KR20050029054A - 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 이온 주입법을 이용한 폴리머 제품의 처리 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 정전기 방지용 폴리머 제품에 이온주입을 행하여 그 제품이 정전기 방지 기능을 하고, 추가로 연성 FPCB에 대하여 금속층의 벗겨짐의 현상을 방지해 주는 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명은 냉각 장치가 설치된 진공 챔버 내의 지지대에 폴리머 제품을 위치시키는 단계, 상기 진공 챔버에 진공 상태를 형성하고, 상기 폴리머 제품 표면을 플라즈마 에칭하여 클리닝하는 단계, 상기 폴리머에 의해 금속도전층을 형성하는 단계, 상기 클리닝된 폴리머 제품 표면에 플라즈마 상태의 가스 이온 또는 금속 이온을 주입하는 단계, 및 진공 상태를 해제하고 상기 폴리머 제품을 반출하는 단계를 포함한다. 본 발명은 정전기 방지 기능이 우수하며, 원래 제품에 변형을 주지 않고 제품으로부터 불순물이 떨어져 나오지 않는 강한 접착강도를 가진 치밀한 박막층을 형성하며, 추가로 연속 공정이 가능하며 이에 따른 제조 비용이 저렴하다.

Description

플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법{Method for giving anti-static to polymer surface and non-delaminated flexible print circuit board using plasma ion implantation}
본 발명은 플라즈마 이온 주입법을 이용한 폴리머 제품의 처리 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 정전기 방지용 플라스틱 제품에 이온주입을 행하여 그 플라스틱 제품이 정전기 방지 기능을 하고, 연성 FPCB에 대하여 금속층의 벗겨짐의 현상을 방지해 주는 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법에 관한 것이다.
가스 이온 또는 금속 이온 주입은 폴리머 표면에 정전기 방지(anti-static) 기능을 부여해 줄 수 있다. 일반적으로 10-8 내지 10-12Ω/㎠ 범위 이상의 전기 전도도를 갖고 있을 때 그 물질은 정전기 방지 기능이 있다.
기존의 정전기 방지를 위한 방법으로는 물리 기상 증착(physical vapor deposition: PVD)법을 이용한 Al과 같은 금속 박막 증착법, 플라스틱 소결시 탄소 분말(Carbon powder)를 함께 소결하여 전도성을 얻는 방법, 전도성 폴리머를 이용한 방법 등이 있다.
물리 기상 증착법을 이용한 금속 박막 증착시 높은 전도율을 얻을 수 있어 정전기 방지 특성을 얻을 수 있으나, 금속색으로 인하여 제품의 색이 변질되며, 탄소 분말을 이용할 경우 탄소 분말이 플라스틱으로부터 떨어져(delamination) 나와 불순물로 작용하기도 한다.
그러고 전도성 폴리머의 경우에 있어서도 그 가격이 매우 높게 형성 되어 있을 뿐만 아니라, 금속 성분이 포함되어 있기도 하여 유전 가열(dielectric heating)이나, 마이크로파(microwave) 가공과 같은 전자파를 이용한 소결 및 가공이 불가능하다.
기존에 사용되고 있는 FPCB의 경우 에폭시 등의 접착제를 사용하여 금속 호일(Foil)을 열접착하여 사용하고 있거나, 진공증착과 도금을 사용하여 증착 FPCB를 만들기도 한다. 열접착 FPCB의 경우 금속 호일층이 두꺼워 습식에칭을 이용한 미세 패턴 형성이 어려우며, 증착 FPCB의 경우 미세패턴 형성은 가능하나 폴리머(polymer)와 금속층간의 접착력에 한계가 있어 장시간 사용 시 금속층과 폴리머 필름간에 벗겨짐 문제가 발생하기도 한다.
전술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 정전기 방지용 폴리머 제품에 이온주입을 행하여 그 필름이 정전기 방지 기능을 하고, 연성 FPCB에 대하여 금속층의 벗겨짐의 현상을 방지하는 강한 접착강도를 가진 치밀한 박막층을 형성하여 장시간 굴곡을 가진 환경에서 사용할 때에도, 금속 박막층이 벗겨지는 것을 방지하는 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법은, 냉각 장치가 설치된 진공 챔버 내의 지지대에 폴리머 제품을 위치시키는 단계, 상기 진공 챔버에 진공 상태를 형성하고, 상기 폴리머 제품 표면을 플라즈마 에칭하여 클리닝하는 단계, 상기 클리닝된 폴리머 제품 표면에 플라즈마 상태의 가스 또는 금속 이온을 주입하는 단계, 및 진공 상태를 해제하고 상기 폴리머 제품을 반출하는 단계를 포함하여 플라즈마 이온 주입공정에 의한 정전기를 방지한다.
