KR20100080120A

KR20100080120A - 인쇄회로 소결방법

Info

Publication number: KR20100080120A
Application number: KR1020080138752A
Authority: KR
Inventors: 황준영; 강경태; 강희석; 이상호; 문승재
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2010-07-08

Abstract

본 발명은 인쇄회로 소결방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 상에 도전성 패턴을 인쇄하고, 오븐에 의해 열을 가하여 회로를 소결하는 인쇄회로 소결방법에 있어서, 상기 기판의 면에 이멀젼(emulsion)상태의 금속 나노입자를 갖는 도전성 잉크를 이용하여 회로를 인쇄하고, 상기 인쇄된 도전성 잉크 회로에 레이저를 조사하여 상기 레이저의 열에 의해 상기 잉크 중 포함된 다수의 나노입자들이 상호 용융되어 열융착 됨에 따라 기판 상에 도전성 회로 패턴을 소결시킨다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 레이저에 의해 가열이 필요한 도전성 잉크 회로를 가열시켜 회로 패턴을 소결함에 따라 사용되는 기판 재질에 대한 제한이 없어 모든 인쇄회로 소결 시 사용이 가능하고, 이에 따라 작업 효율을 향상시킬 수 있다.

기판, 회로, 패턴, 나노입자 잉크, 가열

Description

인쇄회로 소결방법{Sintering method of printed circuit by laser writing}

본 발명은 인쇄회로 소결방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 상에 도전성 잉크를 이용하여 회로를 인쇄하고, 인쇄된 회로에 레이저를 이용하여 열을 가함에 따라 회로 패턴을 용이하게 기판에 소결시킬 수 있는 인쇄회로 소결방법에 관한 것이다.

일반적으로, PCB 공정에서 패턴을 형성하는 방식은 전면에 걸쳐 동이 입혀진 기판에서 필요한 패턴 부분만 남기고 불필요한 부분의 동은 에칭(etching)공정을 통해 없애는 방식이다.

반면에 잉크젯 분사 방식은 패턴을 형성하고자 하는 부분을 따라 전도성 물질(현재는 은(Ag) 입자를 많이 사용하고 있음)을 함유한 액체를 분사한 후 분사한 액체 중 전도성 물질만 남기고 분사를 위해서 필요했던 전도성 물질을 포함하고 있었던 액체는 없애는 즉, 비산시키는 방식(열을 가해주어 없애는 방식을 사용)을 사용한다.

산업기술의 발전으로 다양한 기능 구현과 소형화가 요구되어지는 추세에 따 라 가볍고, 얇고, 강하며, 작은 크기의 PCB 기판이 요구되고 있으며, 이러한 요구사항을 확보하기 위하여 기본적으로 미세 패턴 구현이 따라야 하고, 미세하게 구현한 패턴의 신뢰성이 확보되어야 한다.

따라서 현재 PCB 공정에서 공통적으로 요구되어지는 사항은 '경박단소'이다.

미세 패턴의 신뢰성을 확보하기 위해 최근 주로 사용되는 기술은 회로기판의 미세패턴을 잉크젯 패터닝으로 형성시키는 기술을 사용한다.

잉크젯 방식은 미세패턴을 기판 상에 직접 형성할 수 있기 때문에 종래의 리소그래피를 사용한 인쇄기술과 같이, 진공성막, 포토리소, 에칭, 레지스트 박리공정의 비용이 드는 공정을 생략할 수 있어 저렴한 가격으로 회로기판을 제작할 수 있는 효과가 있다.

잉크젯 패터닝 방식은 기판을 처리하지 않은 상태에서 잉크를 50㎛ 노즐에서 분사를 하면 잉크가 노즐에서 토출될 때 액적(drop)의 지름이 1.5배 정도 증가하며 무처리 기판에 액적이 떨어질 때 수배로 퍼지는 현상이 있어 미세패턴(배선)의 폭은 분사노즐의 수배가 되는 문제점이 있다.

또한, 잉크젯 패터닝 기술은 잉크젯 노즐의 분사조건만을 가지고 선폭을 조절하므로 잉크의 점성, 토출량, 잉크젯 노즐의 직경에 따라 미세 선폭 구현이 좌우되며, 기존 기판의 특성을 조절하여 선폭제어를 위한 방법으로는 분사 시 기판가열 방법을 사용하는 것이 대부분이였다.

