KR20170024455A - 도전성 패턴 형성용 조성물 및 도전성 패턴을 가지는 수지 구조체 - Google Patents

도전성 패턴 형성용 조성물 및 도전성 패턴을 가지는 수지 구조체 Download PDF

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KR20170024455A
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Abstract

본 발명은 각종 고분자 수지 제품 또는 수지층 상에 단순화된 공정으로 미세한 도전성 패턴을 형성할 수 있으며, 우수한 방열 특성을 나타내는 도전성 패턴 형성용 조성물 및 도전성 패턴을 가지는 수지 구조체에 관한 것이다. 상기 도전성 패턴 형성용 조성물은 고분자 수지; 특정 화학식을 가지는 비도전성 금속 화합물; 및 방열 소재를 포함하며, 전자기파 조사에 의해 상기 비도전성 금속 화합물로부터 금속핵이 형성되는 것이다.

Description

도전성 패턴 형성용 조성물 및 도전성 패턴을 가지는 수지 구조체 {COMPOSITION FOR FORMING CONDUCTIVE PATTERN AND RESIN STRUCTURE HAVING CONDUCTIVE PATTERN THEREON}
본 발명은 각종 고분자 수지 제품 또는 수지층 상에 단순화된 공정으로 미세한 도전성 패턴을 형성할 수 있으며, 우수한 방열 특성을 나타내는 도전성 패턴 형성용 조성물 및 도전성 패턴을 가지는 수지 구조체에 관한 것이다.
최근 들어 미세 전자 기술이 발전함에 따라, 각종 수지 제품 또는 수지층 등의 고분자 수지 기재(또는 제품) 표면에 미세한 도전성 패턴이 형성된 구조체에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 고분자 수지 기재 표면의 도전성 패턴은 전자 기기 케이스에 일체화된 안테나, 각종 센서, MEMS 구조체, RFID 태그 또는 각종 회로 기판 등의 다양한 대상물을 형성하는데 적용될 수 있다.
이와 같이, 고분자 수지 기재 표면에 도전성 패턴을 형성하는 기술에 대한 관심이 증가하면서, 이에 관한 몇 가지 기술이 제안된 바 있다. 그러나, 아직까지 이러한 기술을 보다 효과적으로 이용할 수 있는 방법은 제안되지 못하고 있는 실정이다.
예를 들어, 이전에 알려진 기술에 따르면, 고분자 수지 기재 표면에 금속층을 형성한 후 포토리소그라피를 적용하여 도전성 패턴을 형성하거나, 도전성 페이스트를 인쇄하여 도전성 패턴을 형성하는 방법 등이 고려될 수 있다. 그러나, 이러한 기술에 따라 도전성 패턴을 형성할 경우, 필요한 공정 또는 장비가 지나치게 복잡해지거나, 양호하고도 미세한 도전성 패턴을 형성하기가 어려워지는 단점이 있다.
이에 보다 단순화된 공정으로 고분자 수지 기재 표면에 미세한 도전성 패턴을 보다 효과적으로 형성할 수 있는 기술의 개발이 이전부터 요구되고 있는 실정이다.
한편, 각종 전기/전자 제품 및 자동차용 부품의 경우 소자의 고집적화 및 발열 소자의 채용 등으로 인해 도전성 회로 기판의 온도를 상승시켜 제반 성능을 악화시키고 안전성 및 수명을 저하시키는 문제가 있었다. 이에, 이러한 문제를 해결하기 위해 각종 전기/전자 제품 및 자동차용 부품에 고방열 구조체가 필수적으로 채용되고 있다. 그러나, 통상적으로 사용되는 금속 알루미늄과 같은 방열판으로 인해 최근 전자 기기의 소형화 및 경량화 추세를 따라가지 못하고 있으며, 제조 공정이 복잡하다는 문제가 발생되고 있다. 이에 따라, 전자 기기의 기존의 기능을 그대로 발현하면서도 경량화 및 소형화하기 위한 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 각종 고분자 수지 제품 또는 수지층 상에 단순화된 공정으로 미세한 도전성 패턴을 형성할 수 있으며, 우수한 방열 특성을 나타내는 도전성 패턴 형성용 조성물을 제공한다.
본 발명의 또한, 상기 도전성 패턴 형성용 조성물로부터 도전성 패턴 형성 방법을 통해 형성된 도전성 패턴을 가지는 수지 구조체를 제공하는 것이다.
발명의 일 구현예에 따르면, 고분자 수지; 하기 화학식 1로 표시되는 비도전성 금속 화합물; 및 방열 소재로서 탄화물, 탄소계 소재, 질화계 소재, 금속 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함하고, 전자기파 조사에 의해, 상기 비도전성 금속 화합물로부터 금속핵이 형성되는 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물이 제공된다.
[화학식 1]
AX
상기 화학식 1에서, A는 화폐 금속 원소 [coinage metal element, 11족(IB족)]이고, X는 할로겐 [17족(VIIA족)] 이다.
일 구현예에 따른 도전성 패턴 형성용 조성물에서 상기 비도전성 금속 화합물은 CuI, CuCl, CuBr, CuF, AgI 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 비도전성 금속 산화물은 평균 입도가 0.1 내지 6㎛일 수 있다.
