재의 도금욕에 잠긴 부분의 표면에 제1박막을 형성하는 단계;
   상기 롤을 회전시키면서 상기 롤의 증착된 부분이 대기 중으로 노출될 때, 상기 스프레이 노즐로부터 코팅 물질을 분사하여 상기 제1박막 위에 제2박막을 형성하는 단계; 및
   상기 제1박막 및 제2박막을 형성하는 공정을 2회 이상 수행하여, 다층 구조가 2회 이상 반복되는 박막을 형성하는 단계를 포함하며,
   상기 제1박막이 금속 박막이며 상기 코팅 물질에 의해 형성되는 제2박막이 그래핀 또는 CNT인 것을 특징으로 하는 증착 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 롤의 회전속도를 제어함으로써 제1박막 또는 제2박막의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 증착 방법.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 롤이 도금욕에 잠기는 높이를 조절함으로써, 상기 제1박막과 상기 제2박막의 상대적인 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 증착 방법.
    
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