하지만, 분사 시 기판을 가열하는 방법은 잉크 토출 시 노즐의 막힘 현상을 유발할 뿐만 아니라 패턴형상의 coffee stain effect를 야기한다.

또한, 단순히 기판을 소수성 처리만 하여 잉크의 접촉각을 높여 미세패턴을 형성하는 기술을 제안되고 있으나, 잉크의 특성에 따라 분사 직 후 기판에서의 인쇄된 액적의 뭉침 현상으로 패턴의 형상이 불규칙해지는 현상이 발생한다.

또한, 다각도 기판 처리 방식은 접촉각을 작게 하는 효과가 주를 이루고 있으나 접촉각을 작게 한 상태에서 액적과 액적을 오버랩(overlap)시켜 라인을 형성하는 단계에서는 한 액적과 다음 액적의 충돌현상 회피의 어려움으로 인한 라인형성의 어려움과 균일하지 못한 라인 형상의 문제점을 내포하고 있다.

그리고 접촉각을 증가시켜 선폭을 줄이기 위한 기존 소수성 처리 기판은 액적과 액적이 오버랩 될 때 액적과 액적이 기판에 anchor 되지 못하고 액적간의 인력에 의해 더 큰 액적이 형성될 뿐 라인을 형성하지 못하는 문제점이 있었다.

특히, 분사된 액체를 비산은 오븐에 의해 이루어지고 있으나, 이 액체의 비산을 위해 필요한 온도가 기판을 변형시키는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로써, 기판 상에 금속 나노입자 잉크 회로를 인쇄하고, 이 금속 나노입자 잉크 회로를 레이저를 이용하여 가열함에 따라 기판 상에 회로 패턴을 용이하게 소결시킬 수 있다.

그리고 레이저는 인쇄된 금속 나노입자 잉크만 가열함에 따라 종래 오븐에서 전체적 가열에 의한 기판의 변형을 방지할 수 있어 재료의 제한이 없이 용이하게 회로 패턴을 형성시킬 수 있는 인쇄회로 소결방법을 제공하는 것이 목적이다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명은, 기판 상에 도전성 패턴을 인쇄하고, 오븐에 의해 열을 가하여 회로를 인쇄하는 인쇄회로 소결방법에 있어서, 상기 기판의 면에 이멀젼(emulsion)상태의 금속 나노입자를 갖는 도전성 잉크를 이용하여 회로를 인쇄하고, 상기 인쇄된 도전성 잉크 회로에 레이저를 조사하여 상기 레이저의 열에 의해 상기 잉크 중 포함된 다수의 나노입자들이 상호 용융되어 열융착 됨에 따라 기판 상에 도전성 회로 패턴을 소결시킨다.

바람직하게, 상기 레이저는 집광렌즈를 통해 일정한 크기로 집광되어 상기 기판에 인쇄된 도전성 잉크 회로에만 집광된 레이저를 조사하여 상기 도전성 잉크 회로가 없는 기판 부위의 손상을 방지한다.

그리고 상기 인쇄된 도전성 잉크 회로를 따라 상기 레이저가 이동되는 것과 상기 기판이 이동되는 것 중 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 도전성 잉크의 나노입자들을 열융착 시킨다.

또한, 상기 레이저는 실린더렌즈를 통해 시트빔(sheet beam) 형태의 집광된 빛을 상기 기판에 조사하여 상기 잉크 회로에 포함된 나노입자들을 열융착 시킨다.

그리고 상기 도전성 잉크 회로가 인쇄된 기판을 따라 상기 레이저가 이동되는 것과 상기 기판이 이동되는 것 중 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 도전성 잉크의 나노입자들을 열융착 시킨다.

또한, 상기 레이저는 상기 기판의 폭방향을 따라 다수 개 배열시킨다.

그리고 상기 도전성 잉크 회로가 인쇄된 기판의 길이방향을 따라 상기 다수의 레이저가 이동되는 것과 상기 기판이 길이방향으로 이동되는 것 중 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 도전성 잉크 회로의 나노입자들을 열융착 시킨다.