한편, 일 구현예에 따른 도전성 패턴 형성용 조성물은 상기 탄화물로서 탄화규소를 포함하거나; 탄소계 소재로서 카본블랙, 카본나노튜브, 흑연, 그래핀 또는 이들의 혼합물을 포함하거나; 질화계 소재로서 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄 또는 이들의 혼합물을 포함하거나; 혹은 금속 산화물로서 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화베릴륨, 산화아연 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
그리고, 일 구현예에 따른 도전성 패턴 형성용 조성물에서 상기 고분자 수지는 열 경화성 수지 또는 열 가소성 수지를 포함할 수 있고, 이의 보다 구체적인 예로는 ABS (Acrylonitile poly-butadiene styrene) 수지, 폴리알킬렌테레프탈레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리페닐에테르 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리프로필렌 수지 및 폴리프탈아미드 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
일 예로, 일 구현예에 따른 도전성 패턴 형성용 조성물에서 상기 비도전성 금속 화합물은 전체 조성물에 대해 0.1 내지 10 중량%로 포함되고, 상기 방열 소재는 전체 조성물에 대해 1 내지 50 중량%로 포함되며, 나머지 함량의 고분자 수지가 포함될 수 있다.
또한, 상기 도전성 패턴 형성용 조성물은 상술한 고분자 수지, 비도전성 금속 화합물 및 방열 소재 외에 난연제, 열 안정제, UV 안정제, 활제, 항산화제, 무기 충전제, 색 첨가제, 충격 보강제 및 기능성 보강제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
상술한 도전성 패턴 형성용 조성물을 사용하여, 수지 제품 또는 수지층 등의 고분자 수지 기재 상에, 전자기파의 직접 조사에 의해 도전성 패턴을 형성할 수 있다.
한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 고분자 수지 기재; 고분자 수지 기재에 분산되어 있는 하기 화학식 1로 표시되는 비도전성 금속 화합물; 고분자 수지 기재에 분산되어 있는 방열 소재로서 탄화물, 탄소계 소재, 질화계 소재, 금속 산화물 또는 이들의 혼합물; 소정 영역의 고분자 수지 기재 표면에 노출된 금속핵을 포함하는 접착활성 표면; 및 상기 접착활성 표면 상에 형성된 도전성 금속층을 포함하는 도전성 패턴을 가지는 수지 구조체가 제공된다.
[화학식 1]
AX
상기 화학식 1에서, A는 화폐 금속 원소 [coinage metal element, 11족(IB족)]이고, X는 할로겐 [17족(VIIA족)] 이다.
상기 수지 구조체에서, 접착활성 표면 및 도전성 금속층이 형성된 소정 영역은 상기 고분자 수지 기재에 전자기파가 조사된 영역에 대응할 수 있다.
본 발명에 따르면, 각종 고분자 수지 제품 또는 수지층 등의 고분자 수지 기재 상에, 레이저 등 전자기파를 조사하는 매우 단순화된 공정으로 미세한 도전성 패턴을 형성할 수 있게 하는 도전성 패턴 형성용 조성물과, 이로부터 형성된 도전성 패턴을 가지는 수지 구조체가 제공될 수 있다.
특히, 상기 도전성 패턴 형성용 조성물을 사용하면, 방열 구조체가 일체화된 수지 구조체를 성형할 수 있으며, 수지 구조체(각종 고분자 수지 제품 또는 수지층 등)의 다양한 색상을 구현하고자 하는 당업계의 요구를 보다 효과적으로 충족시키면서도, 이러한 수지 구조체 상에 양호한 도전성 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
따라서, 이러한 도전성 패턴 형성용 조성물 등을 이용해, 전기/전자 제품 및 자동차용 부품 등 각종 수지 제품 상의 도전성 회로 패턴, RFID 태그, 각종 센서, MEMS 구조체 등을 매우 효과적으로 형성할 수 있게 된다.
도 1은 발명의 일 구현예에 따른 도전성 패턴 형성용 조성물에 포함되는 비도전성 금속 화합물의 징크 블렌드 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 발명의 다른 일 구현예에 따른 도전성 패턴 형성용 조성물에 포함되는 비도전성 금속 화합물의 우르짜이트 구조를 3가지 방식으로 표현한 도면이다.
도 3은 기존의 전자 부품 기판의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 발명의 일 구현예에 따른 도전성 패턴 형성용 조성물을 이용해 제조한 전자 부품 기판의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 발명의 일 구현예에 따른 도전성 패턴 형성용 조성물을 사용하여 도전성 패턴을 형성하는 방법의 일 예를 공정 단계별로 간략화하여 나타낸 도면이다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 도전성 패턴 형성용 조성물과, 이로부터 형성된 도전성 패턴을 갖는 수지 구조체 등에 대해 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따르면 고분자 수지; 하기 화학식 1로 표시되는 비도전성 금속 화합물; 및 방열 소재로서 탄화물, 탄소계 소재, 질화계 소재, 금속 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함하고, 전자기파 조사에 의해, 상기 비도전성 금속 화합물로부터 금속핵이 형성되는 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물이 제공된다.
[화학식 1]
AX
상기 화학식 1에서, A는 화폐 금속 원소 [coinage metal element, 11족(IB족)]이고, X는 할로겐 [17족(VIIA족)] 이다.
보다 구체적으로, 상기 화폐 금속 원소로는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 렌트게늄(Rg) 등을 들 수 있으며, 상기 할로겐으로는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 요오드(I) 등을 들 수 있다.
상기 화학식 1로 표시되는 비도전성 금속 화합물은 상온에서 A 및 X 원소 중 어느 하나의 원소를 꼭지점으로 하는 4면체들이 서로 꼭지점을 공유하는 형태로 연결되며, 상기 4면체 내에 다른 하나의 원소가 포함되는 입체 구조를 가질 수 있다.
