특허기술 테마분석<2>

광대역 평판형 안테나의 특허동향 및 기술의 발전




특허기술정보를 어떻게 활용할 것인가에 따라 기업의 기술개발과 경영에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 기술개발을 위한 기초자료수집 및 개발영역선정, 공백기술파악 등의 기술정보 분야를 비롯하여 경쟁사의 제품개발동향, 기술시장의 참여상태 등 경영정보 분야에 용이하게 활용할 수 있다.
또한, 권리침해상태, 취득권리범위확인, 특허취득 가능 여부를 살펴 볼 수 있다. 이러한 특허기술정보의 활용은 선행특허정보를 조사하여 정확하게 분석하여야 하며 또한, 분석된 정보를 기술개발과 경영적 부분에 연결함으로써 활용가치를 극대화시킬 수 있어 기업의 지식정보화에 초석이 될 것이다.

1. 전자파(EMI)차페용 코팅기술의 개요
반도체기술의 발달에 따라 첨단 전자 및 컴퓨터산업의 눈부신 발전을 가져오고 또한, 전자파의 이용도 급격히 증가하게 되었다. 이에 따라 수많은 전기, 전자기기들이 만들어져 우리의 생활을 편리하게 하고 있고, 많은 기기들이 우리 생활의 필수적인 요소가 되어, 이제는 이들이 없는 사회는 상상조차 할 수 없게 되었다.
이 전자파는 바람직하지 않은 면에서 우리 생활에 직접 또는 간접으로 영향을 미치게 되어, 일반에게 잘 알려진 수질오염, 대기오염, 소음 등과는 특성이 다른 환경공해인 스펙트럼 오염으로 등장하게 되었다.
전자파에 대한 인체 유해성의 위험으로 전자파의 규제가 범세계적으로 강화되고 있는 추세이며 이미 미국에서는 호르몬 분비 이상과 암유발 등의 질병이 전자파와 연관성이 있다는 연구가 보고된 바 있어 전자파 차폐의 필요성이 더욱 부각되고 있다. 그러나 아직 국내의 플라스틱 도전체 제조기술은 선진국에 비해 많이 낙후된 상태이며, 차폐재의 대부분도 미국과 일본에서 수입하고 있는 실정이다. 따라서 우수한 전자파 차폐기술을 독자적으로 개발함으로써 수입대체는 물론 수출까지 이루어 무역수지를 크게 개선할 수 있다.

1) 무전해 도금(Electroless plating)방법을 통한 자자파차폐
이 방법은 플라스틱의 일부를 에칭용액 및 화학적 침전조에 담그는 방법으로서 자가 촉매작용 및 화학적 도금과정에 근거하여 순수하고, 연속적이며, 균일한 차폐면을 얻을 수 있는 장점이 있다. 플라스틱 판에 먼저 순수한 구리를 코팅하고, 그 위에 다시 nickel-phosphorus alloy(4∼10%P)로 코팅하는 방식이 있다. 각각의 코팅면은 각기 특별한 성능을 제공하며, 전체적인 전자파 차폐효과에 상승작용을 일으킨다. 얇고 전도성이 좋은 구리 박막은 전기장 차폐와 평면파 차폐의 역할을 하며, 그 위에 코팅된 nickel-phosphorus는 구리 박막이 산화되거나 부식되는 것을 막아주는 역할을 한다.
전체를 완전히 금속화시키는 방법과 부분적으로 단지 특정 부분만 금속화시키는 방법(그림1)이 있다. 선택과정의 경우, 도금하고자 하는 플라스틱 부분에 특별한 전도성 유기 코팅재료를 스프레이하고, 다른쪽 면은 도금하고자 하는 면과 그렇지 않은 면을 구별하기 위해 마스킹을 한다. 이후 도금은 전형적인 양면 도금방식과 같은 방식(그림2)으로 진행되며, 기판코트(base coat)를 칠한 부분에만 도금이 이루어진다.

Electroless Nickel
Electroless Copper
Plastic Substrate
Electroless Copper
Electroless Nickel
<그림1. 양면도금 과정>
Electroless Nickel
Electroless Copper
Base Coat
Plastic Substrate

<그림2. 선택도금 과정>

무전해 도금(Electroless plating)방법을 통한 자자파차폐는 기본적으로 구리 박막의 두께에 관계되며, 표면저항 또는 임피던스는 주어진 구리박막의 두께에 대해서 표면의 거칠기에 영향을 받는다.

