KR20090117574A - 저온분사법을 이용한 전극의 제조방법 및 이에 의한 전극 - Google Patents

Abstract

모재에 무관하고 고온의 열처리를 수반하지 않는 전극을 제조하는 방법 및 그에 의한 전극을 제시한다. 그 방법 및 전극은 단일금속, 단일금속으로 이루어진 합금의 금속원소, 둘 이상의 단일금속의 혼합분말 또는 합금의 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비하고, 전극 패턴에 형성된 마스크 패턴을 모재 상에 배치한 다음, 준비된 코팅용 분말을 저온분사법으로 모재에 코팅하여 전극을 형성한다.

저온분사법, 전극, 코팅용 분말, 모재

Description

저온분사법을 이용한 전극의 제조방법 및 이에 의한 전극{Method of fabrication electrode using cold spray and electrode by the same}

본 발명은 전극의 제조방법 및 이에 의한 코팅층에 관한 것으로, 특히 부도체의 모재에 금속으로 이루어진 전극을 저온분사법을 이용하여 제조하는 방법과 그 저온분사법에 의해 제조된 전극에 관한 것이다.

일반적으로 세라믹이나 플라스틱 같은 부도체 위에 금속으로 이루어진 전극을 도포하는 방법은 전기 도금, 페이스트 페인팅 및 증착 등이 있다. 금속을 증착하는 경우는 고가의 장비를 필요로 하며, 생산비용이 높고, 증착된 전극의 두께를 두껍게 하는 것이 어렵다. 이때 전극은 도전체가 패턴 형태를 가지는 것이다.

페이스트 페인팅은 모재의 표면에 상기 모재와 반응하는 분말이나 슬러리를 부착한 후에 이를 고온 열처리하여 표면에 고강도의 반응물질로 이루어진 전극이 형성되도록 하는 것이다. 상기 페인팅은 고온의 열처리가 요구되므로, 열처리 과정에서 열 변형 등에 의한 모재의 손상이 발생한다. 특히 모재가 플라스틱인 경우는 상기 열처리 과정을 적용할 수 없다. 따라서 실질적으로 페인팅 방법을 적용할 수 있는 모재와 분말간의 조합이 상대적으로 적다.

대부분의 경우에 전극을 제조하기 위하여 유전체 세라믹 위에 은 페이스트를 바르거나 바로 도금을 하는데, 은 페이스트는 800℃ 이상의 고온의 열처리를 수반하게 된다. 고온 열처리로 인하여 세라믹의 유리 성분이 녹아서 전극의 형성이 어렵다. 또한 도금은 도금이 안 되는 세라믹이 많아 일반적으로 적용하기 어려운 실정입니다. 예를 들어, 구리는 세라믹에 도금이 되지 않는다.

이외에도 용사법 등의 방법으로 결합하는 방법이 있으나, 이것도 고온에서 이루어지므로 생산비용이 높고, 용사 후에 소재를 냉각하는 과정에서 모재와 코팅층간에 잔류응력이 발생하여 결합면의 강도가 떨어지는 문제점이 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 모재에 무관하고 고온의 열처리를 수반하지 않는 전극을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. 또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 방법에 의해 제조된 전극을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 저온분사법을 이용한 전극의 제조방법은 먼저 부도체의 모재를 제공한다. 그후, 단일금속, 상기 단일금속으로 이루어진 합금의 금속원소, 둘 이상의 상기 단일금속의 혼합분말 또는 상기 합금의 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비한다. 전극 패턴에 형성된 마스크 패턴을 상기 모재 상에 배치한다. 상기 준비된 코팅용 분말을 저온분사법으로 상기 모재에 코팅 하여 전극을 형성한다.

이때, 상기 저온분사법은 상기 준비된 코팅용 분말을 코팅용 분사노즐에 주입하는 단계; 및 상기 분사노즐 내에 흐르는 운반가스의 유동에 의해 상기 코팅용 분말을 비용융 상태로 300 내지 1,200 ㎧의 속도로 가속하여 상기 모재의 표면에 코팅용 분말을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 코팅용 분말은 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 크롬, 티타늄, 및 은으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 단일금속이거나, 상기 단일금속으로 이루어진 합금일 수 있다. 또한 상기 모재는 세라믹 또는 플라스틱일 수 있다. 바람직하게는 상기 모재는 세라믹 기판이고 상기 전극은 구리일 수 있다.

