KR20080022254A - 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 알루미나 모재 표면의 불순물 및 잔류 입자를 제거하는 불순물 제거공정과, 청정 처리된 알루미나 모재에 규산나트륨 수용액을 균일하게 도포하는 공정과, 알루미나 모재에 도포된 규산나트륨에 열을 가하여 수분을 강제 제거하여 미세요철을 갖는 세라믹 복합체를 형성하는 공정과, 세라믹 복합체의 상면에 금속박막을 코팅하는 공정으로 이루어진 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체의 제조방법 및 이러한 제조방법에 의해 제조된 제품을 제공함으로써, 금속박막 코팅층의 결합력을 현저하게 향상시킬 수 있고, 방열과 양호한 전기전도가 필요한 전자 부품 제조 공정과 같이 알루미나 기판의 전기적 열적 우수성과 금속 박막의 특성을 모두 요하는 곳에 적용가능하며, 나아가 공정을 단순화하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는 것이다.

세라믹 기판, 알루미나, 금속 박막, 표면처리, 접착력증대

Description

금속박막이 코팅된 세라믹 복합체 및 그 제조방법{Metal film-coated ceramic composite and fabrication method thereof}

본 발명은 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 전자부품용으로 주로 이용되는 세라믹 복합체의 표면에 금속박막을 효과적으로 코팅할 수 있도록 알루미나의 모재에 규산나트륨을 이용한 전처리과정을 수행하여 접착력을 증대시킬 수 있는 접착방법의 개선에 관한 것이다.

일예로 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹 기판은 금속 박막을 코팅하기 위하여 기존에는 진공 증착법이나 무전해 습식 도금법을 적용하였다.

전자의 진공 증착법은 코팅시키고자 하는 모재의 표면을 세정하여 불순물이나 이물질을 제거하여 모재 표면을 청정하게 유지한 후 진공 장치 내부에 코팅하고자 하는 면과 코팅하고자 하는 금속 원 재료를 마주 보도록 기하학적으로 배치하고 금속 원 재료를 여러 방법으로 기상으로 증발시켜 마주 보고 있는 모재의 표면에 금속 증기가 도달 고착되어 금속 박막이 형성되도록 하는 방법이다. 금속 증기를 만드는 방법은 금속 원 재료를 고열로 가열하는 방법, 비활성 기체를 이용한 스퍼터링 방법, 전구체를 사용하여 열분해나 플라즈마 분해를 이용하는 방법 등 여러 가지 방법이 있다.

후자의 무전해 습식 도금법은 도금하고자 하는 재료의 표면을 탈지 공정과 수세공정 등을 거쳐 표면을 청정하게 만든 후 알루미나 표면에 금속이 석출될 수 있도록 표면 활성화 표면 안정화 등의 습식 공정을 거쳐 표면 처리된 모재를 도금하고자 하는 금속의 습식 도금액에 침적시켜 금속 도금 층의 두께가 침적된 시간에 비례하여 모재 표면에 형성되게 하는 방법이다.

진공 증착법과 무전해 습식 도금 법에 의하여 모재 표면에 만들어진 금속 박막은 그 밀착 강도가 크지 않다. 즉, 일반적 밀착력 시험으로 이용하는 테이프 테스트를 통과하기 어렵다.

알루미나 모재 표면에 금속 박막을 코팅하는 또 다른 방법은 모재 표면에 미리 준비된 얇은 금속 박막을 접착제를 이용하여 접합시키는 것이 있다. 이 경우 모재와 금속 박막 사이에 두 물질을 접합시키도록 하는 접착제 층이 존재한다는 것이며, 이 접착제 층의 존재가 금속 박막이 입혀진 세라믹 복합체를 전자 부품으로 사용할 때 열전도율의 저하, 열적 불안정성 증가 등 원하는 특성을 현격히 저하시키는 요인으로 작용하는 문제점을 수반하게 된다.

한편 일반적으로 이종의 두 물질이 접하고 있을 때 두 물질의 접착력은 화학적 결합이 두 물질 사이에 쉽게 이루어지는 경우가 많지 않으므로 기계적 결합력에 의하여 크게 좌우된다고 알려져 있다. 이종 물질의 접착력은 화학적 요인과 기계적 요인으로 나누어 볼 수 있는데, 분리되어 있는 이종의 물질을 접촉시켜 화학적으로 결합시키는 것이 쉽지 않고 고 비용의 방법이므로 상대적으로 이용하기 쉬운 물리 적 접착력 증강 법을 사용하게 된다.

물리적 접착력 증강 법은 금속 도금을 하고자 하는 모재의 표면에 많은 마이크로 크기의 요철을 만들고 이 요철에 도금 층이 형성되어 요철과 요철 내부에 형성되는 도금 층과의 결합이 마치 갈고리가 얽혀 있듯 만드는 것이다. 이러한 갈고리 효과를 이용한 모재와 금속박막과의 접착력 증강 법은 ABS 수지 표면에 금속 도금을 하는 공정에서 널리 쓰이고 있다. ABS 수지 표면에 이러한 미세 요철을 만드는 방법은 잘 알려진 공정이 있으나 알루미나와 같이 무기물의 표면에 미세 요철을 만드는 공정은 아직 까지는 특별한 공정이 개발되어 있지 않다.