2) 도전성 코팅(CONDUCTIVE COATING)
도전성 코팅은 필요한 정도의 전기전도도를 얻기 위해 니켈, 구리, 은, 또는 그래파이트 등과 같은 전도성 분말이나 후레이크(flake)를 비닐, 아크릴, 폴리우레탄, 에폭시 등과 같은 수지에 섞어 만든 전도성 도료를 사용하는 전형적인 방법이다.
플라스틱 체가 도전성을 갖게 하기 위해 가장 많이 쓰이는 도전화방법 중 하나는 플라스틱 체 표면에 도전성 도료로 도전층을 형성시키는 방법이다. 이러한 도전성 도료의 전기적 특성은 단위 두께당의 표면 저항률이나 단위체당 저항률 또는 도전율로 표시한다. 또한, 많은 경우에 있어서 구리에 대한 상대 도전율로 표시하기도 한다.
대개의 전도성 도료는 전도성 분말이 화학용제에 섞여져 있으며, 다양한 스프레이 방식으로 도포되는데, 전형적인 스프레이 방식으로서 HVLP(High Volume Low Pressure) 장치가 많이 사용되고 있다. HVLP 장치는 종래의 고압 스프레이 장치에 비해 도료의 전달 효율이 좋으며, 30∼40%의 과도한 도포 손실을 줄일 수 있다. 전도성 도료를 도포할 때, 도포할 곳과 도포하지 않을 곳은 앞에서의 선택도금 방식과 마찬가지로 마스킹 기법을 적용한다.

3) 진공증착
진공증착법은 진공 중에서 금속, 금속화합물 또는 합금을 가열, 증발시켜서 증발금속 또는 증발금속 화합물을 목적물질의 표면에 응축하게 하여 박막(薄膜)을 형성시키는 방법이다. 도금물체는 금속이든 비금속이든 좋으며, 그 작업조작은 장치만 완전하면 매우 간단하다.
이 방법은 증발되는 가스가 많으므로 도금속도는 크나, 증발입자가 가지고 있는 에너지가 열에너지 뿐이여서 적으므로 밀착강도가 작고, 증발가스는 광선과 같이 직선적이기 때문에 소재의 뒷면 등은 도금이 되지 않으므로 기판을 회전시켜 주는 장치가 필요하다.
일반적으로, 진공증착은 하나의 과정으로 여겨지지만, 각각의 3가지 단계로 구분될 수 있다. 첫째, 액체나 고체의 응축상에서 기체상태로의 전이과정 둘째, 감소된 chamber내의 압력하에서 증발원과 기판사이의 공간을 통한 증기상의 횡단 셋째, 기판에 도착한 증기상의 응축과정으로 분류되어 진다. <그림3>은 저항가열식 진공증착장비의 구조를 나타낸 것으로 챔버, 진공펌프, 진공게이지, 부분압력 게이지, 증착 source, 기판홀더, rate monitors, 과정제어기(process controller)등으로 구성되어 있다.

4) 스퍼터링(SPUTTERING)식 진공증착
스퍼터링이란 수 십 KeV이상의 운동에너지를 가진 이온을 고체의 타겟트에 조사시켜 타겟트 표면 근방의 원자가 입사 이온이 가진 에너지의 일부를 얻어서 타겟트의 표면에서 분리되어 진공중으로 방출되는 현상으로 高 에너지의 입자와 방출되는 표면 원자 사이의 충돌에 의해서 일어난다. 가속 입자로는 이온, 원자, 중성자, 전자 혹은 광전자 등이 이용된다.
Sputtering 증착은 타겟트에서 방출된 원자나 분자들이 플라즈마 속의 가스들과 충돌 과정을 거치면서 증착됨으로써 이루어질 수 있다.
스퍼터링과 같은 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition)을 사용하여 금속박막을 증착하면 우수한 전자파 차폐특성을 갖는 전도막을 형성시킬 수 있으며 폐수배출이나 대기오염 같은 일체의 오염물질을 방출하지 않는 환경친화적인 공정이며, 코팅재료의 사용 효율이 매우 우수하다. 또한, 최근에는 대용량 Sputtering 장비의 제조기술이 발달됨에 따라 양산에 의한 가격 경쟁력도 갖추게 되었다.
스퍼터링식 진공증착에는 진공조 전체를 방전관으로 하여 그 속에 방전용 가스를 넣고 2극 직류의 글로방전을 일으키는 직류스퍼터링과 저압가스 중에 놓여진 2개의 전극간에 50kHz 이상의 고주파 전기장의 에너지를 흡수하여 점점 가속되어 가스분자를 전리해 전자를 방출하는 고주파 스퍼터링(RF SPUTTERING)방식이 있다.