또한, 상기 레이저는 그 외측에 불활성 기체를 공급하여 회로의 산화와 상기 기판의 손상을 방지한다.

그리고 상기 불활성 기체는 질소, 아르곤, 이산화탄소 중 선택된 어느 하나 이상 사용된다.

또한, 상기 도전성 잉크 회로의 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 선택된 어느 하나 이상으로 형성된다.

그리고 상기 기판은 투명성과 유연성을 가지는 유기박막형이며, 폴리에틸렌테레프텔레이트(PET)수지와 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)수지, 폴리에스터설폰(PES)수지, 폴리카보네이트(PC)수지, 폴리이미드(PI)수지, 아릴라이트(Arylite) 수지, 시클릭 올레핀 공중합체(COC)수지, PMMA(Poly Methyl Methacrylate)수지, 폴리아미드(PA)수지, 폴리에테르이미드(PEI)수지 계열 소재 중 선택된 어느 하나 이상으로 형성된다.

또한, 상기 레이저에 대한 상기 도전성 잉크 회로의 광 흡수율은 상기 기판의 광 흡수율보다 크다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 인쇄회로 소결방법에 의하면, 레이저에 의해 가열이 필요한 도전성 잉크 회로를 가열시켜 회로를 소결함에 따라 사용되는 기판 재질에 대한 제한이 없어 모든 인쇄회로 소결 시 사용이 가능하고, 이에 따라 작업 효율을 향상시킬 수 있게 하는 매우 유용하고 효과적인 발명이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

또한, 본 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고 단지 예시로 제시된 것이며, 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 레이저 이동에 의한 회로 소결을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 기판 이동에 의한 회로 소결을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 다른 실시 예를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 다른 실시 예에서 레이저 이동에 의한 회로 소결을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 다른 실시 예에서 기판 이동에 의한 회로 소결을 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 다른 실시 예에서 다수의 레이저 사용에 의한 회로 소결을 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 다른 실시 예에서 다수의 레이저 사용에 의한 회로 소결의 평면도를 도시한 도면이며, 도 9는 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 또 다른 실시 예를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 레이저 강조에 의한 영향을 도시한 도면이며, 도 11은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 레이저 조사시간 또는 스캔속도에 대한 영향을 도시한 도면이다.

도면에서 도시한 바와 같이, 인쇄회로 소결방법은 기판(10)의 면에 이멀젼(emulsion)상태의 금속 나노입자를 갖는 도전성 잉크(20)를 이용하여 회로를 인쇄하고, 인쇄된 도전성 잉크 회로(20)에 레이저(30)를 조사한다.

조사된 레이저(30)는 잉크 회로(20)에 열을 가하여 잉크 회로(20) 중 포함된 다수의 나노입자들이 상호 용융되어 열융착 됨에 따라 기판(10) 상에 도전성 패턴(40)을 소결시킨다.

이러한 레이저(30)는 집광렌즈(31)를 통해 일정한 크기로 집광되어 기판(10)에 인쇄된 도전성 잉크 회로(20)에만 집광된 레이저(30)를 조사함에 따라 도전성 잉크 회로(20)가 없는 기판(10) 부위의 손상을 방지하게 된다.

도전성 잉크 회로(20)만 가열시키는 레이저(30)는 도 2와 도 3에서 도시한 바와 같이, 레이저(30)를 이동시키는 것과 기판(10)을 이동시키는 것 중 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 사용되어 도전성 잉크 회로(20)의 나노입자들을 열융착시킨다.

먼저 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저(30)가 이동되는 경우, 레이저(30)를 기 설정된 인쇄회로를 따라 자동으로 이동되어 인쇄된 도전성 잉크 회로(20)에 열을 가하여 나노입자들을 열융착시킨다.

그리고 도 3에 도시한 바와 같이, 기판(10)이 이동되는 경우, 레이저(30)가 고정되고, 기 설정된 인쇄회로를 따라 기판(10)이 이동되는 것으로, 기판(10)을 고정하여 이동시키는 별도의 테이블이 구비되어 기판(10)을 이동시키며 회로를 소결시킨다.

도 4에 도시한 바와 같이, 레이저(30)는 시트빔(sheet beam) 형태의 집광된 빛을 조사할 수 있는 것으로, 실린더렌즈(32)를 통해 시트빔(sheet beam) 형태의 집광된 빛을 기판(10)에 조사하여 도전성 잉크 회로(20)에 포함된 나노입자들을 열융착시키게 된다.