경우에 따라, 상기 코팅하는 단계에서 모재를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 코팅하는 단계 이후에 상기 코팅된 분말과 다른 금속분말을 저온분사법으로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 저온분사법을 이용하여 제조된 전극은 앞에서 설명한 제조방법에 의해 제조된 전극이다. 이때, 상기 전극은 커패시터의 전극, 전자부품의 와이어 본딩의 패드 또는 솔더링의 범프일 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 저온분사법을 이용한 전극의 제조방법 및 그 전극에 의하면, 종래에 비해 저온에서 금속 코팅층을 제조할 수 있으므로 모재에 열적 변형 또는 열 충격에 의한 손상을 유발할 염려가 없어 모재에 무관하게 전극을 형성 할 수 있고, 모재와 코팅층 간 사이에 강한 부착력을 가지는 전극이 형성될 수 있다. 또한 본 발명은 상대적으로 낮은 온도에서 공정이 가능하므로, 제조비용이 저렴하며, 대형화가 용이한 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

이하에서는 부도체인 모재의 종류에 구애받지 않고 저온분사법을 이용하여 전극을 제조하는 방법 및 저온분사법을 이용하여 제조된 전극을 제시한다. 부도체는 잘 알려진 바와 같이 전기적으로 절연 상태를 가지는 물질로 세라믹 또는 플라스틱과 같은 것이다.

전극은 부도체에 형성되어 전기적인 신호가 흐르게 하는 것을 지칭하는 것으로, 커패시터와 같이 부도체를 사이에 두고 형성될 수 도 있고, 부도체 내부의 전기적인 회로와 연결될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전극의 제조방법을 설명하는 흐름도이고, 도 2는 도 1의 흐름도를 구현하는 장치를 포함하여 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 그 제조방법은 먼저 전기가 흐르지 않는 부도체로 이루어진 모재(170)를 제공한다(S10). 모재(170)와는 별도로, 단일금속, 합금의 금 속원소 또는 둘이상의 단일금속을 혼합한 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비한다(S20). 코팅용 분말은 형성되어질 전극에 따라 그 조성물과 조성비 그리고 분말의 크기가 결정된다. 전극 패턴이 형성된 마스크(150)를 통상의 방법으로 준비한다(S30). 준비된 코팅용 분말을 저온분사(cold spray)법으로 마스크(150)의 형상대로 모재(170)에 코팅하여 전극(160)을 형성한다(S40).

모재(170)는 저온분사법으로 전극(160)이 형성되는 물질이다. 모재(170)는 전체 표면이 전기가 통하지 않는 플라스틱 또는 세라믹과 같은 부도체로 이루어질 수도 있다. 즉, 저온분사법으로 전극(160)을 형성하면, 열처리가 필요하지 않으므로 플라스틱에도 적용할 수 있고 종래의 방법으로 코팅이 되지 않는 물질을 세라믹에도 적용할 수 있다. 이와 같이, 저온분사법에 의한 전극을 형성하면, 모재(170)의 종류에 구애받지 않고 부도체이면 모두 적용할 수 있다. 필요에 따라, 전극(160)의 형성을 돕기 위하여 모재(170)를 일정한 온도로 가열할 수 있다.

코팅용 분말은 하나의 단일금속분말도 가능하지만, 둘이상의 단일금속분말을 혼합하여 사용할 수도 있다. 또한 하나의 합금분말, 둘이상의 합금을 각각 분말로 만든 둘이상의 합금 분말, 단일금속분말과 하나의 합금분말의 혼합물, 하나의 단일금속분말과 둘이상의 합금분말의 혼합물, 둘이상의 단일금속분말과 하나의 합금분말의 혼합물, 둘이상의 단일금속분말과 둘이상의 합금분말의 혼합물 등의 다양한 조합을 적용하여 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 코팅용 분말은 구리, 알루미늄, 티타늄, 니켈, 크롬 및 철로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택된 단일금속이거나, 그 합금을 들 수 있다.