즉, ABS 수지의 경우에는 이종의 폴리머가 섞여있는 상태로 화학 에칭과 같은 적당한 방법으로 하나의 성분을 제거하면 제거된 성분이 있던 자리가 미세 요철로 남게 되는 것이다. 그러나 단일 물질로 이루어진 알루미나와 같은 무기질 재료는 ABS에서 적용한 이종 물질 중 하나를 제거하는 개념의 공정을 적용할 수 없을 뿐만 아니라 알루미나를 에칭을 할 수 있는 용액으로 에칭을 하여도 액체 속에서 알루미나의 전 면의 에칭이 동시에 이루어지고 에칭 속도가 비정형으로 소결된 알루미나는 선택적일 수 없으므로 화학적 에칭에 의한 미세 요철을 만들기 어렵게 된다.

진공 챔버내에서 알루미나 모재를 스퍼터링하여 미세 요철을 만드는 공정은 현실적으로 원하는 요철을 만드는 것이 불가능하다. 알루미나 모재에 만들어야 하는 미세 요철의 모양은 도금 혹은 코팅된 금속이 빠져나오지 못하도록 요철의 입구는 작고 요철의 내부 공간은 요철 입구 보다 커야한다. 이러한 생김새를 갖는 미세 요철을 스퍼터링으로 만들기 위해서는 공정 자체가 상당히 복잡해 질 뿐만 아니라 실재 구현하기가 쉽지 않다는 것이다. 또한 스퍼터링 방법으로 알루미나를 처리 하는 공정 자체가 에너지 사용 측면과 생산성 측면에서 비효율적이므로 스퍼터링에 의해 미세 요철을 형성하기는 사용하기 어렵다.

본 발명은 목적은 상기한 문제를 효과적으로 해결하여 알루미나 기판 혹은 판상 모재에 도금된 금속 박막의 밀착력이 미세요철을 이용한 기계적 결합을 이용하여 결합력이 물리적으로 최대값이 되도록 할 수 있는 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 예컨대 방열과 양호한 전기전도가 필요한 전자 부품 제조 공정과 같이 알루미나 기판의 전기적 열적 우수성과 금속 박막의 특성을 모두 요하는 곳에 적용할 수 있는 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 공정이 단순하고, 소결 장치, 무전해 습식 도금 등 기존 시설을 호환 사용할 수 있는 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 대량 생산에 적합하며, 작업 능률과 생산성을 향상시킬 수 있는 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적은 알루미나 모재 표면의 불순물 및 잔류 입자를 제거하는 불순물 제거공정과, 청정 처리된 알루미나 모재에 규산나트륨 수용액을 균일 하게 도포하는 공정과, 알루미나 모재에 도포된 규산나트륨에 열을 가하여 수분을 강제 제거하여 미세요철을 갖는 세라믹 복합체를 형성하는 공정과, 세라믹 복합체의 상면에 금속박막을 코팅하는 공정으로 이루어진 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체의 제조방법 및 이러한 제조방법에 의해 만들어지는 제품에 의해 달성될 수 있다.

상기 규산나트륨 용액의 두께는 0.1μ(미크론)에서 3mm 범위로 도포되는 것이 바람직하다.

바람직하게는 세라믹 복합체를 형성하는 공정이후에 세라믹 복합체를 소정의 온도로 소결시키는 공정을 더 실시하는 것이 좋다. 이러한 소결공정에 의해 수분 제거이후의 다공성 실리카 환원층과 알루미나 모재와의 결합력을 더욱 견고하게 하게 된다.

상기 규산나트륨 수용액은 알루미나 모재에 분무하거나 또는 알루미나 모재를 일정 시간 동안 규산나트륨 수용액 침적 시키는 것에 의해 도포된다.

상기 열을 가하는 방법으로는 다양한 형태의 실시가 가능하다. 즉, 가스버너를 이용한 토치를 사용하는 방식, 전열선을 이용하는 방식, 적외선램프를 사용하는 방식 등을 예로 들 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 알루미나 기판 표면에 알루미나 모재와 접착력이 좋은 미세 요철을 포함하는 다공성 실리카(SiO₂) 층을 형성시킨 후 금속 박막을 무전해 습식 도금 법으로 미세 요철을 포함하는 실리카 표면과 요철에 코팅을 실시하는 것이다.

구체적인 공정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 알루미나 모재 표면의 불순물을 제거하고 접착력을 약화 시키는 원인이 될 수 있는 잔류 입자 등의 불순물을 제거하는 청정공정을 실시한다.

다음으로 청정 처리된 알루미나 기판에 액상 규산나트륨 용액을 마이크로 단위에서 mm단위 까지 얇고 균일 하게 도포하는 공정을 실시한다. 규산나트륨 용액의 두께는 0.1μ(미크론)에서 3mm 범위내가 바람직하다.