이러한 비도전성 금속 화합물을 포함한 도전성 패턴 형성용 조성물을 사용해 고분자 수지 제품 또는 수지층을 성형한 후, 레이저 등 전자기파를 조사하면, 상기 비도전성 금속 화합물로부터 금속핵이 형성될 수 있다. 이러한 금속핵은 전자기파가 조사된 소정 영역에서 선택적으로 노출되어 고분자 수지 기재 표면의 접착활성 표면을 형성할 수 있다. 이후, 상기 금속핵 등을 seed로 하여 도전성 금속 이온 등을 포함하는 도금 용액으로 무전해 도금하면, 상기 금속핵을 포함하는 접착활성 표면 상에 도전성 금속층이 형성될 수 있다. 이러한 과정을 통해, 상기 전자기파가 조사된 소정 영역의 고분자 수지 기재 상에만 선택적으로 도전성 금속층, 다시 말해서 미세한 도전성 패턴이 형성될 수 있다.
특히, 이와 같이 금속핵 및 접착활성 표면이 형성되어 전자기파 조사에 의해 보다 양호한 도전성 패턴의 형성이 가능하게 되는 주된 요인 중 하나로서, 일 구현예의 조성물에 포함되는 비도전성 금속 화합물이 갖는 특이한 입체 구조를 들 수 있다.
상기 화학식 1의 비도전성 금속 화합물은 상온에서 전술한 바와 같이 어느 하나의 원소를 꼭지점으로 하는 4면체들이 서로 꼭지점을 공유하는 형태로 연결되며, 상기 4면체 내에 다른 하나의 원소가 채워진 입체 구조를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 화학식 1로 표시되는 비도전성 금속 화합물은 상온에서 도 1과 같은 징크 블렌드(zinc blende) 구조를 가지거나 혹은 도 2와 같은 우르짜이트 (Wurtzite) 구조를 가질 수 있다. 상기 화학식 1로 표시되는 비도전성 금속 화합물 중 상온에서 징크 블렌드 구조를 가지는 화합물의 구체적인 예로는 CuI, CuCl, CuBr 또는 CuF 등을 들 수 있고, 우르짜이트 구조를 가지는 화합물의 구체적인 예로는 AgI 등을 들 수 있다. 이러한 입체 구조를 가지는 화학식 1의 비도전성 금속 화합물에 전자기파를 조사하면, 4면체 내부에 채워진 원소가 용이하게 방출되어 보다 쉽게 금속핵을 형성할 수 있다.
다만, 본 발명자들의 실험 결과, 이러한 비도전성 금속 화합물의 특유한 입체 구조만으로 상기 금속핵 및 접착활성 표면의 형성이 가능해 지는 것은 아님이 확인되었다. 본 발명자들은 계속적인 실험 및 연구를 통하여, 상술한 특정 입체 구조의 비도전성 금속 화합물 중에서도, 상기 화학식 1로 표시되는 특정 화합물을 선택 및 포함함에 따라, 상기 일 구현예의 조성물이 레이저 등 전자기파에 대해 보다 높은 흡수율 및 민감도를 나타내게 할 수 있음을 확인하였다.
이러한 화학식 1의 비도전성 금속 화합물은 고분자 수지와 우수한 상용성을 가지며, 상기 환원 또는 도금 처리 등에 사용되는 용액에 대해서도 화학적으로 안정하여 비도전성을 유지하는 특성을 갖는다. 따라서, 전자기파가 조사되지 않은 영역에서는 상기 비도전성 금속 화합물이 고분자 수지 기재 내에 균일하게 분산된 상태로 화학적으로 안정하게 유지되어 비도전성을 나타낼 수 있다. 이에 비해, 전자기파가 조사된 소정 영역에서는 상기 비도전성 금속 화합물로부터 이미 상술한 원리로 금속핵이 용이하게 형성되며 이에 따라 미세한 도전성 패턴을 쉽게 형성할 수 있다.
따라서, 상술한 일 구현예의 조성물을 사용하면, 각종 고분자 수지 제품 또는 수지층 등의 고분자 수지 기재 상에, 레이저 등 전자기파를 조사하는 매우 단순화된 공정으로 미세한 도전성 패턴을 형성할 수 있다.
부가하여, 일 구현예에 따른 조성물에 포함되는 비도전성 금속 화합물은 밝은 색을 나타내므로, 상대적으로 적은 색 첨가제의 사용으로도 백색 혹은 회색 등 다양한 색상의 고분자 수지 제품 또는 수지층을 안정적으로 구현할 수 있다.
일 예로, 스피넬 구조를 갖는 CuCr2O4 등의 화합물은 어두운 흑색(dark black)을 나타냄에 따라, 이러한 비도전성 금속 화합물을 포함하는 조성물은 다양한 색채의 고분자 수지 제품 또는 수지층을 구현하는데 적합하지 않을 수 있다. 이에 비해, 상기 화학식 1의 비도전성 금속 화합물, 특히 CuI 및 AgI 등은 옅은 색을 띠므로 적은 색 첨가제의 추가로도 백색 혹은 회색 등 다양한 색상의 고분자 수지 제품을 보다 안정적으로 구현할 수 있다. 따라서, 비도전성 금속 화합물로 상술한 입체 구조의 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용할 경우 각종 고분자 수지 제품 등에 다양한 색상을 구현하고자 하는 당업계의 요구를 보다 효과적으로 충족시킬 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 조성물에 포함되는 비도전성 금속 화합물로는 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 1종 혹은 2종 이상의 화합물이 사용될 수 있다. 이 중에서도 보다 용이하게 금속핵 및 접착활성 표면을 형성하며, 다양한 색상의 수지 제품 혹은 수지층을 제공하고, 우수한 열 안정성을 확보하기 위해, 상온에서 징크 블렌드 구조를 가지는 CuI, CuCl, CuBr 및 CuF와, 우르짜이트 구조를 가지는 AgI로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물이 사용될 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 조성물에 포함되는 비도전성 금속 화합물의 평균 입도는 약 0.1 내지 6㎛ 정도로 조절될 수 있다. 이러한 비도전성 금속 화합물은 고분자 수지와 우수한 상용성을 나타내 전자기파가 조사되지 않은 영역에서는 비도전성을 나타내며, 전자기파의 조사된 영역에만 선택적으로 금속핵을 형성시켜 미세한 도전성 패턴을 고르게 형성할 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 조성물에서 상기 비도전성 금속 화합물은 전체 조성물에 대해 약 0.1 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 이러한 함량 범위에 따라, 상기 조성물로부터 형성된 고분자 수지 제품 또는 수지층의 기계적 물성 등 기본적인 물성을 적절히 유지하면서도, 전자기파 조사에 의해 일정 영역에 도전성 패턴을 형성하는 특성을 바람직하게 나타낼 수 있다.
