KR20190105178A - 3d 프린팅용 광경화형 복합소재 - Google Patents

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Abstract

도금공정수행이 용이한 3D 프린팅 성형체 제조가 가능한 3D 프린팅용 광경화형 복합소재 및 이를 이용한 성형체 제조방법이 개시된다. 본 발명에 따른 3D 프린팅용 광경화형 복합소재는 광경화형 단량체; 도금표면형성용 세라믹 입자; 및 광개시제;를 포함한다.

Description

3D 프린팅용 광경화형 복합소재{Composite material for 3-dimensional printing}
본 발명은 3D 프린팅용 광경화형 복합소재 및 이를 이용한 성형체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도금공정수행이 용이한 3D 프린팅 성형체 제조가 가능한 3D 프린팅용 광경화형 복합소재 및 이를 이용한 성형체 제조방법에 관한 것이다.
산업, 생활 또는 의학 등 매우 다양한 분야에서 활용되고 있는 3D 프린터의 기본적인 원리는 얇은 2D 레이어를 쌓아서 3D 물체를 만드는 것이다. 3D 프린팅 기술은 해상도에 따라 성형체의 형상이나 크기를 원하는 대로 구현할 수 있는 우수한 기술이다.
3D 프린팅을 통해서 만든 플라스틱 소재의 성형체 표면을 금속화(Metallization)하게 되면, 성형물이 경량이면서도 전자적 기능을 가질 수 있게 하여 널리 응용가능하다. 예를 들어, 3D 프린팅을 통해서 만들어진 웨어러블 밴드에 안테나와 같은 전자적 기능 부여를 하기 위해서는 금속화하여 전자회로를 구성할 필요가 있다.
3D 프린팅 방식 중, 압출형 방식의 3D 프린팅(Fused Deposition Modeling, FDM)에 사용되는 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)와 같은 소재는 무전해도금을 통해서 성형물 표면을 금속화하는 것이 가능하다. 그러나, FDM방식보다 정밀하고 고품질 성형체 획득이 가능한 광경화형 3D 프린팅 방식인 SLA(StereoLithography Appartus)방식과 DLP(Digital Light Processing)방식에 광경화형 고분자를 이용하면, 3D 프린팅 후 성형체의 표면이 매끄럽고 소수성 성질이 강하기 때문에 무전해도금이 잘 이뤄지지 않아 금속화가 어려운 문제가 있었다.
기존에는 CNT, 카본블랙, Ag 나노파티클 등과 같은 전도성 화학 물질 용액에 3D 프린팅 성형물을 Immersing함으로써 3D 프린팅 성형물에 전도 패턴을 결합하였다. 그러나, 이러한 방법은 사용하는 전도성 화학물질이 고가이고, 3D 프린팅 성형물 표면에서의 전도 패턴이 탈락되는 문제가 발생하였다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 도금공정수행이 용이한 3D 프린팅 성형체 제조가 가능한 3D 프린팅용 광경화형 복합소재 및 이를 이용한 성형체 제조방법을 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 3D 프린팅용 광경화형 복합소재는 광경화형 단량체; 도금표면형성용 세라믹 입자; 및 광개시제;를 포함한다.
도금표면형성용 세라믹 입자는 TiO2 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도금표면형성용 세라믹 입자는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재 전체 중량을 기준으로 하여 1 내지 10 wt%로 포함될 수 있다.
도금표면형성용 세라믹 입자는 직경이 20 내지 30nm일 수 있다.
본 발명에 다른 측면에 따르면, 광경화형 단량체, 도금표면형성용 세라믹 입자 및 광개시제를 포함하는 3D 프린팅 광경화형 복합소재를 성형하는 성형단계; 3D 프린팅용 광경화형 복합소재가 성형된 경화물의 표면에 레이저를 조사하여 도금표면형성용 세라믹 입자를 노출시키는 레이저 조사단계; 및 세라믹 입자가 노출된 도금표면에 금속으로 도금하는 단계;를 포함하는 도금패턴을 포함하는 성형체 제조방법이 제공된다.
성형단계는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재를 3D 프린터로 적층하는 단계; 및 적층된 3D 프린팅용 광경화형 복합소재를 경화시키는 단계;를 포함할 수 있다.
레이저는 UV 레이저일 수 있다.
레이저의 조사 강도가 증가함에 따라 도금된 도금층의 두께가 두꺼워질 수 있다.
본 발명에 따른 3D 프린팅용 광경화형 복합소재를 이용하여 3D 프린팅 성형체를 제조하는 경우, 성형체의 표면에 무전해 도금이 용이한 도금표면이 형성되어 도금공정 수행시 도금품질을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경화물에 레이저가 조사된 상태를 도시한 개념도이고, 도 2는 실제 샘플의 이미지이다.
도 3a는 도금표면형성용 세라믹 입자로서 TiO2를 사용한 경우에 도금패턴이 형성된 성형체의 이미지이고, 도 3b는 도금표면형성용 세라믹 입자로서 ZnO를 사용한 경우에 도금패턴이 형성된 성형체의 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 3D 프린팅용 광경화형 복합소재는 광경화형 단량체; 도금표면형성용 세라믹 입자; 및 광개시제;를 포함한다.
