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문제 정의
- 이번 연구에서는 LTCC 공정과 동일한 공정 조건 하에서 온간 정수압 (Warm Isostatic Pressing) 공정 변수에 따른 LTCC 시트의 수축률을 살펴 보았다. 또한 각 방향에 따른 수축률 측정을 통하여 테이프 캐스팅 공정으로 제작된 시트의 비등방성수축을 확인 하였다.
- 하지만 대부분의 연구에서는 테이프 캐스팅에 사용한 재료의 혼합비나, 동시 소결을 위한 소결 온도 등에 대한 연구가 대부분이다[6-7]. 지난 연구[5]를 통하여 LTCC 공정 중 적층 및 소결 공정 변수가 세라믹 유전체의 전기적 특성에 미치는 영향을 알아보았다. 그 결과 적층 압력과 소결 온도가 높아 질수록 유전율이 증가하는 것을 확인 하였다.
제안 방법
- , Japan, Model JSM-6700)를 이용하여 관찰하였다. LTCC 시트의 수축량은 테이프 캐스팅 후 제작된 그린시트와 WIP와 소결 공정을 거친 시편을 측정하여 각각을 비교 계산하였다.
- Micro LTCC device의 정교한 치수 및 형상의 제어를 위하여 LTCC 공정 중 WIP 공정 조건의 영향을 살펴 보았다. WIP 공정에 의한 시트의 수축은 두께 방향으로만 나타났으며, 길이 방향의 수축은 거의 없었다.
- , accuracy 1 μm)을 이용하여 즉정 하였다. 그린 시트와 소결된 시편의 미세 구조는FE-SEM(JEOL Ltd., Japan, Model JSM-6700)를 이용하여 관찰하였다. LTCC 시트의 수축량은 테이프 캐스팅 후 제작된 그린시트와 WIP와 소결 공정을 거친 시편을 측정하여 각각을 비교 계산하였다.
- 그린 시트의 제작에 사용한 slurry는 세라믹/글라스 파우더 (K6A, Thinkcera, D50: 2.39 μm)와 유기 결합제를 45 : 55 (w%) 비율로 혼합한 뒤 24시간 동안 볼 밀링을 통하여 혼합하고 탈포 시켜 만들었다. 글라스/세라믹 파우더의 조성은 Table 1과 같다.
- 또한 각 방향에 따른 수축률 측정을 통하여 테이프 캐스팅 공정으로 제작된 시트의 비등방성수축을 확인 하였다.
- 300, 400, 460 kgfZcn?로 변화 시켜, 시트의 수축률을 측정하였다. 이때 압력을 가하는 시간은 10분으로 고정하였다.
- 2 (b)와 같이 각 방향에 따라 수축된 양을 측정하였다. 시트의 두께 방향(Thickness direction) 수축량은 DIGIMICRO STAND (MS-4Q Nikon Ltd.,accuracy Mim)을 이용하여 측정하였고, 테이프 캐스팅 (Casting direction) 과 수직 방향 (Perpendicular direction) 의 수축량은 DYNASCOPE (Vision Engineering Ltd., accuracy 1 μm)을 이용하여 즉정 하였다. 그린 시트와 소결된 시편의 미세 구조는FE-SEM(JEOL Ltd.
- 온간 정수압 공정에서 압력이 시트의 형상과 치수 변화에 미치는 영향을 살펴보기 위해, 온도를 70℃로 유지시킨 상태에서 압력을 각각 100, 200, 300, 400, 460 kgfZcn?로 변화 시켜, 시트의 수축률을 측정하였다. 이때 압력을 가하는 시간은 10분으로 고정하였다.
대상 데이터
- 이때 압력을 가하는 시간은 10분으로 고정하였다. 본 실험에서는 LTCC 공정과정과 동일하게 벨트 퍼니스(Belt Furnaces)를 이용하여 시편을 소결하였다. 이때 소결 프로파일의 최대 소결 온도를 890℃로 고정시켰으며 온도상승 속도는 6℃/min로 해주었다.
- 캐스팅 공정을 통하여 제작된 그린시트는 170mm X 170mm의 면적을 가지고, 초기 두께 200 ㎛였다. 실험에 사용한 시편은 커팅 공정을 이용하여 60mm X 60mm 의 크기로 제작하였으며, 수축량 측정의 편의성과 정확성을 위하여 비아 홀 펀칭(Via-Hole-Punching) 공정을 이용하여 시트의 각 모서 리 부분에 즉정지점을 표시 하였다.
- 유기 결합제로는 PVB (Polyvinyl Butyral), DOP (Dioctyl Phthalate), Fish-oil0] 각각 결합제 (Binder), 가소제 (Plasticizer), 분산제 (Dispersing Agent)로 사용되었다.
- 캐스팅 공정을 통하여 제작된 그린시트는 170mm X 170mm의 면적을 가지고, 초기 두께 200 ㎛였다. 실험에 사용한 시편은 커팅 공정을 이용하여 60mm X 60mm 의 크기로 제작하였으며, 수축량 측정의 편의성과 정확성을 위하여 비아 홀 펀칭(Via-Hole-Punching) 공정을 이용하여 시트의 각 모서 리 부분에 즉정지점을 표시 하였다.
성능/효과
- Figure 5은 WIP 공정을 거친 시편과 그렇지 않은 시편의 소결 후의 모습을 보여주는 사진이다. WIP 공정을 거치지 않은 시편은 WIP 공정을 거친 시편에 비하여 길이 방향, 즉 캐스팅 방향과 수직 방향에서 보다 큰 수축이 나타났음을 확인할 수 있다. 그러나 두께 방향 의총 수축량은 WIP 공정을 거치지 않은 시편이 가
- WIP 압력에 따른 상대 밀도의 변화는 WIP공정에 의한 밀도의 변화가 소결 공정에 의한 밀도 변화 보다 컸으며, WIP 공정에 의한 밀도 변화는 가해준 압력에 비례하여 나타났고 소결 공정에 의한 밀도 변화는 WIP 공정에서 일정 압력 이상을 가해준 시편의 경우 증가량이 거의 같음을 확인 하였다.