한편, 상기 일 구현예에 따른 조성물은 방열 소재를 포함하여 우수한 열 전도도 및 열 확산성을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 상기 일 구현예에 따른 조성물을 이용하면 기존의 방열체 혹은 방열층과 같은 방열 구조체를 생략할 수 있어 단순화된 전자 제품 등을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 기존의 전자 부품 기판은 도 3과 같이 PCB 기판(1)의 온도 상승을 방지하기 위해 히트 싱크(heat sink, 3)를 필수적으로 채용하였다.
그러나, 일 구현예에 따른 조성물을 이용하여 기존의 블랭킷(4) 형상의 고분자 수지 제품을 성형한 후, 레이저 등 전자기파를 조사하고 환원 또는 도금 등을 진행하면 우수한 방열 특성을 나타내면서도 미세한 도전성 패턴(2)이 형성된 전자 부품 기판(5)을 제공할 수 있다. 이에 따라, 일 구현예에 따른 조성물을 이용하여 기존의 PCB 기판(1), 히트 싱크(3) 및 블랭킷(4)을 일체화할 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 조성물에는 상기 방열 소재로서 탄화물, 탄소계 소재, 질화계 소재, 금속 산화물 또는 이들의 혼합물이 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 탄화물로서 탄화규소(SiC) 등이 포함되거나, 탄소계 소재로서 카본블랙(carbon black), 카본나노튜브(carbon nanotube, CNT), 흑연(graphite), 그래핀(graphene) 또는 이들의 혼합물 등이 포함되거나, 질화계 소재로서 질화붕소(BN), 질화규소(Si3B4), 질화알루미늄(AlN) 또는 이들의 혼합물 등이 포함되거나, 혹은 금속 산화물로서 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화베릴륨(BeO), 산화아연(ZnO) 또는 이들의 혼합물 등이 포함될 수 있다.
이러한 방열 소재는 비도전성 금속 화합물의 전자기파 조사에 의한 금속핵 형성에 영향을 미치지 않으면서도 고분자 수지와 상용성이 우수하여 양호한 도전성 패턴이 형성되어 있는 우수한 방열 특성의 수지 제품 혹은 수지층을 제공할 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 조성물에서 상기 방열 소재는 목적하는 수준의 방열 특성을 나타내도록 전체 조성물에 대해 약 0.1 내지 약 50 중량%의 범위 내로 포함될 수 있다. 이때, 방열 소재가 탄화물이나 탄소계 소재인 경우에는 절연 특성 유지를 위해 방열 소재의 함량이 0.1 내지 20 중량%로 조절될 수 있다. 이러한 함량 범위에 따라, 상기 조성물로부터 형성된 고분자 수지 제품 또는 수지층의 기본적인 물성을 적절히 유지하면서도, 일정 수준의 열 확산성 및 열 전도성을 바람직하게 나타낼 수 있다.
한편, 상술한 일 구현예의 도전성 패턴 형성용 조성물에서, 상기 고분자 수지로는 다양한 고분자 수지 제품 또는 수지층을 형성할 수 있는 임의의 열 경화성 수지 또는 열 가소성 수지를 별다른 제한 없이 사용할 수 있다. 특히, 상술한 비도전성 금속 화합물은 다양한 고분자 수지와 우수한 상용성 및 균일한 분산성을 나타낼 수 있으며, 일 구현예의 조성물은 다양한 고분자 수지를 포함하여 여러 가지 수지 제품 또는 수지층으로 성형될 수 있다. 이러한 고분자 수지의 구체적인 예로는, ABS (Acrylonitile poly-butadiene styrene) 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 등의 폴리알킬렌테레프탈레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리페닐에테르 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리프로필렌 수지 또는 폴리프탈아미드 수지 등을 들 수 있고, 이외에도 다양한 고분자 수지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 도전성 패턴 형성용 조성물에서, 상기 비도전성 금속 화합물은 전체 조성물에 대해 약 0.1 내지 10 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 방열 소재는 전체 조성물에 대해 약 1 내지 50 중량%로 포함될 수 있고, 나머지 함량의 고분자 수지가 포함될 수 있다. 이때, 방열 소재가 탄화물 및/또는 탄소계 소재인 경우 방열 소재는 전체 조성물에 대해 약 1 내지 20 중량%로 포함되며, 나머지 함량은 고분자 수지로 대체될 수 있다.
이러한 함량 범위에 따라, 상기 조성물로부터 형성된 고분자 수지 제품 또는 수지층의 기계적 물성 등 기본적인 물성을 적절히 유지하면서도, 전자기파 조사에 의해 일정 영역에 도전성 패턴을 형성하는 특성과 방열 특성을 바람직하게 나타낼 수 있다.
