KR20160118587A

KR20160118587A - 3d 회로부품 제조방법

Info

Publication number: KR20160118587A
Application number: KR1020150046922A
Authority: KR
Inventors: 김호찬; 윤해룡
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2016-10-12

Abstract

3D 회로부품 제조방법에 관한 것으로,
플라스틱 수지로 비전도성 본체를 사출 성형하는 단계; 상기 비전도성 본체의 외부 표면에 회로패턴을 형성하는 단계; 상기 회로패턴에 전도성 폴리머를 도포하는 단계; 상기 회로패턴에 레이저를 조사하여 전도성 폴리머를 비전도성 본체에 용착하는 단계;를 포함하는 기술 구성을 통하여
3D 회로부품을 간편하게 제조할 수 있게 되어 생산성 향상과 원가절감을 도모할 수 있게 되는 것이다.

Description

3D 회로부품 제조방법 { MANUFACTURING METHOD OF 3D CIRCUIT DEVICE }

본 발명은 3D 회로부품 제조방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 비전도성 재료의 표면에 전도성 재료를 분사 용융하는 것에 관한 것이다.

오늘날의 전자기기는 사용자의 안전 및 편리성을 위해서 수많은 센서 및 전자 장치가 사용되고 있으며, 시간이 갈수록 더욱 지능화 되어가고 있다.

이러한 전자기기의 지능화는 센서, 버튼, 플러그, 연결 단자 등의 수많은 전기 신호를 빠른 시간에 제어해야 가능해진다.

이를 위해서는 수많은 배선이 필요하며, 배선의 직접화가 필수적이다.

기존의 자동차의 전장 제품 및 각종 전자제품에서는 신호 및 전력을 별도의 배선과 커넥터를 이용하여 연결하였다.

그러나 이것은 많은 부품을 필요로 함은 물론 수작업으로 조립되어야 하며, 다수의 공정을 거쳐 조립되어 많은 노동력과 비용이 소요된다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 최근 들어, 3D-AMIDs(3D Additive Molded Interconnect Devices) 기술이 부상하고 있으며, 이는 기존의 PCB와 각종 배선을 사출 성형으로 제작된 플라스틱 부품의 표면에 다양한 방법으로 전자 회로를 직접 주사 및 도금을 함으로써 기존의 배선을 대체하는 공정 기술이다.

이 방식은 일체화된 3차원 기계 도면과 2차원 전자회로 도면을 이용하여 기계 부품 및 전자 회로 형성을 가능하게 한다.

하지만, 전자 회로를 사출 부품의 표면에 입히기 위해서 기계 부품을 레이저 등으로 표면 처리를 해야 하며, 최종적으로 도금하는 공정이 필요하다.

도 1은 레이저 식각 방식의 회로부품 제조공정도이다.

레이저 식각 (LDS;Laser Direct structuring) 방식은 전도성 재료와 비전도성 재료가 혼합된 재료를 원하는 형상으로 사출한 후 재료의 표면에 레이저를 조사하여 비전도성 물질을 제거하고 전도성 물질만 표면에 남게 하여 전도성 물질에 도금을 하는 방식이다.

상기 LDS 방식은 플라스틱 표면에 도금을 하기 위하여 전도성 물질과 비전도성 물질인 열가소성 수지를 혼합한 후 레이저로 식각하여 회로패턴을 형성하고, 형성된 회로패턴에 전도성 물질의 씨드를 도금하여 최종 회로를 형성한다.

그러나 상기 LDS 방식은 도금이 쉽지 않은 단점이 있다.

즉, LDS 방식으로 회로를 제작할 경우 비전해 도금을 하는데 도금 씨드가 미세하게 표면에 있기 때문에 여러 공정의 도금 절차를 거처여야만 도금이 가능할 뿐 아니라 레이저로 식각하여 회로패턴을 형성하더라도 도금을 하지 않고서는 사용할 수 있는 단점이 있다.

하기의 특허문헌 1에는 중합체 수지를 사출 성형하고, 회로를 형성하고, 접착 촉진제 도포 및 무전해 도금하고, 전구 소켓 및 스위치 접점을 마련하는 스위치 조립체의 제조 과정이 개시되어 있다.

국제공개공보 WO99/28161 (1999년 06월 10일 공개)

종래 기술에 따른 3D 회로부품 제조방법은 회로패턴의 식각 및 도금작업이 번거롭게 되어 생산성이 떨어지게 되는 등의 문제가 있었다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 보다 간편하게 플라스틱 사출 본체의 표면에 회로패턴을 형성할 수 있도록 하여 생산성 향상을 도모할 수 있도록 하는 3D 회로부품 제조방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법은 플라스틱 수지로 비전도성 본체를 사출 성형하는 단계; 상기 비전도성 본체의 외부 표면에 회로패턴을 형성하는 단계; 상기 회로패턴에 전도성 폴리머를 도포하는 단계; 상기 회로패턴에 레이저를 조사하여 전도성 폴리머를 비전도성 본체에 용착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법은 상기 플라스틱 수지로 비전도성 본체를 사출 성형하는 단계에서 플라스틱 용융온도가 200℃~230℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법은 상기 회로패턴에 조사되는 레이저의 사용온도가 190℃~230℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법은 상기 회로패턴에 도포되는 전도성 폴리머의 적층 두께는 200㎛~400㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법은 상기 회로패턴에 도포되는 전도성 폴리머가 구리와 철을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법은 상기 회로패턴에 도포되는 전도성 폴리머의 평균직경이 1㎛~10㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법은 상기 회로패턴에 도포되는 전도성 폴리머의 사용온도가 300℃~400℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법에 의하면, 비전도성 본체를 사출 성형한 후 회로패턴을 형성하고, 도전성 폴리머를 도포한 후 레이저로 융착하는 간단한 과정을 통해 3D 회로부품을 제조할 수 있게 되므로 생산성 향상과 원가절감을 도모할 수 있게 된다.