이 시트빔(sheet beam) 형태의 집광 레이저(30)는 도 5 내지 도 6에서 도시된 바와 같이, 레이저(30)를 이동시키는 것과 기판(10)을 이동시키는 것 중 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 사용되어 도전성 잉크 회로(20)의 나노입자들을 열융착시킨다.

도 5에 도시된 바와 같이, 레이저(30)가 이동되는 경우, 레이저(30)를 기 설정된 이동경로를 따라 이동시키는 것으로, 도전성 잉크 회로(20)가 인쇄된 기판(10)의 상측면을 따라 레이저(30)가 이동되어 인쇄된 도전성 잉크 회로(20)에 열을 가하여 나노입자들을 열융착시킨다.

그리고 도 6에 도시한 바와 같이, 기판(10)이 이동되는 경우, 레이저(30)가 고정되고, 기 설정된 인쇄회로를 따라 기판(10)이 이동되는 것으로, 기판(10)을 고정하여 이동시키는 별도의 테이블이 구비되어 기판(10)을 이동시키며 회로를 소결시킨다.

한편, 레이저(30)는 기판(10)의 폭방향을 따라 다수 개 배열될 수 있는 것으로, 다수의 레이저(30)와 하나의 기판(10)이 한 방향으로 이동되어 도전성 잉크 회로(20)를 기판(10)에 소결시키게 된다.

이와 같은 소결방식은 도 8에서 도시한 바와 같이, 도전성 잉크 회로(20)가 인쇄된 기판(10)의 길이방향을 따라 다수의 레이저(30)가 이동되는 것과 기판(10)이 길이방향으로 이동되는 것 중 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 도전성 잉크 회로(20)의 나노입자들을 열융착시킨다.

그리고 도 9에 도시된 바와 같이, 레이저(30)는 그 외측에 불활성 기체(50)를 공급하여 회로의 산화와 기판(10)의 손상을 방지하게 된다.

이때, 불활성 기체(50)는 질소, 아르곤, 이산화탄소 중 선택된 어느 하나 이 상 사용됨이 바람직하다.

또한, 도전성 잉크 회로(20)의 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 선택된 어느 하나 이상으로 형성됨이 바람직하다.

그리고 기판(10)은 투명성과 유연성을 가지는 유기박막형이며, 폴리에틸렌테레프텔레이트(PET)수지와 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)수지, 폴리에스터설폰(PES)수지, 폴리카보네이트(PC)수지, 폴리이미드(PI)수지, 아릴라이트(Arylite)수지, 시클릭 올레핀 공중합체(COC)수지, PMMA(Poly Methyl Methacrylate)수지, 폴리아미드(PA)수지, 폴리에테르이미드(PEI)수지 계열 소재 중 선택된 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.

이는, 레이저(30)에 의해 가열되는 부분이 인쇄된 도전성 잉크 회로(20) 부분이기 때문에 열에 약한 재질로 이루어진 기판에도 회로를 소결시킬 수 있다.

특히, 레이저(30)의 외측에 불활성기체(50)가 공급됨에 따라 열에 약한 재질로 이루어진 기판(10)에 회로를 더욱 용이하게 소결시킬 수 있는 것이다.

그리고 도전성 잉크 회로(20)의 광 흡수율은 기판(10)의 광 흡수율보다 크게 형성되어 레이저(30)의 광을 기판(10)이 흡수하는 것을 방지함이 바람직하다.

이와 같은 인쇄회로 소결방법은 도 10에서 도시된 바와 같이, 레이저(30) 강도가 증가될수록 도전성 회로 패턴(40)의 저항이 감소되는 것을 알 수 있고, 도 11에서 도시된 바와 같이, 레이저(30) 조사시간이 증가될수록(스캔 속도가 감소할수록) 도전성 회로 패턴(40)의 저항이 감소되는 것을 알 수 있습니다.

