3-Dimensional Circuit Device Fabrication for Improved Design Freedom based on the Additive Manufacturing

◆ 특집 ◆ 3D 프린팅 기술의 응용

설계자유도 향상을 위한 부가가공 기반의 3 차원 회로장치 제작

3-Dimensional Circuit Device Fabrication for Improved Design Freedom based on the Additive Manufacturing

오성택¹, 장성현², 이인환^3,, 김호찬⁴, 조해용³ Sung Taek Oh¹, Sung Hyun Jang², In Hwan Lee^3,, Ho Chan Kim⁴, and Hae Yong Cho³

1 충북대학교 정밀기계공학과 (Department of Precision Mechanical Engineering, Chungbuk National University) 2 구미전자정보기술원 (Gumi Electronics and Information Technology Research Institute) 3 충북대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Chungbuk National University) 4 안동대학교 기계자동차공학과 (Department of Mechanical & Automotive Engineering, Andong National University)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-43-261-3161 Manuscript received: 2014.9.22 / Accepted: 2014.10.13

Multi-material Additive Manufacturing (AM) is being focused to apply for direct manufacturing of a product. In this paper, a three-dimensional circuit device (3DCD) fabrication technology based on the multi-material AM technology was proposed. In contrast with conventional two-dimensional Printed Circuit Board (PCB), circuit elements and conducting wires of 3DCD are placed in three- dimensional configuration at multiple layers of the structure. Therefore, 3DCD technology can improve design freedom of an electronic product. In this paper, 3DCD technology is proposed based on AM technology. Two types of 3DCD fabrication systems were developed based on the Stereolithography and the Fused Deposition Modeling technologies. And the 3DCD samples which have same function were fabricated, successfully.

Key Words: 3-Dimensional Circuit Device (3 차원 회로 장치), Additive Manufacturing (부가가공), Fused Deposition Modeling (용융압출 적층 조형), Sterolithography (광 조형 기술), Direct Writing (직접주사)

1. 서론

부가가공 기술은 전통적인 기계가공 방식에 비 해 3차원 형상을 빠르게 제작 할 수 있다. 하지만 기술적인 한계 및 사용 가능한 재료의 한정 등의 요인으로 주로 제품의 개발 단계에서 제품의 기능 이나 외관형상을 파악하기 위한 시제품 제작 분야 에서 사용되어져 왔다. 최근 들어 부가가공 기술

을 직접 제품을 생산하기 위한 제조기술로써의 연 구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 기존의 단일 재료를 이용하는 부가가공 기술을 제조기술에 직 접 적용하기에는 한계가 있으며, 그 대안으로써 다중재료 부가가공 기술이 주목 받고 있다.

한편, 직접주사(direct writing) 기술^1,2은 일련의 제어시스템을 통해 유체를 토출하는 것으로써, 이 를 이용하면 전도성 잉크를 기판 위에 직접 주사 __________

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즉, 부가가공 기술로 구조물을 제작하는 동시 에 직접주사 방식을 선택적으로 사용하여 회로 도 선을 성형하고 회로 소자를 위치시킴으로써 3차원 회로장치(3D circuit device)를 제작 할 수 있다.^3-5

한편, 기존의 PCB는 회로 도선 및 회로소자의 배열이 평면에 국한되며, 이는 전기/전자 제품의 내부에 위치하여 제품 외부 형상설계에 제약을 준 다. 하지만 본 연구에서 제안하는 3차원 회로장치 제작기술은 PCB가 필요없이 제품 내부에 회로소 자를 3차원으로 배열함으로써 제품의 설계 자유도 를 향상시킬 수 있으며, 새로운 형태의 완전히 밀 폐된 전자제품의 제작도 가능 할 것으로 기대된다.

이에, 본 연구에서는 두 가지 방식의 부가가공 기 술(Stereolithography (SL), Fused Deposition Modeling (FDM))과 직접주사 방식을 적용한 3차원 회로장치 제작기술을 제시하며, 각각의 제작공정을 통해 동 일한 기능을 갖는 3차원 회로장치들을 제작하였다.