그리고, 상기 도전성 패턴 형성용 조성물은 상술한 고분자 수지 및 소정의 비도전성 금속 화합물 및 방열 소재 외에, 난연제, 열 안정제, UV 안정제, 활제, 항산화제, 무기 충전제, 색 첨가제, 충격 보강제 및 기능성 보강제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수도 있다. 이러한 첨가제의 부가로, 일 구현예의 조성물로부터 얻어진 수지 구조체의 물성을 적절히 보강할 수 있다. 이러한 첨가제 중, 상기 색 첨가제, 예를 들어, 안료 등의 경우에는, 약 0.1 내지 10 중량% 혹은 약 1 내지 10 중량%의 함량으로 포함되어, 상기 수지 구조체에 원하는 색상을 부여할 수 있다.
이러한 안료 등 색 첨가제의 대표적인 예로는, ZnO, ZnS, Talc, TiO2, SnO2, 또는 BaSO4 등의 백색 안료가 있으며, 이외에도 이전부터 고분자 수지 조성물에 사용 가능한 것으로 알려진 다양한 종류 및 색상의 안료 등 색 첨가제를 사용할 수 있음은 물론이다.
상기 난연제는 인계 난연제 및 무기 난연제를 포함하는 것일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 인계 난연제로는 트리페닐 포스페이트(triphenyl phosphate, TPP), 트리자일레닐 포스페이트(trixylenyl phosphate, TXP), 트리크레실 포스페이트(tricresyl phosphate, TCP), 또는 트리이소페닐 포스페이트(triisophenyl phosphate, REOFOS) 등을 포함하는 인산 에스테르계 난연제; 방향족 폴리포스페이트(aromatic polyphosphate)계 난연제; 폴리인산염계 난연제; 또는 적린계 난연제 등을 사용할 수 있으며, 이외에도 수지 조성물에 사용 가능한 것으로 알려진 다양한 인계 난연제를 별다른 제한 없이 모두 사용할 수 있다. 또한, 상기 무기 난연제로는 수산화 알루미늄, 수산화 마그네슘, 붕산 아연, 몰리브덴 산화물(MoO3), 몰리브덴 과산화물 염(Mo2O7 2 -), 칼슘-아연-몰리브산염, 삼산화 안티몬(Sb2O3), 또는 오산화 안티몬(Sb2O5) 등을 들 수 있다. 다만, 무기 난연제의 예가 이에 한정되는 것은 아니며, 기타 수지 조성물에 사용 가능한 것으로 알려진 다양한 무기 난연제를 별다른 제한 없이 모두 사용할 수 있다.
또, 충격 보강제 등의 경우 약 1 내지 12 중량%의 함량으로 포함되고, 열 안정제, UV 안정제, 활제 또는 항산화제 등의 경우 약 0.05 내지 5 중량%의 함량으로 포함되어, 상기 수지 구조체에 원하는 물성을 적절히 발현시킬 수 있다.
한편, 이하에서는 상술한 일 구현예의 도전성 패턴 형성용 조성물을 사용하여, 수지 제품 또는 수지층 등의 고분자 수지 기재 상에, 전자기파의 직접 조사에 의해 도전성 패턴을 형성하는 방법을 구체적으로 설명하기로 한다. 이러한 도전성 패턴의 형성 방법은, 상술한 도전성 패턴 형성용 조성물을 수지 제품으로 성형하거나, 다른 제품에 도포하여 수지층을 형성하는 단계; 상기 수지 제품 또는 수지층의 소정 영역에 전자기파를 조사하여 상기 비도전성 금속 화합물 입자로부터 금속핵을 발생시키는 단계; 및 상기 금속핵을 발생시킨 영역을 화학적으로 환원 또는 도금시켜 도전성 금속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 도전성 패턴의 형성 방법을 첨부한 도면을 참고하여 각 단계별로 설명하면 이하와 같다. 참고로, 도 5에서는 상기 도전성 패턴 형성 방법의 일 예를 공정 단계별로 간략화하여 나타내고 있다.
상기 도전성 패턴 형성 방법에서는, 먼저, 상술한 도전성 패턴 형성용 조성물을 수지 제품으로 성형하거나, 다른 제품에 도포하여 수지층을 형성할 수 있다. 이러한 수지 제품의 성형 또는 수지층의 형성에 있어서는, 통상적인 고분자 수지 조성물을 사용한 제품 성형 방법 또는 수지층 형성 방법이 별다른 제한 없이 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 조성물을 사용하여 수지 제품을 성형함에 있어서는, 상기 도전성 패턴 형성용 조성물을 압출 및 냉각한 후 펠릿 또는 입자 형태로 형성하고, 이를 원하는 형태로 사출 성형하여 다양한 고분자 수지 제품을 제조할 수 있다.
이렇게 형성된 고분자 수지 제품 또는 수지층은 상기 고분자 수지로부터 형성된 수지 기재 상에, 상술한 특정 비도전성 금속 화합물 및 방열 소재가 균일하게 분산된 형태를 가질 수 있다. 특히, 상기 화학식 1의 비도전성 금속 화합물은 다양한 고분자 수지와 우수한 상용성 및 화학적 안정성을 가지므로, 상기 수지 기재 상의 전 영역에 걸쳐 균일하게 분산되어 비도전성을 갖는 상태로 유지될 수 있다.
이러한 고분자 수지 제품 또는 수지층을 형성한 후에는, 도 5의 첫 번째 도면에 도시된 바와 같이, 도전성 패턴을 형성하고자 하는 상기 수지 제품 또는 수지층의 소정 영역에, 레이저 등 전자기파를 조사할 수 있다. 이러한 전자기파를 조사하면, 상기 비도전성 금속 화합물로부터 금속핵을 용이하게 발생시킬 수 있다(도 5의 두 번째 도면 참조).