5) CVD법에 의한 도금장치
CVD법에 의한 도금장치는 기판재료(피도금물)를 가열하여 일정한 온도로 유지시키는 반응실과 그 속에 송입되는 가스의 농도와 조성을 조정하는


<그림4.스퍼터링 장치>

가스제어시스템 또는, 증발용기 및 배출가스의 처리시스템으로 되어 있다. CVD 반응가스의 원료로서의 가스, 산화제 및 환원제로서의 가스, 반응가스를 반응실 내로 공급하기 위한 캐리어(carrier)로서의 가스등으로 되어 있다. 원료가스가 기체일때 배출되면 되지만, 액체나 고체일 때는 증발용기에 넣어서 일정한 온도로 유지하면서 이 액면에 캐리어가스를 흘려서 원료가스와 더불어 반응실내로 보내도록 한다.
열 CVD방법은 피퇴적기판을 가열함으로써 박막형성을 행하며, 대기압하에서 반응시킨 상압 CVD와 양산성 및 단계적용 범위를 향상시키기 위해 감압하에서 막형성을 행한 감압 CVD로 대별한다. 또 플라스마 CVD법은 RF글로방전하에서 전기에너지에 의해 반응을 촉진시켜 박막형성을 행하는데, 이 과정에서는 열을 필요로 하지 않으므로 저온화가 가능하다.
광 DVD는 빛을 조사하여 광화학반응에 의해 박막형성을 하며, 플라즈마법과는 달리 반응과정 중에 적층막에서의 손상을 고려하지 않아도 되며 양호한 막이 형성된다.

<그림6. 광DVD장치 개략도>

2. 전자파(EMI)차폐용 코팅기술의 출원동향
본자료 기간 설정은 출원일을 기준으로 1998년까지의 기간으로 설정하였다. 미국의 등록일과 일본과 한국의 출원일의 형평성을 고려해서 1998년까지의 출원건수로 한정하였다.

1) 주요4국 전체 출원동향
1967년 이후 EMI 전자파 차폐 코팅기술과 관련된 특허는 한국의 경우 260여건, 일본의 경우는 800여건, 유럽의 경우는 160여건, 그리고 미국의 경우는 한국 및 일본과는 달리 공개제도를 채택하고 있지 않은 관계로 정확한 출원건수 파악이 용이치 않아 여기에서는 등록건수를 기준으로 하여 약 340여건이 채택되었다.
<그림7>은 각국의 연도별 출원건수(미국의 경우는 출원년에 따른 등록건수)추이를 나타내고 있다. 전자파 차폐 코팅기술에 관한 출원은 80년대 초반부터 꾸준한 성장세를 보이며 80년대 중반에 정점에 이르렀다가 90년대 초반에 약보합세를 보이다 다시 97년도에 이르러서는 4개국 모두 출원량이 급증하는 경향을 보이고 있다. 이는 전자파 장해 현상의 억제를 위해 70년대부터 불요전자파 방출을 규제하기 시작하였고, 또 박막기술이 반도체 집적기술의 발달과 더불어 고순도, 고품질의 박막형성에 없어서는 안될 기술로 되었기 때문이다.

<그림7. 각국의 연도별 출원동향>

스퍼터링의 기술혁신이 1970년대부터 일어나서 소자손상과 생산성이라는 두 가지 큰 문제점을 해결할 수 있기 때문에 많이 사용되게 되었다. 90년대 중반부터 전자파에 대한 규제가 많이 부각되면서 전자파 차폐기술에 대한 출원이 급증한 것으로 짐작된다.