2. 공정계획

부가가공 기술은 제작하고자 하는 3차원 형상 을 얇은 단면으로 나누고 이를 순차적으로 적층함 으로써 형상을 제작하게 된다. 따라서 이를 이용 하면 형상 제작공정 중 내부에 다른 재료의 삽입 이 가능하다. 즉, 부가가공 기술을 이용한 제품 성 형 중에 필요 시 구조물 내부에 회로 소자를 삽입 하고, 회로 소자를 연결하는 회로 도선을 성형하 게 되면 PCB 없이도 3차원 회로 장치의 제작이 가능하게 된다.

본 연구에서는 액체 재료 기반의 SL 방식과 고체 재료 기반의 FDM방식의 두 가지 부가가공 기술을 기반으로 하여 3차원 회로 장치를 제작하 였다. 즉, 3차원 회로장치 제작을 위해 회로소자 및 회로도선이 삽입될 공간이 확보되도록 미리 설 계된 형상의 구조물을 각각 제작한다. 적층성형에 의한 구조물 제작 과정 중에 미리 설계한 홈의 제 작이 완료된 층이 성형되면 여기에 회로소자를 삽 입하고 이들을 전기적으로 연결하기 위해 도선을

성형한다. 회로 소자 삽입 및 회로 도선 성형 후 다음 홈이 위치하는 층까지 구조물 제작을 진행한 다. 이러한 공정을 반복하여 회로 소자 및 회로 도선이 3차원으로 배열된 3차원 회로 장치가 제작 된다(Fig. 1). 한편, 액체 재료 기반의 SL 방식에서 는 회로소자의 삽입 및 전도성 재료 성형 오염을 막기 위해 세척공정이 반드시 필요하다.

한편, 본 연구에서는 제안된 제작공정을 구현 하기 위해 부가가공에 의한 구조물의 성형과정 중 장비를 정지 시킨 후 구조물을 분리하여 회로소자 의 삽입 및 직접주사 장치를 이용한 회로도선의 연결을 하고 이를 다시 부가가공 장비에 설치하며 나머지 층을 성형하였다. Fig. 2(a)와 (b)는 SL 및 FDM 방식을 기반으로 한 3차원 회로 제작 순서를 각각 정리한 것이다.

3. 시스템의 구성 3.1 FDM 시스템

부가가공 기술 중 FDM 방식을 이용하여 구조 물을 제작하기 위해 상용화된 장비인 UP-Plus

Fig. 1 Schematic drawing of 3D circuit device fabrication process based on the AM and DW

(a) FDM system (b) SL system Fig. 2 Fabrication process of 3D circuit device

(PP3DP)를 이용하였다(Fig. 3). FDM 방식의 부가가 공 기술은 열가소성 플라스틱 재료를 용융하고 이 를 노즐을 통해 압출하여 적층 및 조형하게 된다.

따라서 재료는 각 단면에서 가는 선 형태로 성형 되게 되며, 이 선들이 단면을 구성하게 된다.

3.2 SL 시스템

구조물 제작을 위한 SL 시스템은 직접 제작하 여사용하였다(Fig. 4). UV 레이저(CUBE 375-C, Coherent)로 부터 발진된 레이저 빛은 대물렌즈를 거쳐 광섬유에 입사된다. 광섬유에 의해 이송된 빛은 광섬유 끝 단의 시준기와 평면 볼록 렌즈 (Plano-convex lens)로 구성된 경통을 거쳐 광경화성 수지 표면에 수직으로 주사된다. 경통은 LabVIEW 와 PXI에 의해서 제어되는 3축 정밀 스테이지 (MTS-200)에 부착되어 이송된다. 또한 UV 레이저 와 대물렌즈 사이의 셔터를 통해 레이저 빛의 개 폐가 이루어진다.^6-10 스테이지의 이송 및 레이저의 개폐를 통해 주사된 레이저에 의해 광경화성 수지 (Watershed 11120)가 경화되어 구조물이 성형 된다.

3.3 직접주사 시스템

회로 도선 성형을 위한 직접주사 시스템은 Fig.