상기 규산나트륨(물유리)은 실리카를 물에 녹인 것으로 실리카를 물에서 끓이면서 녹이면 얻을 수 있다

다음으로, 열을 가하여 알루미나 기판에 도포된 규산나트륨에서 수분을 제거하는 공정을 실시한다. 이 공정에서 수분을 제거하는 과정에서 요철이 형성되어 진다.

이때, 온도 및 수분을 제거하는 속도에 의해 미세 요철의 크기와 분포가 결정 되므로 적용 범위에 따라 가하는 열의 온도와 가열 시간을 적절히 선택하여 수분을 제거한다.

위 과정을 좀더 구체적으로 설명하면 알루미나 판에 규산나트륨 용액(물유리)을 마이크로 단위에서 mm단위 까지 얇게 도포하고 적절한 열원으로 가열하여 규산나트륨(물유리) 용액 중의 수분을 급격히 증발시키면 수분 저장위치에 공동이 형성되는 것에 의해 규산나트륨이 다공성 실리카로 전환된다. 이때 가열 조건은 알루미나 판에 도포된 규산나트륨의 두께에 따라 다르나 일반적으로 자연건조 조건보다 건조시간을 짧게 하면 된다.

일 실시예에 따르면, 구체적으로 10cm X 10cm 면적에 두께 1mm 로 도포된 규산 나 트륨은 100W 전열로 1초 가열 하면 필요한 다공성 실리카를 얻을 수 있다. 가열조건은 100도씨 이상 900도씨 미만에서 수초에서 10여초 가열하는 것이 바람직하다.

다음으로, 수분이 제거되어 미세 요철이 생성된 세라믹 기판을 소정의 온도로 소결시키는 공정을 실시한다.

이러한 공정은 알루미나 모재와 다공성실리콘의 결합력을 더욱 강하게 하는데 목적이 있다. 즉, 수분제거공정에서 생성된 미세 요철과 알루미나 모재와의 결합력은 수분제거공정이 완료된 시점에서는 크지 않으므로 알루미나 모재와 미세 요철을 포함하는 실리카와의 결합력을 향상시키기 위하여 알루미나 기판을 제작할 때 적용한 소결 온도로 적절 시간 동안 소결 시키는 것이 바람직하다. 이때 소결 온도는 미세 요철을 포함하는 실리카가 녹아 미세 요철이 매워지지 않는 범위 내에서 수행되어야 한다.

이 소결공정은 본 발명에서 생략 가능한 것으로서 필수적인 공정은 아닌 것으로 이해되어야 한다.

이어서, 소결이 완료된 미세 요철을 포함하고 있는 세라믹 기판을 도금을 실시한다. 이때 도금은 무전해 습식 도금 공정을 실시하는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명은 실리카를 물에 끓이면서 녹여서 얻어지는 규산나트륨 수용액(물유리)을 모재의 면에 도포하고 열에 의해 물을 강제 증발시키면 다시 다공성 실리카로 전환되는 것에 의해 미세 요철을 형성토록한 후 도금을 실시하는 것으로서, 이하에 열거하는 효과를 갖는다.

첫째, 알루미나 기판과 금속 박막의 밀착력이 미세요철을 이용한 기계적 결착을 이용하여 물리적으로 최대값이 되도록 할 수 있다.

둘째, 밀착력이 좋은 금속 박막이 도포된 알루미나 기판이 필요한 곳에, 예컨대 방열과 양호한 전기전도가 필요한 전자 부품 제조 공정과 같이 알루미나 기판의 전기적 열적 우수성과 금속 박막의 특성을 모두 요하는 곳에 적용할 수 있다.

셋째, 일반적으로 고가의 운영비용과 시설비 그리고 고도 장비가 필요한 진공 증착에 의한 알루미나 표면에 금속을 도금하는 공정보다 공정이 단순하고, 소결 장치, 무전해 습식 도금 등 기존 시설을 호환사용할 수 있으므로 비용 면에서 유리하다.

넷째, 진공 장비를 요하지 않으므로 대량 생산에 적합한 공정이다.

다섯째, 공정이 단순하여 작업 능률과 생산성이 향상된다.

Claims (6)

1. 알루미나 모재의 표면의 불순물 및 잔류 입자를 제거하는 불순물 제거공정과,

   청정 처리된 알루미나 모재에 규산나트륨 수용액을 균일하게 도포하는 공정과,

   알루미나 모재에 도포된 규산나트륨에 열을 가하여 수분을 강제 제거하여 미세요철을 갖는 세라믹 복합체를 형성하는 공정과,

   세라믹 복합체의 상면에 금속박막을 코팅하는 공정,

   으로 이루어진 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 규산나트륨 용액의 두께는 0.1μ(미크론)에서 3mm 범위인 것을 특징으로 하는 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체의 제조방법
3. 제 1항에 있어서, 세라믹 복합체를 형성하는 공정 이후에 세라믹 복합체를 소정의 온도로 소결시키는 공정을 더 실시하는 것을 특징으로 하는 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 규산나트륨 수용액은 알루미나 모재에 분무에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 규산나트륨 수용액은 알루미나 모재일정 시간 동안 침적시키는 것에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체의 제조방법.
6. 제 1항 내지 제 5항의 방법에 의해 제조되는 금속박막이 코팅된 세라믹 복합체.