2) 기술 분류별 총 출원건수 백분율과 주요국의 스퍼터링 기술 개발동향
증착에 관련된 출원이 가장 많이 출원되었으며 전체 총 출원건수의 38%를 차지하였고, 그 다음으로 전도성 코팅기술에 대한 출원이 전체의 23%를 차지하여 증착과 전도성 코팅기술이 전자파 차폐


위-<그림8. 기술 분류별 총 출원건수 백분율>
아래-<그림9. 주요국의 스퍼터링 기술 개발동향>

코팅기술의 흐름을 주도하고 있음을 알 수 있다.
그러나 습식 전기도금 방법과 전도성 도료의 스프레이 코팅 방법은 폐수방출 및 환경오염 문제를 가지고 있고, 특히, 습식 전기도금 방법은 중금속 폐수방출로 인해 수질 오염을 유발하며 작업환경이 열악하다. 최근 들어 환경문제에 대한 관심 증대와 관련 법규의 강화로 인해 수질오염 방지를 위한 폐수 정화처리 시설을 필수적으로 갖춰야만 하게끔 되어, 그에 따른 시설 투자비가 제품 생산비 상승으로 이어져 습식 전기도금 방법의 장점인 低 비용 생산이 불가능해지고 있어 앞으로 출원이 저조할 것으로 예상되며, 그런 점에서 환경친화적인 진공증착 기술이 부각될 것으로 짐작할 수 있다.

3) 한국의 출원인 동향
전자파 차폐 코팅기술에 관한 연도별 출원건수 분포와 해당연도의 출원건수 분포를 <그림 6>에 나타내었다. 앞에서도 언급했듯이 한국의 경우 96년을 이후로 단위 출원인별 출원건수가 증가하고 있음을 알 수 있다.
특히, 1996년 이후를 보면 단위 출원인에 대한 출원건수가 상당히 증가하는 추세를 보이는데, 이는 연구인력이 연구활동을 활발히 진행되었던 것을 볼 수 있으며, 1999년의 급격한 감소세는 공개되지 않았던 자료가 있었기 때문이며, 실제로는 1998년보다는 많은 출원이 이루어졌을 것으로 예상된다.

<그림10. 연도별 출원인수-출원건수 비교분포>

4) 한국의 다출원 상위사의 기술별 출원건수 분포
80년대 말까지는 출원이 저조한 편이다가 90년도에 접어들면서 출원이 증가하는 추세다.
이는 1989년 6월에 전자파 환경에 관련된 문제를 학·연·산 공동으로 협력하고 해결하기 위해 한국 전자파 기술협회가 창립된 데서 기인한다고 볼 수 있다.
90년대 초반에 국내에 꾸준한 출원이 진행되고 있으며, 1997년에서는 출원이 폭발적으로 급등한 양상을 나타내고 있다. 이는 1996년부터 EU(유럽연합)에서 모든 전자기기에 대하여 전자기장에 대한 내성을 요구하고 있으며, 국내의 대미수출이 증가하는데서도 기인한다.


<그림11. 세부기술별 연도별 출원 추이>

2000년부터 우리나라에서도 정보통신기기를 비롯하여 단계적으로 내성시험을 강제규정으로 실시할 예정이므로 전자파 차폐를 위한 코팅기술에 대해서는 국내 출원이 계속 증가하는 추세로 갈 것이다. 그림에서 보여지듯이 박막기술과 관련된 증착기술은 앞으로도 계속 증가하는 추세로 갈 것으로 예상된다.
<그림12>를 보면 (주)삼성전자, (주)엘지전자, (주)삼성 에스디아이가 전도성 코팅기술에 출원분포가 높게 나타나고 있으며, 반도체 집적기술의 발달과 더불어 고순도, 고품질의 박막기술의 요구로 증착기술의 출원분포가 높게 나타남을 알 수 있다. 또 1981년 1월1일자로 PC가 FCC 대상제품으로 법제화됨으로써 최근에 우리산업체의 PC에 대한 대미수출이 급성장 하면서 FCC의 인증문제가 대두된 데도 영향이 있을 것으로 생각된다. 아울러 신흥공업국 제품에 대한 FCC의 시험강화 및 검사


<그림12. 다울원 상위사의 기술별 출원건수 분포>

지연 등은 보이지 않는 수입규제로 효율적인 인증획득의 필요성이 높아지고 있는 데도 기인한다.