5와 같다. 직접주사 시스템은 유체 토출 시스템과 스테이지 시스템으로 구성된다. 유체 토출 시스템 은 주사기 펌프(KDS 210), 정밀 주사기 그리고 노 즐로 구성되어있다. 주사기 내부에 채워져 있는 전도성 재료는 주사기 펌프에 의해 가압되어 튜브 를 거쳐 노즐을 통해 주사된다. 노즐은 3축 정밀 스테이지(MTS-200)에 부착되어 이송된다.^12,13 전도 성 재료는 바인더와 전도성 입자의 혼합물인 액체 상태의 재료로써, CANS사의 Elcaot P-100을 사용하 였다. 이는 상온에서 경화되어 공정을 단순화 시 킬 수 있으며, 경화 후 전기 전도성이 나타난다.

(a) Optical system

(b) Stage system

Fig. 4 Photograph of the SL system¹¹

Fig. 5 Photograph of the Direct Write system¹²

3.4 전도성 재료의 성형

본 연구에서 제안하는 3차원 회로 장치 제작 기술은 전혀 다른 특성의 재료들을 동시에 이용하 기 때문에 각각의 재료의 성형특성 파악은 매우 중요하다. 특히, 3차원 회로 장치 제작에서 직접주 사 방식을 통해 구조물 내부에 위치하는 전도성 재료의 성형특성의 파악이 필요하다.^14,15 따라서 본 연구에서는 직접주사 방식을 이용한 액체 상태 전도성 재료의 성형 시 성형 조건에 따른 성형 특 성을 실험을 통해 파악하였다.

Fig. 3 Photograph of the FDM system (Up-Plus)³

Fig. 6 Schematic drawing of direct writing system

Fig. 7 Width of conductive materials for various scanning speed and flow rate¹¹

즉, Fig. 6과 같이 기저판에 수직으로 노즐을 위 치시키고, 노즐의 이송속도와 재료의 주사유량을 변화시키면서 성형되는 선폭을 측정하였다. 실험 에 사용된 노즐의 내경은 250µm이고 노즐과 기저 판 사이의 간격은 50µm 이다. 기저판은 Polyjet 방 식의 상용화된 부가가공 장비인 Eden250(Stratasys) 을 통해 제작하였다.

Fig. 7은 노즐 이송속도를 10~30mm/s로 5mm/s 씩 증가시키고, 재료 주사유량을 0.4~0.6ml/hr로 0.1ml/hr씩 증가시켜가며 선폭을 측정한 것을 정리 한 것이다. Fig. 7에서 알 수 있듯이 주사되는 유량 이 일정할 때 노즐의 이송속도가 증가하면 선폭이 감소되는 것을 볼 수 있다. 하지만 주사유량에 따 른 선폭의 변화는 상대적으로 크지 않다. 본 연구 에서는 3차원 회로장치의 제작에 일정한 토출이 유지되며 회로 구성에 유리한 선폭을 구현하기 위 해 노즐 이송속도 25mm/s와 재료 주사유량 0.6ml/hr 가 사용되었다. 이때 성형되는 전도성 재료의 선폭 은 650 µm이다.

Fig. 8 Circuit diagram of CdS cell

4. 3 차원 조도센서의 제작 4.1 회로구성

본 연구에서 제안한 공정으로FDM 방식과 SL 방식을 이용하여 동일한 기능을 갖는 3차원 회로 장치를 각각 제작하였다. 3차원 회로 장치 제작을 위하여 LED, 스위치, 건전지, 저항, 트랜지스터, CdS 광도전소자 등의 회로 소자로 구성된 회로를 이용하였다(Fig. 8). 이는 밝은 환경에서는 LED가 꺼지고 어두운 환경에서는 LED가 켜지는, 주변 광 량에 따라 LED가 점멸하는 회로이다.

4.2 FDM 기반의 3 차원 조도센서 회로 제작 FDM 기반의 3차원 회로 장치를 구성하는 구 조물은 전체 40층으로 제작되었다. 한편, 회로 소 자는 5개의 층에 걸쳐 3차원으로 배열하였다. 그 리고 회로 도선은 같은 층의 회로 소자 간의 수평 방향 및 서로 다른 층간의 연결을 위한 수직방향 연결로 구성되어 있다. 특히, 각 층간의 수직방향 의 전기적인 연결을 위해 회로가 위치한 층들 사 이에 수직방향의 홈을 성형하고, 여기에 전도성 재료를 주입하였다.