코팅용 분말의 입자크기는 통상의 저온분사법에 사용되는 다양한 크기의 입자가 사용될 수 있으며, 사용되는 분말의 종류에 따라 그 코팅효율 및 반응성이 다르므로 최적입자 크기가 달라 질 수 있으므로 이를 고려하여 적정한 입자크기를 선정하는 것이 바람직하다. 코팅용 분말의 입자는 1 내지 200㎛의 크기를 가지는 것이 분산 및 혼합측면에서 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 내지 50㎛의 크기를 가지는 것이 좋다.

모재와 코팅용 분말의 준비가 완료되면, 준비된 코팅용 분말을 저온분사법으로 모재에 코팅한다. 즉, 코팅용 분말을 종래의 융사법이나 소결온도에 비하여 상대적으로 낮은 저온에서 진행하는 저온분사법을 이용하여 분사하여 모재에 코팅층을 형성하여 전극을 형성한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 분사장치(100)는 가스 압축기(compressor, 110), 가스히터(120), 분말 공급기(powder feeder, 130) 및 분사용 노즐(140)을 포함하여 구성된다.

가스 압축기(100)는 약 5 내지 20 kgf/cm²의 압축가스를 제공한다. 압축가스는 분말공급기(130)로부터 제공되는 분말을 분사용 노즐(140)을 통해 약 300~1200 ㎧의 속도로 분출한다. 분사용 노즐(140)은 분말을 아음속 내지 초음속의 유동을 발생시키기 위해서는 통상적으로는 수렴-발산형 노즐(de Laval-Type)이 사용되고 이러한 수렴 및 발산 과정을 통하여 초음속 유동을 발생시킬 수 있다.

상기 장치(100)에서 압축가스 공급 경로상의 가스히터(120)는 압축가스의 운동에너지를 증가시켜 분사용 노즐(140)에서의 분사속도를 높이기 위해 압축가스를 가열하기 위한 부가적인 장치로서 반드시 필요한 것은 아니다. 또한, 도시된 바와 같이, 분사용 노즐(140)로 분말의 공급을 보다 원활히 하기 위해 가스압축기(110)의 압축가스 일부는 분말공급기(130)로 공급될 수 있다.

상기 압축가스는 상용의 가스, 예컨대 헬륨, 질소, 아르곤 및 공기 등이 사용될 수 있으며, 사용 가스의 종류는 분사용 노즐(140)에서의 분사속도 및 경제성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.

저온분사법은 잘 알려져 있으므로 이하에서는 간단하게 설명하기로 한다. 저온분사법은 먼저 준비된 코팅용 분말을 분말공급기(130)에서 분사용 노즐(140)에 주입한다. 이어서, 분사용 노즐(140) 내에 흐르는 압축가스의 유동에 의해 상기 코팅용 분말을 비용융 상태로 300 내지 1,200㎧의 속도로 가속하여 모재(170)의 표면에 코팅하여 전극(160)을 형성한다. 전극(160)의 형태는 분사용 노즐(140)과 모재(170) 사이에 배치된 마스크(150)에 형성된 전극 패턴과 동일하다.

저온분사법에 의한 코팅단계에서 모재(170)는 상온에서 진행할 수도 있으며, 상온보다 50℃ 정도의 온도로 가열한 상태에서 진행하는 것이 코팅용 분말의 충돌에 따른 변형에너지(strain energy)를 축적하고 코팅용 분말의 심도깊은 충돌을 유도하므로 바람직하다. 필요에 따라 상기 코팅용 분말을 저온분사법에 의해 전극(160)을 형성한 이후에 그 전극(160) 상에 다시 저온분사법에 의한 코팅을 더 진행할 수 있다. 이에 따라, 전극(160)의 두께를 다양하게 조절할 수 있다. 나아가, 원하는 코팅을 한 후에, 상기 코팅된 금속과 다른 금속을 더 코팅할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 전극은 종래의 전기 도금, 페이스트 페인팅 및 증착 등에 형성하기 어려운 모재에도 쉽게 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 전극은 다양하게 활용될 수 있다. 즉 모재의 제한이 없이 부도체의 양측에 형성되어 커패시터로 사용할 수 있고, 전자부품의 와이어 본딩이나 솔더링의 패드나 범프로 활용될 수 있다.