본 발명에 따른 3D 프린팅용 광경화형 복합소재는 광경화형 단량체를 포함한다. 광경화형 단량체는 광조사에 의해 경화되는 단량체이다. 본 발명에 따른 광경화형 복합소재는 광경화형 3D 프린팅 방식에 사용되는 소재일 수 있다. 광경화형 3D 프린팅 방식에 사용될 수 있는 광경화형 화합물은 광경화형 3D 프린터를 이용하여 소재를 적층하고, 적층과 동시 또는 시간차를 두어 광조사가 수행되어 경화되어 성형체를 형성한다.
본 발명에 따른 광경화형 단량체는 광경화가능한 화합물이라면 특히 한정되지 않는다. 예를 들어, 광경화형 단량체는 아크릴레이트 관능기 또는 메타크릴레이트 관능기와 같은 광경화 관능기를 포함하는 모노머 또는 올리고머일 수 있다.
본 발명에 따른 3D 프린팅용 광경화형 복합소재에는 도금표면형성용 세라믹 입자가 포함된다. 3D 프린팅용 광경화형 복합소재는 3D 프린터에 의해 성형체를 형성하게 되고, 표면에 도금패턴이 형성될 수 있는데, 도금패턴의 형성을 보조하기 위하여 도금표면형성용 세라믹 입자가 포함된다.
3D 프린팅용 광경화형 복합소재가 성형되고, 경화되면 형성될 도금패턴의 형상과 동일하게 레이저가 조사됨에 따라 성형체 내부에 포함된 도금표면형성용 세라믹 입자가 외부로 노출되어 도금표면이 형성되게 된다. 도금표면은 도금표면형성용 세라믹 입자에 의해 표면이 성형체의 다른 표면과 다른 특성, 예를 들면 조도가 증가되어 도금이 용이하게 수행될 수 있는 표면영역을 의미한다. 따라서, 레이저에 의해 도금표면형성용 세라믹 입자가 도금표면을 형성하면, 이후 도금공정에 따라 도금표면 상에 도금패턴이 형성될 수 있다.
도금표면형성용 세라믹 입자는 TiO2 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도금표면형성용 세라믹 입자는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재 전체 중량을 기준으로 하여 1 내지 10 wt%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 1 내지 3 wt%로 포함될 수 있다. 도금표면형성용 세라믹 입자의 함량이 10wt% 이상이면, 3D 프린팅용 광경화형 복합소재 내에서의 분산성이 낮아지고, UV 산란으로 인한 3D 프린팅 공정에 영향을 미칠 수 있다.
도금표면형성용 세라믹 입자는 직경이 20 내지 30nm일 수 있다.
3D 프린팅용 광경화형 복합소재는 광개시제 및 첨가제를 포함할 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 광개시제로는 벤조페논계, 벤조인, 벤조인에테르계, 벤질케탈계, 아세토페논계, 안트라퀴논계, 티옥소잔톤계 등의 화합물이 사용될 수 있다.
본 발명에 다른 측면에 따르면, 광경화형 단량체, 도금표면형성용 세라믹 입자 및 광개시제를 포함하는 3D 프린팅 광경화형 복합소재를 성형하는 성형단계; 3D 프린팅용 광경화형 복합소재가 성형된 경화물의 표면에 레이저를 조사하여 도금표면형성용 세라믹 입자를 노출시키는 레이저 조사단계; 및 세라믹 입자가 노출된 도금표면금속을 도금하는 단계;를 포함하는 도금패턴을 포함하는 성형체 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 도금패턴을 포함하는 성형체 제조방법에서는 먼저, 광경화형 단량체, 도금표면형성용 세라믹 입자 및 광개시제를 포함하는 3D 프린팅 광경화형 복합소재를 성형하는 제조하기 원하는 형상으로 성형하는 성형단계가 수행된다.
성형단계에서는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재를 3D 프린터를 이용하여 적층하고, 적층된 3D 프린팅용 광경화형 복합소재에 광을 조사하여 경화시킬 수 있다. 성형단계에서 성형된 경화물은 이후, 레이저 조사단계에서, 도금패턴이 형성될 영역에 레이저가 조사되고, 레이저가 조사된 영역에는 경화물의 내부에 포함되어 있던 도금표면형성용 세라믹 입자가 노출되어 도금표면이 형성된다. 레이저는 UV 레이저일 수 있다.
이후, 경화물을 금속으로 도금하면, 도금특성이 우수한 도금표면에 도금층이 형성되어 표면에 도금패턴을 포함하는 성형체를 얻는다. 도금은 무전해도금공정으로 수행될 수 있다.
본 발명에서 경화물 표면에 형성된 도금층의 금속은 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 주석(Sn), 백금(Pt) 및 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속일 수 있다.
도금표면형성용 세라믹 입자를 도금표면으로 노출시키기 위한 레이저의 조사강도가 높아지면, 경화물 표면의 도금특성이 더욱 우수해지므로 레이저의 조사 강도가 증가함에 따라 도금된 도금층의 두께가 두꺼워질 수 있고, 도금층의 경화물에 대한 부착강도가 높아질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 시험예에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 하기의 시험예는 본 발명을 한정하지 않는다.