도 1은 레이저 식각 방식의 회로부품 제조공정도,
도 2는 본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법의 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법의 제조공정도,
도 4는 3D 프린팅 장치의 토출부의 개략도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 회로부품의 레이저 파워별 측정 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 동 실시 예에 따른 3D 회로부품의 전도성 폴리머의 성분 함량을 분석한 사진 및 그래프,
도 7은 동 실시 예에 따른 3D 회로부품의 회로패턴을 나타낸 사진.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3D 회로부품 제조방법을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

도 2는 본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법의 제조공정도이다.

도 2 및 도 3과 같이 본 발명에 따른 3D 회로부품 제조방법은

플라스틱 수지로 비전도성 본체를 사출 성형하는 단계;

상기 비전도성 본체의 외부 표면에 회로패턴을 형성하는 단계;

상기 회로패턴에 전도성 폴리머를 도포하는 단계;

상기 회로패턴에 레이저를 조사하여 전도성 폴리머를 비전도성 본체에 용착하는 단계;를 포함한다.

상기 플라스틱 수지로 비전도성 본체를 사출 성형하는 단계에서 플라스틱 용융온도는 200℃~230℃가 바람직하고, 레이저의 사용온는 190℃~230℃가 바람직하다.

또한, 회로패턴에 도포되는 전도성 폴리머의 적층 두께는 200㎛~400㎛가 바람직하다.

또한, 상기 전도성 폴리머는 구리와 철을 포함하는 것을 사용하는 것이 좋으며, 전도성 폴리머의 크기는 평균직경 1㎛~10㎛의 것이 바람직하다.

상기 전도성 폴리머의 입자가 작으면 용융 후 응착과정에서 표면으로 분포시키는 데에 어려움이 있게 된다.

상기 전도성 폴리머의 사용온도는 300℃~400℃의 것이 바람직하며, 이는 플라스틱 수지로 사출 성형된 비전도성 본체에 레이저를 조사할 때에 용융되지 않고 고체상태를 유지할 수 있도록 하기 위함이다.

[실시 예]

실시 예에서 3D 프린팅 장치의 토출부는 FDM 방식을 채택하여 개발하였다.

FDM 방식은 ABS, PLA 과 같은 열 가소성 수지를 용하여 토출하여 구조물을 제작하는 3D 프린팅 방식이다.

도 4는 3D 프린팅 장치의 토출부의 개략도이다.

토출부의 시스템에는 온도컨트롤러 공압 컨트롤러의 2가지 컨트롤 시스템이 있다.

온도 컨트롤 시스템은 재료를 녹이기 위해 실린지의 온도를 컨트롤하여 재료를 토출할 수 있도록 하는 시스템이고, 공압 컨트롤 시스템은 실린지의 재료를 토출할 수 있도록 하는 시스템이다.

실시 예에서 공압 컨트롤 시스템은 IEI(Iwashita Engineering, Inc)의 ACCURA 8DX 디스펜서(Disepensers)를 사용하였다.

ACCURA 8DX는 재료의 잔량 표시가 가능하고 진공 전용 레귤레이터가 장착되어 있어 진공 압력의 디지털 제어가 가능하다.

그리고 온도 컨트롤 시스템은 IEI(Iwashita Engineering, Inc)의 TCD200EX 모델을 사용하였다.

실시 예에서는 총 2가지 재료를 사용하여 실험을 진행하였다.

먼저 구조물을 열 가소성 수지인 ABS를 사용하여 구조물을 제작하였다.

그리고 전도성 소재인 전도성 폴리머 Coreron-A4 (POLYMERITS.CO)를 사용하였다.

구조물의 제작은 제작물 표면에 전도성 폴리머를 도포한 후 레이저를 이용하여 패턴을 형성하였다.

전도성 폴리머를 열가소성 수지(ABS)를 도포한 후 레이저의 식각을 통해 열가소성 수지의 용융되는 과정에서 전도성 폴리머가 ABS에 흡착하는 방식을 이용하여 3D 회로부품을 제작하였다.

또한, 실시 예에서 레이저의 파워에 따른 전도성 폴리머의 응착률과 전기 전도도를 측정하여 실험을 진행하였다.

실시 예에서 사용된 CO₂ 레이저는 60W 급의 레이저이다.

