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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 LDS를 소개하고, 메커니즘 규명을 위한 기초 연구를 진행하였다. 또한 LDS를 이용한 전도성 패턴 구현 시 레이저 공정변수가 전도성 패턴 형성에 미치는 영향과 문제점을 도출하여 LDS 적용 가능성을 제시하고자 한다.
- 또한 LDS를 이용한 전도성 패턴 구현 시 레이저 공정변수가 전도성 패턴 형성에 미치는 영향과 문제점을 도출하여 LDS 적용 가능성을 제시하고자 한다.
- 본 연구는 LDS 메카니즘 규명을 위한 기초연구로서, LDS 메카니즘을 분석하고 폴리머를 시험 제작 하였다. 또한 레이저 공정변수가 폴리머 상의전도성 패턴 형성에 미치는 영향을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 또한, 고속으로 다양하고 복잡한 패턴을 생성하기 위해 스캐너를 사용하였다. 폴리머에 레이저 패터닝 후 무전해동도금(electross copper plating)을 이용하여 전도성 패턴을 형성하였다. Table 1은 본 연구에서 사용한 무전 해동도금액 조성을 나타낸 것이다.
- 따라서 이런 금속 유기화합물에 포함된 금속원소들은 LDS 메카니즘 분석에 가장 중요한 인자이다. 실험을 통하여 레이저와 반응하여 도금 seed를 생성할 수 있는 금속 유기화합물을 알아보았다.
- 선행실험에서는 Table 3과 같이 Cr, Cu, Fe, Ti 그리고 Al 등이 포함된 금속유기화합물을 PC(poly-cabonate)에 첨가하여 LDS를 적용하였다. 실험 결과 Cu 와 Cr계의 금속유기화합물이 첨가된 폴리머 (A5)만 레이조 조사 후 무전해도금을 통한 전도성 패턴이 형성되었다.
- 좀 더 명확한 결과를 얻기 위해 선행실험 결과로부터 얻어진 Cu와 Cr계의 금속유기화합물만을 이용하여 폴리머를 제작하였다.
- 기본 폴리머는 sample 2와 동일한 PBT(poly-butylene terephthalate)# 사용하였으며, Table 4와 같이 mineral과 금속유기화화물의 함유량을 변화하여 사출 성형 후 동일한 레이저 공정변수와 Table 1과 같은 무전해도금 조건을 적용하였으며 sample 2 를 비교 대상으로 하여 같이 실험을 진행하였다. 실험 결과 Fig.
- 레이저 공정변수와 전도성 패턴 형성관계를 알아보기 위하여 레이저의 fluence와 intensity를 변화하여 실험하였다.
- 전도성 패턴 형성 시 레이저 공정변수에 따른 무 전해도금 시 폴리머 상의 도금두께(copper thickness)를 알아보았다. 이를 위해 전자주사현미경과 광학현미경을 통해 실험 후 단면과 도금 두께를 측정하였다.
- 패턴 형성 시 레이저 공정변수에 따른 무 전해도금 시 폴리머 상의 도금두께(copper thickness)를 알아보았다. 이를 위해 전자주사현미경과 광학현미경을 통해 실험 후 단면과 도금 두께를 측정하였다. 실험 결과 Fig.
- 본 실험결과를 검증하기 위해 EDX(energy dispersive x-ray spectroscopy)를 이용하여 LANXESS사에서 LDS용으로 개발한 sample 1과 2에 포함된 금속 원소들을 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 레이저는 1064mn의 파장을 가지는 Fiber 레이저(IPG, YLPM20)를 사용하였으며, 펄스 폭(pulse duration)과 펄스 반복율(pulse repetition)의 조절이 가능하다. 또한, 고속으로 다양하고 복잡한 패턴을 생성하기 위해 스캐너를 사용하였다.
- 메커니즘 분석과 공정연구에 사용된 재료는 LANXESS사에서 LDS용으로 개발한 사출성형용열가소성 수지이며, 각 수지의 조성은 Table 2와 같다.
성능/효과
- 첨가하여 LDS를 적용하였다. 실험 결과 Cu 와 Cr계의 금속유기화합물이 첨가된 폴리머 (A5)만 레이조 조사 후 무전해도금을 통한 전도성 패턴이 형성되었다.
- 4(b))의 경우 전도성 패턴 형성이 이루어지지 않았다. 이 결과로 mineral의 주성분인 Mg와 Si 는 레이저를 흡수하지 못하여 도금 seed를 형성 할 수 있는 역할을 하지 못하는 금속원소임을 알 수 있었다. 따라서 Cu와 Cr계의 금속유기화합물은 레이저를 흡수한 후 도금 seed 역할을 하는 금속원소를 만들어 내며, 금속유기화합물의 함량은 전도성 패턴 형성에 미친다는 것을 알 수 있었다.
- 이 결과로 mineral의 주성분인 Mg와 Si 는 레이저를 흡수하지 못하여 도금 seed를 형성 할 수 있는 역할을 하지 못하는 금속원소임을 알 수 있었다. 따라서 Cu와 Cr계의 금속유기화합물은 레이저를 흡수한 후 도금 seed 역할을 하는 금속원소를 만들어 내며, 금속유기화합물의 함량은 전도성 패턴 형성에 미친다는 것을 알 수 있었다.