또한, 본 발명은 플라즈마 이온 주입공정을 이용한 벗겨짐 현상을 크게 감소시킬 수 있는 FPCB 제작방법을 위해서, 냉각 장치가 설치된 진공 챔버 내의 지지대에 폴리머 제품을 위치시키는 단계, 상기 진공 챔버에 진공 상태를 형성하고, 상기 폴리머 제품 표면을 플라즈마 에칭하여 클리닝하는 단계, 상기 크리닝 된 폴리머 필름에 ICP나 핫 필라민트와 같은 가스 이온 소스나 MOCVD, 스퍼터(Sputter), 캐소드 아크(Cathodic Arc)와 같은 금속 이온 소스를 사용하여 금속/가스 이온을 폴리머에 주입하여 금속/폴리머 혼합 이온주입층을 형성시키는 단계, 상기 폴리머에 PVD, CVD 금속 소스나 전기도금법을 사용하여 금속 전도층을 형성하는 단계, 및 진공 상태를 해제하고 상기 폴리머 제품을 반출하는 단계를 포함한다.
이러한 플라즈마 이온 주입에 의한 FPCB 용 폴리머 제품의 처리 방법구성에 따라서, 본 발명은 금속(Cu)을 폴리이미드와 같은 폴리머 필름 내에 삽입, 즉 이온주입 시켜 Cu/PI의 혼합층을 만들어 주도록, 금속이 폴리머 위에 붙어 있는 것이 아니라 수백 옹스트롱 깊이로 들어가 있는 것으로 구성하기 때문에 기존 FPCB의 치명적인 단점이였던 벗겨짐 현상이 없다. 이는 금속/폴리머 혼합층은 금속 특히 구리 증착에 있어서 계면의 스트레스를 완화 시켜 주게 되며 이는 금속-폴리머 접착층에 큰 접착력을 주게 되기 때문이다. 따라서 수많은 굴곡이 요구되는 가혹한 FPCB 사용환경 에서도 장시간 수명이 보장되게 된다.
또한, 본 발명에 의한 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법은 정전기 방지용 폴리머 제품과 접착능력이 크게 향상된 FPCB에 적용된다.
첫째 폴리머 제품에 금속이나 가스 이온주입을 해주게 되면 그 폴리머 제품이 정전기 방지 기능을 가져 전자제품 포장 또는 전기용품 패키지 구성 등에 사용될 수 있다.
둘째, FPCB는 또 다른 개념으로 정전기 방지와는 상관없이 금속층의 벗겨짐(여기서 금속층은 도체, 폴리머는 부도체의 역할)의 현상을 방지해 주는 역할이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법을 상세히 설명한다.
폴리머에 가스 이온 주입을 할 경우 표면에 존재하는 수소-탄소-산소 결합을 분해하여 탄소-탄소 결합을 만들어 전도성을 갖게 해준다. 또한 폴리머 표면에 금속 이온 주입을 시행하면 고분자 표면에 전도성 특성을 부여해 줄 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이온 주입장치에 의해 폴리머 구조 내로 불순물 이온이 침입했을 때 일어나는 현상을 보여주고 있다. 체인(Chain) 구조를 가진 폴리머 또는 고분자 필름 내부로 외부 이온이 침입되게 되면 폴리머 체인이 끊어지게 되고 불순물 원자가 위치하게 된다. 이 때 최외각의 끊어진 구조간의 최외곽 전자들이 이동할 수 있게 되어 전도성을 갖게 된다. 또한 체인을 끊어줌으로 인해서 탄소 원자들끼리 결합하게 되어 전도성을 갖게 된다.
이때 폴리머 제품의 처리시 불순물 원자가 금속이면 폴리머 표면 전체에 골고루 분포되어 전도성을 갖게 해준다. 금속 이온에 의한 폴리머 표면의 메탈라이징(metalizing) 현상은 전자제품에 이용되는 플라스틱 표면에 전도성을 부여해 줌으로 인해서 정전기 방지 기능이 추가될 수 있다.
이에 발명의 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법을 설명한다.