한편, 부가가공 기술의 특성상 구조물 내부에 홈을 제작하기 위해서는 지지대가 필요하다. 하지 만, 3차원 회로 장치 제작 공정에서는 내부 홈에 회로 소자가 채워지기 때문에 별도의 지지대는 필 요하지 않다. Fig. 9는 단면홈에 회로소자를 삽입하 고 도선을 성형한 사진이다. 제작된 3차원 조도 센서는 주변 광량에 따라 LED가 점멸하는 것을 확인하였다(Fig. 10).

4.3 SL 기반의 3 차원 조도센서 회로 제작 SL 방식을 기반으로 제작된 구조물은 총 108층

으로 제작되며, 그 중 3개의 층에 회로 도선 및 회 로 소자가 3차원으로 배열되어 있다. 회로 도선은 FDM 기반의 3차원 회로와 마찬가지로 같은 층의 회로 소자 간의 수평방향 연결과 여러 층에 위치한 회로 소자 간의 수직방향 연결로 구성되어 있다.

하지만 SL 기반의 공정에서는 구조물을 이루 게되는 재료가 액체상태이기 때문에 FDM방식에서 와 동일하게 수직 홈을 제작한 후 전도성 재료를 주사하여 수직방향 연결을 할 수 없다. 이는 회로 소자를 삽입하고 전도성 재료를 토출하기위해 성 형 과정에서 구조물 세척 시 이전에 토출되어 경 화된 전도성 재료들의 일부가 함께 세척되기 때문 이다. 따라서 액체 재료 기반의 SL 방식을 이용한 3차원 회로 장치 제작에서 수직방향의 연결은 층 두께의 배수 길이를 갖는 소자핀을 이용하였다. 한 편, 수직방향으로 위치한 소자핀을 전도성 재료로 연결하기 위해서는 SL 구조물의 층 높이와 같은 위 치에 소자핀이 정확히 위치해야 한다. 따라서 Fig.

11과 같이 층 두께의 n배에 해당하는 높이를 갖는 소켓을 제작하고, 여기에 소자를 삽입하였다. Fig.

12는 단면층에 회로소자 및 도선이 성형된 사진이 다. 제작된 3차원 조도 센서 회로의 주변 광량에 따라 LED가 점멸하는 것을 확인하였다(Fig. 13).

(a) Schematic drawing of socket

(b) Designed socket Fig. 11 Component socket¹¹

Fig. 12 Inserted circuit elements and patterned circuit wire during fabrication process (SL)¹¹

Fig. 13 Operation check of CdS cell circuit based on SL System¹¹

Fig. 9 Inserted circuit elements and patterned circuit wire during fabrication process (FDM)

Fig. 10 Operation check of CdS cell circuit based on FDM system

Structure material

Conductive material

한 직접주사 방식을 이용한 회로 도선 성형에서 성형 조건에 따른 선폭의 변화를 확인하였다. FDM 방식에서는 층간의 전기적 연결을 위해 성형된 홈 에 전도성 재료를 토출하였다. SL방식에서는 세척 등의 이유로 소켓에 회로소자를 삽입하여 층간의 전기적 연결을 구현하였다. 이상의 연구 결과를 통해 두 종류의 서로 다른 부가가공 기술을 기반 으로 하지만 동일한 기능을 갖는 3차원 회로장치 를 각각 제작하였다. 즉, 회로 소자를 3차원으로 배열 하였고 회로 도선을 3차원으로 성형하여 정 상적으로 작동하는 단순한 형태의 3차원 회로 장 치를 제작하였다.

후 기

이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재 원으로 한국 산업기술진흥원의 기초연구사업 (2012- 021063)과 2010년도 정부(교육과학기술부)의 재원 으로 한국연구재단의 기초연구사업(2010-0023501) 의 지원을 받아 수행된 것임.

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