3. 전자파(EMI)차폐용 코팅기술의 발전전망
전통적으로 전자파차폐는 전기적 특성이 잘 알려진 금속재료를 사용하여 이루어져 왔다.
그러나 근래에 들어 금속재료에 비해 값이 싸고, 가벼우며, 가공하기가 쉬운 플라스틱 재료 및 복합재료 등이 개발되어 전자 제품의 외장재로 널리 사용되고 있으며, 민수용 전기, 전자제품 등의 외장재로서 급속히 금속재료를 대체해 나가고 있는 실정이다.
그러나 이들 재료는 전자파 차폐효과를 전혀 가지지 않으므로 복사 방출 규제는 물론, 특히 복사내성에 관한 규제에 효과적으로 대응하기 어렵다. 따라서 이들 재료에 도전성을 부과하여 전자파차폐 효과를 갖도록 하기 위해 도전성 도료의 도포, 또는 무전해 도금 등을 하고 있으며, 각종의 도전성 고분자재료 및 복합재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 상황에서 화학적 기상증착(CVD) 방법을 통하여 전자파차폐를 위한 표면처리기술이 비교적 널리 사용되며 향후 발전전망이 양호한 것으로 보인다. 화학적 기상증착(CVD) 방법의 특허기술을 연도별로 발전도로 분석하였다.
<그림13>은 CVD 기술에 대한 기술 발전도를 나타낸 것이다. 화학 기상증착(CVD)기술은 저온에서 기화한 휘발성의 금속화합 물질과 고온에 가열된 모재와의 접촉에 의한 반응이 기초가 되어 목적하는 금속 화합물을 모재 표면에 석출 시키는 방법으로 증착하고자 하는 물질을 함유하는 반응가스를 반응조에 도입하여 가열된 기판 표면에서 열 분해를 일으키도록 함으로써 원하는 물질을 증착한다.


<그림 13. CVD기술에 대한 기술 발전도(1)>

여기서는 CVD기술에 대한 세분류를 CVD, 플라즈마 CVD, 레이저 CVD, 복합기술(이온 플레이팅+스퍼터링+CVD) CVD, 상압 CVD 등으로 분류하였다.
<그림13>에서 기술발전을 살펴보면, 1981년 미쯔비시가 미국에 출원한 US4438368호의 고주파 도파관에 대한 원천기술을 기점으로 하여 발전하기 시작하였다. 이는 플라즈마를 이용한 CVD기술로써, 분자흐름에 레이저광을 조사하여 반응가스의 일부를 활성화시키는 1983년 NEC사의 특허소60-12483호로 발전하여 레이저 CVD기술로 파생하게 된다. 그리고 1985년 이온플레이팅기술, 스퍼터링기술, 플라즈마기술 등 복합기술로 발전(일본특허공개 소62-017101)하게 된다. 이러한 기술들은 80년대 중반을 거처 마이크로파를 이용한 CVD기술(미국특허 US4840139) 등으로 발전하였다.
그리고 <그림14>에서와 같이, 플라즈마 CVD기술은 PVD와 CVD가 복합적으로 결합된 기술(일본특허공개평01-298152)로 발전하여 동일한 진공조내에서 스퍼터리이과 CVD가 가능하도록 구성시켰다.


<그림 13. CVD기술에 대한 기술 발전도(2)>

<그림 13. CVD기술에 대한 기술 발전도(3)>

<그림15>를 보면 1994년에 출원된 전자주입형 플라즈마 생성장치에 관한기술과 이온사이클로트론 공조가열을 이용한 기술, ICP에 의하여 플라즈마 발생수단을 구성시켜 전자파 차단을 위한 표면처리 코팅기술들이 급속도로 출원한 것을 볼 수 있다.
이러한 기술들은 아래 <그림16>에서 볼 수 있듯이 미량의 잔여 할로겐 요소를 포함하는 금속필름을 형성하는 기술인 미국특허 US5962084호로 발전되어 1990년대 후반의 기술로 자리매김하게 된다.


<그림 13. CVD기술에 대한 기술 발전도(4)>

그리고 반도체에 탄화규소막을 형성시켜 전자파를 차폐하도록 구성시킨 1999년도의 한국특허공개 00-023534호의 기술은 한국의 전자파차단을 위한 기술로서 의미가 있는데 출원인이 일본이라는 점에서 아쉬움을 보게 된다.
전반적으로 볼 때, 플라즈마 CVD기술이 연도별로 고르게 분포하고 있으며, PVD기술과 CVD기술을 동시에 접목시킨 기술이 주목되며, 앞으로 기존의 방식을 보완한 방법의 출원이 계속될 것으로 보인다
CVD 기술은 PVD 기술에 비해 아직은 출원이 저조한 편이나, PVD법에 비해 고속입자의 기여가 적기 때문에 기판 표면의 손상이 적은 잇점이 있으므로 주목되고 있으며 국제적으로도 기술 개발을 서두르고 있는 분야이기 때문에 출원이 점차로 증가할 전망이다.

 

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