우선, 폴리머 표면에 이온주입을 하게 되는 이유는 크게 두 가지가 있다. 첫 번째는 폴리머 표면에 전도성을 주게 되어 정전기 방지 기능을 갖게 되는 것이다. 그 메커니즘은 고분자내의 결합구조를 깨고 수소-산소 결합을 만들거나, 탄소-탄소 결합을 만들어 전도성을 부여한다고 알려져 있다.
두 번째는 기존 FPCB는 수많은 굴곡이 요구되는 사용 환경에서 고분자와 금속사이의 결합력이 워낙 약한 이유로써, 폴리이미드 등의 폴리머 필름과 금속층(Cu, Al 등)의 결합력이 약해 벗겨지게 되는 단점을 극복해 주기 위해 사용된다. 현재 많이 사용되고 있는 방법은 금속과 고분자 모두 결합력이 강한 물질인 Cr, Ni-Cu, Ni-Cr 합금을 접착층으로 사용해서 접착 FPCB가 제작되고 있다. 본 발명에서는 금속(Cu)을 폴리이미드 내에 삽입, 즉 이온주입 시켜 Cu/PI의 혼합층을 만들어 주는 것이다. 이러한 혼합층은 위에 금속이 증착 되었을 때 이형물질이 아닌 연고로 굉장히 높은 접착 특성을 유지하게 된다. 따라서 본 기술이 적용된 FPCB는 기존 금속증착 방법이 갖고 있던 접착력 문제를 해결해 줄 수가 있어 얇은 두께를 가진 금속박막의 증착을 가능하게 한다. 이것은 현재 사용되고 있는 FPCB의 회로선폭을 200㎛ 이내 패턴(pattern)에서, 30㎛ 이하의 패턴을갖도록 함으로써 COF(Chip On 필름)등에 사용할 수 있도록 한다.
이하에서 본 발명의 방법의 각 단계를 상세히 설명한다.
먼저, 냉각 장치가 설치된 진공 챔버 내의 지지대에 폴리머 제품을 위치시킨다. 상기 폴리머 제품은 그 재질이 PE, PC, PEI, PS, PI, PP, PET 등이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
다음에, 상기 진공 챔버에 진공 상태를 형성하고, 상기 폴리머 제품 표면을 플라즈마 에칭(plasma etching)하여 클리닝(cleaning)한다. 이러한 플라즈마 에칭은 폴리머 제품 표면의 세정과 표면 활성화를 위해서 행해진다. 상기 플라즈마 에칭시 펄서(pulser)에 의해서 인가되는 전압이 (-) 1 내지 (-)100kV인 것이 바람직하다.
이후에, 상기 클리닝된 폴리머 제품 표면에 플라즈마 상태의 가스 이온 또는 금속 이온을 주입한다. 또한, 상기 폴리머 제품 또는 고분자 필름 내부로 금속 이온을 주입하는 공정을 거친 후, 금속도전층(코팅층)을 형성하는 공정을 추가하여 치밀한 박막층을 얻을 수 있다. 그리고, 상기 가스 이온의 소스(source)로 Ar, N2, O2 등이 바람직하며, 상기 금속 이온의 소스로 Al, Cu, Ni, Cr, Ti 등이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 가스 이온 또는 금속 이온 주입시 펄서에 의해서 인가되는 전압은 (-) 1 내지 (-)100kV가 바람직하다. 상기 플라즈마 상태의 금속 이온을 발생시키는 장치는 스퍼터(sputter) 또는 아크(arc)가 바람직하다. 또한, 상기 플라즈마 금속이온발생장치는 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스(Dual Magnetron Sputtering source)로 구성하여 사용할 수도 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다음에, 진공 상태를 해제하고 상기 폴리머 제품을 반출하여 본 발명의 방법이 종료된다.
본 발명의 방법에서 첫 단계인 상기 폴리머 제품을 위치시키는 단계 다음에, 상기 폴리머 제품으로부터 소정 거리 이격시켜 그리드(grid)를 위치시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 폴리머 제품의 날카로운 표면에 전기장이 집중되어 생기는 아킹(Arcing) 현상을 방지할 수 있게 된다. 보통 상기 폴리머 제품으로부터 1 내지 20㎝ 떨어진 위치에 상기 그리드를 설치하게 되며, 부도체인 폴리머에 (+) 전하를 가진 이온이 충돌할 수 있도록 도와주는 역할을 한다. 그 재질은 스테인레스인 것이 바람직하다.