- 5는 sample 1, 2에 포함된 금속원소를 보여주고 있다. 분석 결과 sample 1과 2 에서는 Mg, Si, Cr, Cu, Fe, Ba, Ti, Ca 그리고 Al 등의 다양한 금속이 검출되었다. 특히 sample 1과 2에서 높은 함유량을 보인 Mg와 Si는 충진제인 mineral과 glass 5ber를 이루는 주성분으로 특히 sample 1의 경우는 Table 2에 나타난 것처럼 충진제가 40% 포함되어 있기 때문에 함유량이 증가된 것이다.
- 특히 sample 1과 2에서 높은 함유량을 보인 Mg와 Si는 충진제인 mineral과 glass 5ber를 이루는 주성분으로 특히 sample 1의 경우는 Table 2에 나타난 것처럼 충진제가 40% 포함되어 있기 때문에 함유량이 증가된 것이다. 또한 선행실험(시편 A2)을 통하여 Mg가 포함된 금속 유기 산화물은 도금 seed의 역할보다는 단순한 충진제를 구성하는 원소임을 알 수 있었다. 다른 금속원소(Fe, Ti, Al)들도 선행실험(시편 Al, A3, A4)결과를 통하여 레이저 조사에 의한 도금 seed 형성과는 무관하며 폴리머의 색상을 나타내는 안료(pigment) 성분이라고 판단된다.
- EDX 분석결과 sample 1과 2에서도 Cu 와 Cr이 모두 검출되었다. 이러한 결과는 본 연구 실험을 통하여 확인된 Cu 와 Cr계의 금속유기화합물의 금속성 분과 일치 하였다. 따라서 LDS 메카니즘의 중요 인자인 금속유기화합물은 Cu 와 Cr이 포함된 것으로, 이 금속유기화합물만이 레이저와 반응하여 도금 seed로 생성됨을 알 수 있었다.
- 이러한 결과는 본 연구 실험을 통하여 확인된 Cu 와 Cr계의 금속유기화합물의 금속성 분과 일치 하였다. 따라서 LDS 메카니즘의 중요 인자인 금속유기화합물은 Cu 와 Cr이 포함된 것으로, 이 금속유기화합물만이 레이저와 반응하여 도금 seed로 생성됨을 알 수 있었다. 그러나 Fig.
- 이를 위해 전자주사현미경과 광학현미경을 통해 실험 후 단면과 도금 두께를 측정하였다. 실험 결과 Fig. 8과 같이 동일한 평균출력에서는 첨두출력이 감소할수록 도금 두께가 점차 증가하는 경향을 보였다. 동일한 첨두출력에서는 평균출력이 5 W에서 7 W로 40% 증가함에 따라 도금 두께는 3.
- 8과 같이 동일한 평균출력에서는 첨두출력이 감소할수록 도금 두께가 점차 증가하는 경향을 보였다. 동일한 첨두출력에서는 평균출력이 5 W에서 7 W로 40% 증가함에 따라 도금 두께는 3.76 ㎛에서 4.52 ㎛로 약 20% 증가하였다. 또한 도금 후 단면 관찰 결과 주입되는 레이저 에너지가 증가할수록 Fig.
- 52 ㎛로 약 20% 증가하였다. 또한 도금 후 단면 관찰 결과 주입되는 레이저 에너지가 증가할수록 Fig. 9와 같이 ablation이 증가하여 표면거칠기가 변함을 도금 후 단면 형상으로 알 수 있었다.
- 실험결과 레이저 공정변수의 변화에 따라 레이저 조사 후 폴리머 표면거칠기가 변하며 이에 따라서 도금 두께 및 도금 형태가 변하는 것으로 판단된다.
- 1) 레이저에 의해 활성화 되는 도금 seed는 Cu, Cr계의 금속유기화합물이었다.
- 2) 레이저 fluence 1.41 J/cm2 이하에서는 패터닝선폭이 미세하게 형성 될지라도 무전해도금이 이루어지지 않았다.
- 3) 두 개의 재료를 비교한 결과 사출 성형된 폴리머의 표면 품질이 우수한 sample 2에서 더욱 미세한 전도성 패턴이 형성되었다.
후속연구
- 따라서 LDS 메카니즘의 중요 인자인 금속유기화합물은 Cu 와 Cr이 포함된 것으로, 이 금속유기화합물만이 레이저와 반응하여 도금 seed로 생성됨을 알 수 있었다. 그러나 Fig. 4와 같이 직접 금속유기화합물을 첨가하여 만든 폴리머는 아직 sample 2의 경우 보다는 깨끗한 패턴형상이 이루어지지 않은 것으로 보아 금속 유기화합물의 입자 크기와 처리 상태에 따른 연구가 계속 진행되어져야 한다.
- 향후, 레이저 공정변수에 따른 도금 seed 및 표면 거칠기의 형성 관계와 전도성 패턴 형성 후 시험평가를 위한 도금 접착력 테스트 및 비저항 측정을 통한 좀 더 명확한 실험이 이루어져야 할 것이다.
- 4) 이러한 실험적 연구결과를 바탕으로 폴리머와 레이저와 반응에 대한 정확한 규명 및 다양한 도금공정 변수의 영향 분석 등 지속적인 연구가 이루어질 예정이다.
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