- 조건에 대하여 나타낸 그래프이다. WIP 압력이 증가 할수록 캐스팅 방향과 수직 방향의 수축률은 감소하는 경향을 보였으며 이와는 반대로 두께 방향의 수축률은 증가하는 것으로 나타났다. 또한 각 방향의 수축률의 차이가 나타났으며 이를 Fig.
- 지난 연구[5]를 통하여 LTCC 공정 중 적층 및 소결 공정 변수가 세라믹 유전체의 전기적 특성에 미치는 영향을 알아보았다. 그 결과 적층 압력과 소결 온도가 높아 질수록 유전율이 증가하는 것을 확인 하였다.
- 98%로 증가 하였다. 그-러나 캐스팅 방향과 수직 방향의 경우, 어떠한 압력 조건에서도 WIP 공정에 의한 치수 및 형상 변화가 거의 없음을 확인 할 수 있었다. 또한 WIP 공정 후의 그린 시트의 무게 변화는 없는 것을 확인하였다.
- 정량적으로 나타낸 그래프다. 두께 방향의 수축량은 WIP 압력이 증가할수록 18.44% ~ 21.98%로 증가 하였다. 그-러나 캐스팅 방향과 수직 방향의 경우, 어떠한 압력 조건에서도 WIP 공정에 의한 치수 및 형상 변화가 거의 없음을 확인 할 수 있었다.
- Table 2에 나타내었다. 두께 방향의 수축률이 길이 방향에 비해 약 5%정도 작게 나타났으며 캐스팅 방향과 수직 방향의 수축률의 차이도 나타나는 것을 확인 하였다. 길이 방향의 수축률 차이는 테이프 캐스팅 공정의 영향으로 보이며, 제품 설계 시 이 차이를 고려한 설계가 필요하다고 생각된다.
- 그-러나 캐스팅 방향과 수직 방향의 경우, 어떠한 압력 조건에서도 WIP 공정에 의한 치수 및 형상 변화가 거의 없음을 확인 할 수 있었다. 또한 WIP 공정 후의 그린 시트의 무게 변화는 없는 것을 확인하였다. 이는 그린 시트가 Fig.
- 소결 공정에 의한 수축은 WIP 압력이 증가할수록 길이 방향은 감소 하였으며 두께 방향은 증가 하였다. 또한 길이 방향의 수죽률이 두께 방향의 수축률보다 모든 압력 조건에서 크게 나타났으며 이러한 수축률의 경향은 WIP 공정을 거치지 않은 시편에서도 동일하게 나타났다. 초기 그린 시트와 WIP, 소결 공정을 거쳐 얻은 시편을 비교한 종 수죽률에서는 두께 방향의 수축률이 더욱 크게 나타났다.
- ll에 각각 나타내었다. 보다 높은 WIP 압력을 가해준 시트가 동일한 소결 과정을 거쳤을 경우 더 치밀화 되는 것을 확인 하였다. Figure 11의 WIP 공정에 의한 그린 시트의 밀도 변화율을 보면 WIP 압력에 대해 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.
- WIP 공정에 의한 시트의 수축은 두께 방향으로만 나타났으며, 길이 방향의 수축은 거의 없었다. 소결 공정에 의한 수축은 WIP 압력이 증가할수록 길이 방향은 감소 하였으며 두께 방향은 증가 하였다. 또한 길이 방향의 수죽률이 두께 방향의 수축률보다 모든 압력 조건에서 크게 나타났으며 이러한 수축률의 경향은 WIP 공정을 거치지 않은 시편에서도 동일하게 나타났다.
- 11의 아래쪽 그래프에서 볼 수 있듯이 WIP 압력이 200kg enF 이상인 경우, 소결 공정에 의한 밀도 변화는 1% 이하로 WIP 압력에 관계없이 거의 동일하게 증가한다. 이 결과는 소결 공정 후 최종적으로 생산되는 제품의 밀도를 WIP 공정 후의 밀도를 통하여 어느 정도 예측 할 수 있다는 것을 보여 준다.
- 또한 길이 방향의 수죽률이 두께 방향의 수축률보다 모든 압력 조건에서 크게 나타났으며 이러한 수축률의 경향은 WIP 공정을 거치지 않은 시편에서도 동일하게 나타났다. 초기 그린 시트와 WIP, 소결 공정을 거쳐 얻은 시편을 비교한 종 수죽률에서는 두께 방향의 수축률이 더욱 크게 나타났다. LTCC 제품의 생산 시 WIP 공정변수에 대한 영 향력 과 각 방향에 따른 수축률을 고려한 설계가 더욱 정확한 형상과 치수 제어를 하는데 도움이 될 것이다.
후속연구
- 초기 그린 시트와 WIP, 소결 공정을 거쳐 얻은 시편을 비교한 종 수죽률에서는 두께 방향의 수축률이 더욱 크게 나타났다. LTCC 제품의 생산 시 WIP 공정변수에 대한 영 향력 과 각 방향에 따른 수축률을 고려한 설계가 더욱 정확한 형상과 치수 제어를 하는데 도움이 될 것이다.
- 적증(Stacking) 공정을 거쳐 Multi layer로 생산되는 LTCC micro device의 용량이나, Micro-fluidicsystem의 채널의 깊이 등은 두께 방향의 형상 및 치수 변화를 고려한 설계가 요구됨으로 이에 대한 고찰이 필요할 것으로 보인다.
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