본 발명의 실시예는 세라믹 모재에 금속을 코팅하여 전극을 형성하는 데 매우 유용하다. 종래의 방법으로 코팅할 수 없는 세라믹 모재와 금속 전극을 제한없이 구현할 수 있다.

이하 본 발명의 특징을 바람직한 실험예를 들어 설명하기로 한다. 이때, 세라믹부도체에 직접 구리 전극을 형성하는 것은 종래에는 구현할 수 없는 것이다.

<실험 예>

도 3은 본 발명의 실험예에 의한 구리 전극이 형성된 세라믹 부도체를 주사현미경으로 촬영한 사진이다. 이때, 평균입도가 3㎛인 Cu 분말을 제조하여, 표준 라발형(standard laval type) 노즐로서 어퍼쳐는 4ㅧ6㎜이고, 목부 갭(throat gap)은 1㎜인 노즐을 이용하여 압축가스로는 공기를 사용하여, 15기압, 380℃의 운반가스 유동에 상기 분말을 주입하여 세라믹 모재에 전극을 형성하였다.

잘 알려진 바와 같이, 종래의 방법으로는 세라믹 기판에 구리를 코팅하기는 어렵다. 하지만, 본 발명의 실험에 의하면, 세라믹 기판에 구리의 코팅이 잘 이루어지고 있음을 알 수 있었다.

저온분사법을 이용한 전극의 제조방법 및 이에 의한 전극에 따르면, 종래에 비해 저온에서 금속 코팅층을 제조할 수 있으므로 모재에 열적 변형 또는 열 충격에 의한 손상을 유발할 염려가 없어 모재에 무관하게 전극을 형성할 수 있고, 모재와 코팅층 간 사이에 강한 부착력을 가지는 전극이 형성될 수 있다. 또한 본 발명은 상대적으로 낮은 온도에서 공정이 가능하므로, 제조비용이 저렴하며, 대형화가 용이한 장점이 있다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 본 발명에 의한 전극의 제조방법을 설명하는 흐름도이고, 도 2는 도 1의 흐름도를 구현하는 장치를 포함하여 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 실험예에 의한 구리 전극이 형성된 세라믹 부도체를 주사현미경으로 촬영한 사진이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

110; 가스압축기 120; 가스히터

130; 분말공급기 140; 분사용 노즐

150; 마스크 160; 전극

170; 모재

Claims (9)

1. 부도체의 모재를 제공하는 단계;

   단일금속, 상기 단일금속으로 이루어진 합금의 금속원소, 둘 이상의 상기 단일금속의 혼합분말 또는 상기 합금의 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비하는 단계;

   전극 패턴이 형성된 마스크를 상기 모재 상에 배치하는 단계; 및

   상기 준비된 코팅용 분말을 저온분사법으로 상기 모재에 상기 마스크의 형상대로 코팅하여 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온분사법을 이용한 전극의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 저온분사법은

   상기 준비된 코팅용 분말을 코팅용 분사노즐에 주입하는 단계; 및

   상기 분사노즐 내에 흐르는 운반가스의 유동에 의해 상기 코팅용 분말을 비용융 상태로 300 내지 1,200 ㎧의 속도로 가속하여 상기 모재의 표면에 코팅용 분말을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온분사법을 이용한 전극의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 코팅용 분말은 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 크롬, 티타늄 및 은으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나의 단일금속이거나, 상기 단일금속으로 이루어진 합금인 것을 특징으로 하는 저온분사법을 이용한 전극의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 모재는 세라믹 또는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 저온분사법을 이용한 전극의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 모재는 세라믹 기판이고 상기 전극은 구리인 것을 특징으로 하는 저온분사법을 이용한 전극의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 코팅하는 단계에서 모재를 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온분사법을 이용한 전극의 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 코팅하는 단계 이후에 상기 코팅된 분말과 다른 금속분말을 저온분사법으로 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온분사법을 이용한 전극의 제조방법.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 의해 제조되는 저온분사법을 이용한 전극.
9. 제8항에 있어서, 상기 전극은 커패시터의 전극, 전자부품의 와이어 본딩의 패드 또는 솔더링의 범프인 것을 특징으로 하는 저온분사법을 이용한 전극.

Images