보다 구체적으로, 상기 전자기파 조사에 의한 금속핵 발생 단계를 진행하면, 상기 비도전성 금속 화합물의 일부가 상기 수지 제품 또는 수지층의 소정 영역 표면으로 노출되면서 이로부터 금속핵이 발생되고, 보다 높은 접착성을 갖도록 활성화된 접착활성 표면을 형성할 수 있다. 이러한 접착활성 표면이 전자기파가 조사된 일정 영역에서만 선택적으로 형성됨에 따라, 후술하는 환원 또는 도금 단계 등을 진행하면, 상기 금속핵 및 접착활성 표면에 포함된 도전성 금속 이온 등이 화학적 환원됨으로써, 상기 도전성 금속층이 소정 영역의 고분자 수지 기재 상에 선택적으로 형성될 수 있다.
한편, 상술한 금속핵 발생 단계에 있어서는, 전자기파 중에서도, 근적외선 영역의 레이저 전자기파가 조사될 수 있고, 예를 들어, 약 1000nm 내지 1200nm, 혹은 약 1060nm 내지 1070nm, 혹은 약 1064nm의 파장을 갖는 레이저 전자기파가 약 1 내지 20W, 혹은 약 3 내지 10W의 평균 파워로 조사될 수 있다.
이러한 범위로 레이저 등 전자기파의 조사 조건이 제어됨에 따라, 비도전성 금속 화합물로부터 금속핵 및 이를 포함하는 접착활성 표면 등이 더욱 잘 형성될 수 있으며, 이로써 보다 양호한 도전성 패턴의 형성이 가능해 진다. 다만, 실제 사용되는 비도전성 금속 화합물 및 고분자 수지의 구체적인 종류나 이들의 조성에 따라, 금속핵 등의 형성을 가능케 하는 전자기파 조사 조건이 다르게 제어될 수도 있다.
한편, 상술한 금속핵 발생 단계를 진행한 후에는, 도 5의 세 번째 도면에 도시된 바와 같이, 상기 금속핵을 발생시킨 영역을 화학적으로 환원 또는 도금시켜 도전성 금속층을 형성하는 단계를 진행할 수 있다. 이러한 환원 또는 도금 단계를 진행한 결과, 상기 금속핵 및 접착활성 표면이 노출된 소정 영역에서 선택적으로 도전성 금속층이 형성될 수 있고, 나머지 영역에서는 화학적으로 안정한 비도전성 금속 화합물이 그대로 비도전성을 유지할 수 있다. 이에 따라, 고분자 수지 기재 상의 소정 영역에만 선택적으로 미세한 도전성 패턴이 형성될 수 있다.
이러한 환원 또는 도금 단계에서는 상기 금속핵을 발생시킨 수지 제품 또는 수지층을 환원제를 포함한 산성 또는 염기성 용액으로 처리할 수 있으며, 이러한 용액은 환원제로서, 포름알데히드, 차아인산염, 디메틸아미노보레인(DMAB), 디에틸아미노보레인(DEAB) 및 히드라진으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 상기 환원 또는 도금 단계에서는 상기 금속핵을 발생시킨 수지 제품 또는 수지층을 환원제 및 도전성 금속 이온을 포함한 무전해 도금 용액 등으로 처리할 수도 있다.
이와 같은 환원 또는 도금 단계의 진행으로, 상기 금속핵에 포함된 금속 이온이 환원되거나, 상기 금속핵이 형성된 영역에서 이를 seed로 하여 상기 무전해 도금 용액에 포함된 도전성 금속 이온이 화학적 환원되어, 소정 영역에 선택적으로 양호한 도전성 패턴이 형성될 수 있다. 이때, 상기 금속핵 및 접착활성 표면은 상기 화학적으로 환원되는 도전성 금속 이온과 강한 결합을 형성할 수 있고, 그 결과 소정 영역에 선택적으로 도전성 패턴이 보다 용이하게 형성될 수 있다.
한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 상술한 도전성 패턴 형성용 조성물 및 도전성 패턴 형성 방법에 의해 얻어진 도전성 패턴을 갖는 수지 구조체가 제공된다. 이러한 수지 구조체는 고분자 수지 기재; 고분자 수지 기재에 분산되어 있는 상기 화학식 1로 표시되는 비도전성 금속 화합물; 고분자 수지 기재에 분산되어 있는 방열 소재로서 탄화물, 탄소계 소재, 질화계 소재, 금속 산화물 또는 이들의 혼합물; 소정 영역의 고분자 수지 기재 표면에 노출된 금속핵을 포함하는 접착활성 표면; 및 상기 접착활성 표면 상에 형성된 도전성 금속층을 포함할 수 있다.
이러한 수지 구조체에서, 상기 접착활성 표면 및 도전성 금속층이 형성된 소정 영역은 상기 고분자 수지 기재에 전자기파가 조사된 영역에 대응할 수 있다. 또, 상기 접착활성 표면의 금속핵에 포함된 금속이나 그 이온은 상기 비도전성 금속 화합물에서 유래한 것으로 될 수 있다. 한편, 상기 도전성 금속층은 상기 비도전성 금속 화합물에 포함된 금속에서 유래하거나, 무전해 도금 용액에 포함된 도전성 금속 이온에서 유래한 것으로 될 수 있다.
또한, 상기 수지 구조체는, 상기 비도전성 금속 화합물에서 유래한 잔류물을 더 포함할 수 있다. 이러한 잔류물은 상기 비도전성 금속 화합물에 포함된 금속 중 적어도 일부가 방출되어, 그 자리의 적어도 일부에 vacancy가 형성된 구조를 가질 수 있다.