도 1은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법을 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 레이저 이동에 의한 회로 소결을 도시한 도면이며,

도 3은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 기판 이동에 의한 회로 소결을 도시한 도면이고,

도 4는 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 다른 실시 예를 도시한 도면이며,

도 5는 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 다른 실시 예에서 레이저 이동에 의한 회로 소결을 도시한 도면이고,

도 6은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 다른 실시 예에서 기판 이동에 의한 회로 소결을 도시한 도면이며,

도 7은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 다른 실시 예에서 다수의 레이저 사용에 의한 회로 소결을 도시한 도면이고,

도 8은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 다른 실시 예에서 다수의 레이저 사용에 의한 회로 소결의 평면도를 도시한 도면이며,

도 9는 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 또 다른 실시 예를 도시한 도면이고,

도 10은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 레이저 강조에 의한 영향을 도시한 도면이며,

도 11은 본 발명에 따른 인쇄회로 소결방법의 레이저 조사시간 또는 스캔속도에 대한 영향을 도시한 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 기판 20 : 잉크 회로

30 : 레이저 32 : 실린더렌즈

40 : 회로 패턴

Claims

기판 상에 도전성 패턴을 인쇄하고, 열을 가하여 인쇄된 패턴을 소결시키는 인쇄회로 소결방법에 있어서,

상기 기판의 면에 이멀젼(emulsion)상태의 금속 나노입자를 갖는 도전성 잉크를 이용하여 회로를 인쇄하고, 상기 인쇄된 도전성 잉크 회로에 레이저를 조사하여 상기 레이저의 열에 의해 상기 잉크 중 포함된 다수의 나노입자들이 상호 용융되어 열융착 됨에 따라 기판 상에 도전성 회로 패턴을 소결시키는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.
제1항에 있어서,

상기 레이저는 집광렌즈를 통해 일정한 크기로 집광되어 상기 기판에 인쇄된 도전성 잉크 회로에만 집광된 레이저를 조사하여 상기 도전성 잉크 회로가 없는 기판 부위의 손상을 방지하는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.
제2항에 있어서,

상기 인쇄된 도전성 잉크 회로를 따라 상기 레이저가 이동되는 것과 상기 기판이 이동되는 것 중 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 도전성 잉크의 나노입자들 을 열융착 시키는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.
제1항에 있어서,

상기 레이저는 실린더렌즈를 통해 시트빔(sheet beam) 형태의 집광된 빛을 상기 기판에 조사하여 상기 잉크 회로에 포함된 나노입자들을 열융착 시키는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.
제4항에 있어서,

상기 도전성 잉크 회로가 인쇄된 기판을 따라 상기 레이저가 이동되는 것과 상기 기판이 이동되는 것 중 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 도전성 잉크의 나노입자들을 열융착 시키는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.
제4항에 있어서,

상기 레이저는 상기 기판의 폭방향을 따라 다수 개 배열되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.
제6항에 있어서,

상기 도전성 잉크 회로가 인쇄된 기판의 길이방향을 따라 상기 다수의 레이저가 이동되는 것과 상기 기판이 길이방향으로 이동되는 것 중 선택된 어느 하나 이상의 방법으로 도전성 잉크 회로의 나노입자들을 열융착 시키는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.
제1항에 있어서,

상기 레이저는 그 외측에 불활성 기체를 공급하여 회로의 산화와 상기 기판의 손상을 방지하는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.
제8항에 있어서,

상기 불활성 기체는 질소, 아르곤, 이산화탄소 중 선택된 어느 하나 이상 사용되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.
제1항에 있어서,

상기 도전성 잉크 회로의 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 선택된 어느 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결 방법.
제1항에 있어서,

상기 기판은 투명성과 유연성을 가지는 유기박막형이며, 폴리에틸렌테레프텔레이트(PET)수지와 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)수지, 폴리에스터설폰(PES)수지, 폴리카보네이트(PC)수지, 폴리이미드(PI)수지, 아릴라이트(Arylite)수지, 시클릭 올레핀 공중합체(COC)수지, PMMA(Poly Methyl Methacrylate)수지, 폴리아미드(PA)수지, 폴리에테르이미드(PEI)수지 계열 소재 중 선택된 어느 하나 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.
제1항에 있어서,

상기 레이저에 대한 상기 도전성 잉크 회로의 광 흡수율은 상기 기판의 광 흡수율보다 큰 것을 특징으로 하는 인쇄회로 소결방법.