60W 급 레이저의 1%~7% 의 파워에 따른 응착률과 전기 전도도를 측정 하였다.

실시 예에서는 열 가소성 수지 표면에 길이 12mm 의 직사각형의 모양으로 패턴을 제작한 후 CO₂ 레이저의 파워 별로 길이에 따른 저항을 측정하였다.

그리고 또한 길이 15mm 두께 1mm 의 선의 저항도 CO₂ 레이저의 파워별로 측정하였다.

상기 레이저 파워별 측정 결과는 도 5와 같다.

그리고 또한 열 가소성 수지 표면에 전도성 폴리머의 응착을 관찰하기 위해 SEM 을 이용해 촬영하였다.

ABS 표면위에 응착된 전도성 폴리머의 성분인 Cu와 Fe에 대한 성분 함량을 분석한 데이터는 도 6 과 표 1에 나타나 있다.

(a) 1% 표면 파우더 구성
Elt.	Line	Atomic %	Conc	Units
Fe	Ka	2.632	0.774	wt.%
Cu	Ka	2.511	0.840	wt.%
Au	La	94.857	98.386	wt.%
		100.000	100.000	wt.%	Total
(b) 3% 표면 파우더 구성
Elt.	Line	Atomic %	Conc	Unis
Fe	Ka	4.965	1.502	wt.%
Cu	Ka	4.057	1.397	wt.%
Au	La	90.978	97.101	wt.%
		100.000	100.000	wt.%	Total
(b) 5% 표면 파우더 구성
Elt.	Line	Atomic %	Conc	Units
Fe	Ka	3.881	1.146	wt.%
Cu	Ka	1.727	0.580	wt.%
Au	La	94.392	98.274	wt.%
		100.000	100.000	wt.%	Total

성분 분석에 따르면 레이저의 파워에 따라 Cu 와 Fe 의 성분이 다른 것을 볼 수 있다.

Cu 와 Fe는 전기 전도도에 많을 영향을 주는 인자이다.

이는 열가소성 수지(비전도성 물질) 표면에 도금하기 위한 중요한 인자로서 성분이 많이 들어갈수록 전기 전도도가 뛰어나 도금을 하기 쉽다.

실시 예에서는 3 차원 열 가소성 수지 표면에 전도성 고분자 물질을 도포하여 레이저의 파워에 따른 응착률과 표면에 대해 관찰하였다.

상기 실시 예를 통해 LDS 방식에서 벗어나 다른 방식의 도금 씨드 방식을 개발하는데 큰 성과를 이루었고, 도 7과 같은 회로 패턴을 가지는 도금 씨드를 형성하였다.

이는 기존의 LDS 방식보다 큰 전기 전도도를 가지는 도금 씨드를 제작하여 회로 도금을 효과적으로 할 수 있도록 제작한 것이다.

상기 실시 예를 통해 도금 씨드 형성에 있어서 레이저의 파워에 따른 전도성 고분자 물질의 응착률과 재료에 성분을 분석하고, 도금을 하기 위해서 레이저 파워에 따른 표면을 측정하여 도금을 하기 위한 최적의 데이터를 얻었다.

전도성 폴리머에 포함되어 있는 전도성 물질이 레이져의 파워에 따른 포함 비율을 측정하였다.

상기 실시 예에서 레이저의 파워가 6% 이상이 되면 열 가소성 수지의 표면이 완전히 녹아 버리면서 전도성 고분자의 응착이 안 되는 것으로 측정되었다.

또한, 레이저의 파워가 1%~5%에 따른 전도성 고분자의 응착률을 측정한 결과 4%일 때 응착이 많이 되어 전기 전도도가 높은 것으로 확인하였다.

리고 도금을 하기 위해서 표면을 측정한 결과 레이저의 파워가 5%일 때 보다 3%일 때 더 일정한 표면을 갖는 것을 확인하였고, 전기 전도도 또한 3%와 4%일 때 가장 좋은 것을 확인하였다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

Claims

플라스틱 수지로 비전도성 본체를 사출 성형하는 단계;
상기 비전도성 본체의 외부 표면에 회로패턴을 형성하는 단계;
상기 회로패턴에 전도성 폴리머를 도포하는 단계;
상기 회로패턴에 레이저를 조사하여 전도성 폴리머를 비전도성 본체에 용착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 회로부품 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 플라스틱 수지로 비전도성 본체를 사출 성형하는 단계에서 플라스틱 용융온도는 200℃~230℃인 것을 특징으로 하는 3D 회로부품 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 회로패턴에 조사되는 레이저의 사용온도는 190℃~230℃인 것을 특징으로 하는 3D 회로부품 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 회로패턴에 도포되는 전도성 폴리머의 적층 두께는 200㎛~400㎛인 것을 특징으로 하는 3D 회로부품 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 회로패턴에 도포되는 전도성 폴리머는 구리와 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 회로부품 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 회로패턴에 도포되는 전도성 폴리머의 평균직경은 1㎛~10㎛인 것을 특징으로 하는 3D 회로부품 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 회로패턴에 도포되는 전도성 폴리머의 사용온도는 300℃~400℃인 것을 특징으로 하는 3D 회로부품 제조방법.