상술한 수지 구조체는 안테나용 도전성 패턴을 갖는 휴대폰 또는 타블렛 PC 케이스, 자동차용 부품 등 각종 수지 제품 또는 수지층으로 되거나, 기타 RFID 태그, 각종 센서 또는 MEMS 구조체 등의 도전성 패턴을 갖는 다양한 수지 제품 또는 수지층으로 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 발명의 구현예들에 따르면, 우수한 방열 특성을 나타내면서, 레이저 등 전자기파를 조사하고 환원 또는 도금하는 매우 단순화된 방법으로, 각종 미세 도전성 패턴을 갖는 다양한 수지 제품을 양호하고도 용이하게 형성할 수 있다.
이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 비도전성 금속 화합물 CuI의 합성
Copper(II) 염(Salt) 중 CuS와 NaI 혹은 KI를 수계에서 교반하여, 하기의 반응식에 따라 CuI 분말을 합성하였다.
Cu2 + + 2I- → CuI2
2CuI2 → 2CuI + I2
그리고, 상기와 같이 합성된 CuI 분말이 0.1㎛ 내지 1㎛ 사이의 입자 분포를 갖도록 추가적인 분쇄 처리를 하여, 이하의 실시예에서 사용할 CuI 분말을 제조하였다. 이러한 분말의 전자 현미경 및 X선 회절 분석 등을 통해, 상기 분말이 도 1에 도시된 바와 같은 입체 구조를 갖는 것으로 확인되었다.
실시예 1: 레이저 직접 조사에 의한 도전성 패턴의 형성
기본 수지인 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 및 방열 소재로 흑연(graphite)과 비도전성 금속 화합물로 제조예 1에서 합성한 CuI 분말를 사용하였으며, 공정 및 안정화를 위한 첨가제들로서 열 안정화제 (IR1076, PEP36), UV 안정제 (UV329), 활제 (EP184) 및 충격 보강제 (S2001)들을 함께 사용하여 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물을 제조하였다. 구체적으로, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 69 중량%, 비도전성 금속 화합물 5 중량%, 흑연 15 중량%, 충격 보강제 10 중량% 및 활제 포함 기타 첨가제 1 중량%를 혼합하여 조성물을 얻었다.
상기에서 제조한 조성물을 260 내지 280℃의 온도에서 압출기를 통해 압출하였다. 압출된 펠렛 형태의 조성물을 약 260 내지 270℃에서 직경 100 mm, 두께 2 mm 기판으로 사출 성형하였다.
한편, 위에서 제조된 수지 기판에 대해, Nd-YAG laser 장치를 이용하여, 40kHz, 9W의 조건 하에 1064 nm 파장대의 레이저를 조사하여 표면을 활성화시켰다. 그리고, 상기 레이저 조사에 의해 표면이 활성화된 수지 구조체에 대하여 다음과 같이 무전해 도금 공정을 실시하였다.
도금 용액은 ㈜엠에스씨에서 제공되는 MSMID-70을 이용하여 제조되었으며 제조공정은 다음과 같다. Cu 용액(MSMID-70A) 40 ml, 착화제(MSMID-70B) 120 ml, 보조착화제(MSMID-70C) 3.5 ml, 안정제(MSMID-70D) 2 ml를 700 ml의 탈이온수에 용해시켜 Cu 도금 용액을 제조하였다. 제조된 도금 용액 1L에 25% NaOH 45 ml, 37% 포름알데하이드 12 ml를 첨가하였다. 레이저로 표면이 활성화된 수지 구조체를 3 내지 5 시간 동안 도금 용액에 담지시킨 후, 증류수로 세척하였다.
상기 레이저를 조사한 수지 구조체는 무전해 도금을 통하여 금속핵을 포함하는 접착활성 표면에 양호한 도전성 패턴(혹은 도금층)을 형성하였다.
실시예 2: 레이저 직접 조사에 의한 도전성 패턴의 형성
실시예 1에서 방열 소재로서 흑연(graphite) 대신 질화붕소(BN)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 패턴 형성용 조성물을 제조하고, 이로부터 도전성 패턴을 갖는 수지 구조체를 제조하였다.
비교예 1: 레이저 직접 조사에 의한 도전성 패턴의 형성
실시예 1에서 방열 소재를 첨가하지 않아 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지의 함량이 84 중량%인 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 도전성 패턴 형성용 조성물을 제조하고, 이로부터 도전성 패턴을 갖는 수지 구조체를 제조하였다.
시험예 : 도전성 패턴을 갖는 수지 구조체의 물성 평가
(1) 실시예 및 비교예의 수지 구조체에 형성된 도전성 패턴 (혹은 도금층)의 접착 성능은 ISO 2409 표준 방법에 의한 Cross-cut 시험에 의해 평가되었다. ISO 2409 표준 방법에 의한 접착성 평가에서, class 0 등급은 도전성 패턴의 박리 면적이 평가 대상 도전성 패턴 면적의 0%임을 의미하고, class 1 등급은 도전성 패턴의 박리 면적이 평가 대상 도전성 패턴 면적의 0% 초과 5%이하를 의미한다. class 2 등급은 도전성 패턴의 박리 면적이 평가 대상 도전성 패턴 면적의 5% 초과 15% 이하를 의미한다. class 3 등급은 도전성 패턴의 박리 면적이 평가 대상 도전성 패턴 면적의 15% 초과 35% 이하를 의미한다. class 4 등급은 도전성 패턴의 박리 면적이 평가 대상 도전성 패턴 면적의 35% 초과 65% 이하를 의미한다. class 5 등급은 도전성 패턴의 박리 면적이 평가 대상 도전성 패턴 면적의 65% 초과를 의미한다.
