Fig. 1. Ceramic tape and various products made from it.
세라믹스 제품에는 아주 얇은 판상(板狀, plate-like) 제품이 많다. 특히 전자 세라믹스 제품에 많은데, 반도체 소자를 올려놓는 기판(基板, substrate), MLCC(multilayer chip capacitor), 다층 인덕터 (multilayer inductor), 터미스터(thermistor), 연료전지(fuel cell) 등이 좋은 예이다(Fig. 1).
Fig. 1. Ceramic tape and various products made from it.
이와같은 판상 세라믹스의 성형법으로 가장 널리 쓰이는 방법이 테이프 케스팅(tape casting)이다 [1]. 이 성형법은 세라믹스 미분말을 알콜이나 물과 같은 액상 용매(溶媒, solvent)와 섞어 슬러리(slurry)를 만들고, 이 슬러리를 Fig. 2와 같은 테이프 케스터(tape caster)를 써서 바탕 테이프(스테인레스 스틸 테이프, 기름 종이 테이프, MYLAR 나 ACLAR와 같은 고분자 테이프) 위에 얇게 펼친 다음 용매는 날려 버리고 바탕 테이프에서 떼어 냄으로 테이프형 성형체를 얻는 것이다. 이 세라믹 테이프는 자르고 구멍을 뚫어서 판형 세라믹 성형체가 된다.
Fig. 2. Typical tape caster (UNIQUW/PERENY사 Pro-Cast Series)
테이프 케스터는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 슬러리 쳄버(slurry chamber), 닥터 블레이드(doctor blade), 바탕 테이프(carrier tape), 건조실(drying chamber) 등으로 되어있다.
Fig. 3. Schematic of typical tape caster.
테이프 케스터의 대표적 재원을 보면 길이가 12∼100'(3.6∼30 m) 정도인데, 성형되는 테이프 두께(green)는 0.001∼0.125"(0.025∼3 mm), 테이프 너비 (green)는 4∼50"(10∼127 cm)의 범위이다. 이 테이프 케스터에는 케스팅 속도(casting speed), 온도 기울기(temperature profile), 용매 농도기울기(solvent gradient), 건조공기 흐름속도 (air flow rate), 성형되는 테이프 두께(casting thickness) 등이 정밀하게 기록되고 또 제어된다.
특히 테이프의 두께를 직접 좌우하는 닥터 블레이드의 높이는 정밀하게 고정되어야 하는데 (Fig. 4 참조) 전자 세라믹스용 테이프를 성형하기 위해서는 그 오차가 적어도 0.00125 mm (0.05mils)이 되어야 한다. 또 테이프의 두께를 간접 으로 좌우하는 바탕 테이프의 진행속도는 microprocessor controlled digital drive를 써서 일정하게 유지되어야 한다.
테이프의 진행방향과 역방향으로 건조실에 불어 넣어지는 공기는 건조를 빠르게 하기 위하여 예열되는 것이 보통이다. 또 필터(filter)를 써서 먼지를 완전히 없앤 공기를 쓴다. 건조를 더 빠르게 하기 위해서 건조실 내부에 히터(heater)를 설치하는 경우도 있다. 건조과정에서 중요한 것은 건조가 일정하여 세라믹 테이프에 균열이 생기지 않게 하는 것이다.
국내에는 한국교역상사(02-252-7873/4, 대표 박기성)에서 주문제작을 한다.
Fig. 4. Schematic of doctor blade.
세라믹스 분말과 용매를 섞어 만든 슬러리는 가능한 한 분말의 함량이 높고 점성이 적당해야 한다(보통 점도 1000 mPas 이상) . 따라서 슬러리를 만들 때는 유기용매 밖에도 해교제(해교제, dispersant), 결합제(결합제, binder), 가소제(가소제, plasticizer), 등이 첨가된다. 또 성형된 테이프에 기포가 생기는 것을 막기 위해서 진공 하에서 혼합을 함으로 섞여 들어간 공기는 모두 뽑아준다.
Table 1은 테이프 케스팅에 쓰이는 각종 첨가제의 대표적 예이다.
Table 1. Various additives for tape casting [2]
Table 2는 대표적 슬러리 조합을 나타낸 것이다.
Table 2. Typical slurry formulation for tape casting (unit: w/o)
1. (a) J.C. Williams, in Treatise On Material Science and Technology, Vol. 9 Ceramic Fabrication Processes (edited by F. Wang), p.173, Academic Press, New York (1976).
(b) 오영제, 정형진, "세라믹스 테이프 케스팅 성형기술," 요업기술, 12(1) 3-11 (1997).
2. (a) R. Moreno, "The Role of Slip Additives in Tape-Casting Technology: Part 1-Solvents and Dispersants," Amer. Ceram. Soc. Bull., 71(10) 1521-31 (1992).
(b) R. Moreno, "The Role of Slip Additives in Tape-Casting Technology: Part II-Binders and Plasticizer," Amer. Ceram. Soc. Bull., 71(11) 1647-57 (1992).
3. E. M. Anderson et al., "Tape Casting Reactive Aluminas," Amer. Ceram. Soc. Bull., 76(7) 45-50 (1992).
1997년 9월 25일 이준근