[3D 프린팅용 광경화형 복합소재 제조]
올리고머로서, 이소보닐 우레탄 아크릴레이트(Urethane Acrylate blended with Isobornyl Acrylate, IBOA, Sartomer 사제, CN966J75) 및 저점도 방향족 모노아크릴레이트(Low viscosity Aromatic Monoacrylate, Sartomer 사제, CN131), 모노머로서, Ethoxylated(3) Trimethylolpropane Triacrylate (ETMPTA) 및 이소보닐 아크릴레이트(Isobornyl Acrylate, IBOA), 광개시제로서, 페닐비스 (2,4,6-트리메틸벤조일)포스핀 옥사이드(Phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide, Irgacure 819)를 혼합하였다.
도금표면형성용 세라믹 입자로는 TiO2 및 ZnO를 각각 사용하여 3D 프린팅용 광경화형 복합소재를 제조하였다.
[도금패턴을 포함하는 성형체 제조]
광경화 방식의 DLP (Digital Light Processing) 타입의 3D 프린터를 이용하여 3차원 성형물을 제작하였다. 제조된 3D 프린팅용 광경화형 복합소재를 3D 프린터 및 UV 조사장치를 이용하여 성형 및 경화시킨 후, 355 nm UV 레이저를 이용하여 레이저 패터닝 및 무전해도금공정을 수행하여 도금패턴을 포함하는 성형체를 제조하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경화물에 레이저가 조사된 상태를 도시한 개념도이고, 도 2는 실제 샘플의 이미지이다. 도 1에서는 UV 레이저의 강도를 0.3 내지 0.7 watt로 조절하여 레이저 패터닝한 것이 도시되어 있다.
도 2에서는 도금표면형성용 세라믹 입자로서, TiO2를 1wt%(샘플 1), 3wt%(샘플 3), 및 5 wt%(샘플 5)로 사용한 경화물의 레이저 패터닝한 상태를 나타내는 이미지이다. TiO2의 농도가 높아질수록 레이저 패터닝된 영역, 즉 도금표면의 색이 진하게 되어 표면에 TiO2가 많이 노출되었고, 아래부터 레이저 강도가 각각 0.3watt, 0.4watt, 0.5watt, 0.6watt, 및 0.7watt로 증가하여 가장 윗부분의 0.7watt의 강도를 갖는 레이저 패터닝에 의해 도금표면의 색이 가장 진하게 나타나 표면에 TiO2가 많이 노출되었음을 알 수 있다. 이러한 결과는 ZnO 입자가 복합된 광경화형 복합 소재의 결과에서도 마찬가지로 비슷하게 나타났다(미도시).
도 3a는 도금표면형성용 세라믹 입자로서 TiO2를 사용한 경우에 도금패턴이 형성된 성형체의 이미지이고, 도 3b는 도금표면형성용 세라믹 입자로서 ZnO를 사용한 경우에 도금패턴이 형성된 성형체의 이미지이다. 샘플 1, 3 및 5를 이용하여 무전해 Cu도금공정을 30분씩 수행한 결과가 도 3a에 나타나있다. 세라믹 입자의 함량이 증가할수록, 레이져 강도가 강해질수록 Cu도금층이 잘 형성된 것을 확인할 수 있다. 도 3b는 도금표면형성용 세라믹 입자를 ZnO를 사용한 성형체의 이미지인데, TiO2와 유사한 특성을 나타내고 있고, 특히, 같은 사이즈 및 함량의 ZnO와 TiO2를 포함하는 성형체를 비교할 때, ZnO가 TiO2에 비해서는 더 안정적인 도금층을 형성하였다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 광경화형 단량체;
    도금표면형성용 세라믹 입자; 및
    광개시제;를 포함하는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    도금표면형성용 세라믹 입자는 TiO2 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    도금표면형성용 세라믹 입자는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재 전체 중량을 기준으로 하여 1 내지 10 wt%로 포함되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재.
  4. 청구항 1에 있어서,
    도금표면형성용 세라믹 입자는 직경이 20 내지 30nm인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재.
  5. 광경화형 단량체, 도금표면형성용 세라믹 입자 및 광개시제를 포함하는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재를 성형하는 성형단계;
    3D 프린팅용 광경화형 복합소재가 성형된 경화물의 표면에 레이저를 조사하여 도금표면형성용 세라믹 입자를 노출시키는 레이저 조사단계; 및
    세라믹 입자가 노출된 도금표면에 금속으로 도금하는 단계;를 포함하는 도금패턴을 포함하는 성형체 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    성형단계는 3D 프린팅용 광경화형 복합소재를 3D 프린터로 적층하는 단계; 및
    적층된 3D 프린팅용 광경화형 복합소재를 경화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 도금패턴을 포함하는 성형체 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    레이저는 UV 레이저인 것을 특징으로 하는 도금패턴을 포함하는 성형체 제조방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    레이저의 조사 강도가 증가함에 따라 도금된 도금층의 두께가 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 도금패턴을 포함하는 성형체 제조방법.
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