(2) 실시예 및 비교예의 수지 구조체의 열전도도는 ASTM E1461 표준 방법에 의해 평가되었으며 시험 장비는 LFA447 laser flash(Netzsch)를 이용하였다. 시편을 시험 장비 내부에 위치시키고 시편 아래쪽에서 Laser pulse를 이용하여 열을 발생시켰다. 이후, 시편 반대편의 온도를 IR 센서를 이용하여 측정하는 방식으로 열 확산도를 측정한 후 이로부터 열전도도를 계산하였다.
(3) 실시예 및 비교예의 수지 구조체의 열변형 온도는 6M-2 (Toyoseiki) 시험 장비를 이용하여 평가되었다. 시편의 크기에 따라 결정되는 하중을 시편에 가한 다음(본 시험예에서는 4.6 kgf/cm2의 하중을 가함) 시편을 오일에 침적하여 3 내지 5분 동안 예열을 하고 오일을 120℃/시간의 속도로 가열하였다. 오일 온도가 상승됨에 따라 시편이 처지게 되는데 0.254 mm 처질 때의 온도를 측정하여 열변형 온도로 규정하였다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1
폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 [중량%] 69 69 84
비도전성 금속 화합물 [중량%] 5 5 5
방열 소재 [중량%] 15 15 0
충격 보강제 [충량%] 10 10 10
기타 첨가제 [중량%] 1 1 1
레이저 조사 파워
[W, @ 1064 nm]
9 9 9
접착성 평가
[ISO 2409 Class]
Class 0 Class 0 Class 0
열전도도[W/mK] 1.732 1.801 1.053
열변형 온도[℃ @ 6.4mm, 4.6kgf/cm2] 193.5 193.1 126.4
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1, 2 및 비교예 1에 따라 형성된 도전성 패턴 (혹은 도금층)의 박리 면적은 테스트 대상 도전성 패턴 (혹은 도금층) 면적의 약 0%(ISO class 0)로, 레이저 조사 영역에 높은 접착성을 나타내는 도전성 패턴 (혹은 도금층)이 양호하게 형성되었음이 확인된다.
또한, 비도전성 금속 화합물로서 CuI와 방열 소재로서 graphite 또는 BN을 사용한 실시예 1 및 2의 수지 구조체는 전자기파 조사에 의해 양호하게 도전성 패턴을 형성하면서도 1.8W/mK 내외의 우수한 열전도도 및 증가된 열변형 온도를 나타내었다. 반면, 비도전성 금속 화합물로 CuI를 첨가하되 방열 소재를 첨가하지 않은 비교예 1의 수지 구조체는 전자기파 조사에 의해 양호하게 도전성 패턴을 형성하였으나, 수지의 열전도도와 열변형 온도가 매우 낮은 결과를 보였다.
1: PCB 기판
2: 도전성 패턴 (회로 패턴)
3: 히트 싱크
4: 블랭킷
5: 전자 부품 기판

Claims (10)

  1. 고분자 수지;
    하기 화학식 1로 표시되는 비도전성 금속 화합물; 및
    방열 소재로서 탄화물, 탄소계 소재, 질화계 소재, 금속 산화물 또는 이들의 혼합물을 포함하고,
    전자기파 조사에 의해, 상기 비도전성 금속 화합물로부터 금속핵이 형성되는 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물:
    [화학식 1]
    AX
    상기 화학식 1에서, A는 화폐 금속 원소 [coinage metal element, 11족(IB족)]이고, X는 할로겐 [17족(VIIA족)] 이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비도전성 금속 화합물은 CuI, CuCl, CuBr, CuF, AgI 또는 이들의 혼합물을 포함하는 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 비도전성 금속 산화물은 평균 입도가 0.1 내지 6㎛인 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화물로서 탄화규소를 포함하거나; 탄소계 소재로서 카본블랙, 카본나노튜브, 흑연, 그래핀 또는 이들의 혼합물을 포함하거나; 질화계 소재로서 질화붕소, 질화규소, 질화알루미늄 또는 이들의 혼합물을 포함하거나; 혹은 금속 산화물로서 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화베릴륨, 산화아연 또는 이들의 혼합물을 포함하는 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 열 경화성 수지 또는 열 가소성 수지를 포함하는 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 ABS (Acrylonitile poly-butadiene styrene) 수지, 폴리알킬렌테레프탈레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리페닐에테르 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리프로필렌 수지 및 폴리프탈아미드 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 비도전성 금속 화합물은 전체 조성물에 대해 0.1 내지 10 중량%로 포함되고, 상기 방열 소재는 전체 조성물에 대해 1 내지 50 중량%로 포함되며, 나머지 함량의 고분자 수지가 포함되는 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서, 난연제, 열 안정제, UV 안정제, 활제, 항산화제, 무기 충전제, 색 첨가제, 충격 보강제 및 기능성 보강제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는 전자기파 조사에 의한 도전성 패턴 형성용 조성물.
  9. 고분자 수지 기재;
    고분자 수지 기재에 분산되어 있는 하기 화학식 1로 표시되는 비도전성 금속 화합물;
    고분자 수지 기재에 분산되어 있는 방열 소재로서 탄화물, 탄소계 소재, 질화계 소재, 금속 산화물 또는 이들의 혼합물;
    소정 영역의 고분자 수지 기재 표면에 노출된 금속핵을 포함하는 접착활성 표면; 및
    상기 접착활성 표면 상에 형성된 도전성 금속층을 포함하는 도전성 패턴을 가지는 수지 구조체:
    [화학식 1]
    AX
    상기 화학식 1에서, A는 화폐 금속 원소 [coinage metal element, 11족(IB족)]이고, X는 할로겐 [17족(VIIA족)] 이다.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 접착활성 표면 및 도전성 금속층이 형성된 소정 영역은 상기 고분자 수지 기재에 전자기파가 조사된 영역에 대응하는 도전성 패턴을 갖는 수지 구조체.
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