본 발명을 이용하여 폴리머 필름 쉬트(폴리머 필름 sheet)에 금속 이온을 주입한 후 표면 저항 측정기를 이용하여 저항을 측정한 결과 3 내지 5Ω/㎠의 값을 갖는 것으로 나타났다.
도 2에서 본 발명에 의하여 금속 이온이 주입된 폴리머의 형상을 보여주고 있다.
도 3c 는 본 발명을 이용하여 개발한 FPCB의 단면도이고, 도 3a, 도3b 는 각각 기존의 FPCB 단면의 개념도를 보여주고 있다.
도 3a, 도3b로 예시된 기존 FPCB제작에 있어서 금속-폴리머 필름간의 접착은 에폭시 등의 열접착층(도 3a)이나 비교적 폴리머와 접착 특성이 좋은 Cr, Cu-Ni, Ni-Cr 합금(도 3b)을 사용하고 있다. 이중 도 3a에 도시된 열접착층을 사용한 FPCB의 경우 수십 ㎛ 이상의 두께를 갖고 있어 미세패턴 형성이 어려우며, 도3b에 도시된 금속 접착층을 사용한 경우에 접착력에 한계를 나타내고 있다. 즉, 기존 FPCB는 금속-폴리머 간의 분리 현상을 해결하지 못하고 있다.
그러나 도 3c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 FPCB의 경우 금속-폴리머간의 혼합층 형성을 통해 벗겨짐 방지되는 접착특성이 향상됨을 볼 수 있다.
본 발명의 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법은 정전기 방지 기능이 우수하며, 폴리머 제품의 색이 크게 변질되지 않게 하고, 폴리머 제품으로부터 불순물이 떨어져 나오지 않게 하며, 제조 비용이 비교적 저렴하다.
또한 FPCB의 경우에 본 기술을 적용했을 때, 전도층으로 사용되는 금속박막과 절연층으로 사용되는 폴리머 필름과의 접착능력이 크게 향상되어 있는 것으로 나타나 장시간 굴곡에 요구되는 FPCB의 특성 및 수명을 크게 향상시켜 주는 것으로 나타났다.
이상에서 살펴본 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 외부 이온 침입에 대한 체인간 분리 현상을 설명하는 도면
도 2는 본 발명에 의하여 금속 이온을 주입한 폴리머 표면의 형상을 촬영한 사진
도 3a ,도3b, 및 도 3c 는 각각 FPCB 단면의 개념도.

Claims (6)

  1. 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법에 있어서,
    냉각 장치가 설치된 진공 챔버 내의 지지대에 폴리머 제품을 위치시키고 금속재질의 그리드를 제품 주위에 위치시키는 단계,
    상기 진공 챔버에 진공 상태를 형성하고, 상기 폴리머 제품 표면을 - 1kV에서 - 100kV사이의 그리드 바이어스 전압으로 플라즈마 에칭하여 클리닝하는 단계,
    -1kV 에서 - 100kV 사이의 바이어스 전압으로, 금속 및 가스 이온주입을 시행하는 단계, 및,
    진공 상태를 해제하고 상기 폴리머 제품을 반출하는 단계를 포함하여, 플라즈마 이온 주입공정을 이용한 정전기를 방지하고, FPCB의 금속박막층에 높은 접착력을 주는 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 제품은 그 재질이 PI, PET 의 고분자 재질 중에 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 이온 또는 금속 이온을 주입하는 단계는, 가스이온 및 구리와 같은 금속(Cu+)이온을 폴리머 내에 이온주입 시켜 외부 침입 이온과 기존 고분자 표면과의 혼합층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 이온의 소스는 Ar, N2, 및 O2로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나이며, 상기 금속 이온의 소스는 Al, Cu, Ni, Cr, 및 Ti로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 가스이온 소스는 ECR, ICP, 핫 필라민트의 가스 플라즈마 소스를 가지며, 상기 플라즈마 금속이온발생장치로서 듀얼 마그네트론 스퍼터링 소스(Dual Magnetron Sputtering source)를 사용하여 금속이온 소스를 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머에 의해 FPCB에 전극의 역할을 하는 금속도전층을 형성하는 단계는, 금속(Cu)을 폴리머 필름에 이온주입 시켜 Cu/폴리머의 혼합층을 형성하고, 상기 Cu/PI의 혼합층은 금속/폴리머 계면 상태로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 이온 주입에 의한 폴리머 제품의 처리 방법.
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