점차 미세해지는 피치, 작아지는 애퍼처, 강화되는 환경규제 등에 맞춰 스텐실 세척 롤도 변화하고 있다. 

약 90%의 효과를 보이는 직조되지 않은 폴리프로필렌은 이 글에서 설명하는 모든 제품 중에서 가장 효과가 좋은 제품이다. 이 제품의 섬유는 팽창하지 않고 습식일 때에도 물리적 속성이 변하지 않기 때문에 습식·건식 주기를 모두 필요로 하는 세척 공정에서 이상적인 재료로 평가받고 있다.

서론

파인피치 애플리케이션 및 소형 애퍼처가 표준으로 자리 잡음에 따라 스텐실 세척 롤의 성능이 그 어느 때보다 중요해졌다. 

따라서 이 글은 솔더 페이스트 스텐실 인쇄 엔지니어 및 스텐실 세척제 구매자가 여러 종류의 스텐실 세척 페이퍼·패브릭에 대해 명확히 이해한 상태에서 관련 제품을 구매할 수 있도록 도와주기 위해 작성했다.

시장에서의 주요 제품 

· 셀룰로스·폴리에스터 페이퍼 

· 직조되지 않은 hydro-entangled 셀룰로스·폴리에스터

· 레이온(viscose)·폴리에스터 페이퍼·패브릭

· resin bonded 레이온(viscose)·폴리에스터

‌· 직조되지 않은 100% 폴리프로필렌각 제품의 두께는 40g/m2에서 65g/m2까지 다양하다.

제조 공정 및 환경 영향

셀룰로스 제품은 모두 동일한 공정으로 시작한다. 강한 알칼리성인 수산화나트륨(NaOH)과 함께 셀룰로스에 반응하기 때문에 이를 알칼리 셀룰로스라 하는데, 이는 제조된 셀룰로스 제품의 유형에 따라 미국 환경보호국에 의해 공기 오염물질로 분류된 메틸렌 클로라이드, 클로로아세트산, 산화에틸렌 및 산화프로필렌과 반응한다.

레이온(viscose)도 셀룰로스와 동일한 공정으로 시작한다. 하지만 알칼리 셀룰로스는 독성이 강한 이황화탄소(CS2)와 반응하기 전에 에이징되어 오염물질로 분류된다.

이 단계에서 일반적으로 50%의 이황화탄소만 복원할 수 있으며, 나머지는 그대로 환경에 노출된다. 따라서 황산(H2SO4) 욕조에서의 압출 및 침전은 오염물질로 분류된 황화수소 가스(H2S)를 유발하는 결과를 불러온다. 이처럼 레이온은 특히 제조 시에 환경에 많은 영향을 미치는 제품이며, 이로 인해 개발도상국에서 발생하는 산림파괴의 원인이기도 하다.

또한 테레프탈산과 에틸렌글리콜의 반응에 의해 만들어지는 폴리에스터는 상당량의 에너지와 물을 사용한다.

과하게 반응하지는 않지만 중합 이후 공정에 사용된 화학물질은 반응성과 독성이 높으며, 발암성 물질을 일부 포함하므로 작업자들은 보호복 및 보호장비를 꼭 갖춰야 한다. 

이는 100%로 완벽하게 고분자화가 진행되면 상관없지만 이것이 불가능해서 화학물질이 폴리에스터에 남기 때문이다. 또한 냉각 프로세스는 폐쇄형 주기를 가지고 있기 때문에 이 프로세스에서 사용되는 물이 외부로 흘러나가지 않으며, 플라스틱 제조업체 연합의 환경 제품 선언(EPD)인 Plastics Europe에 따르면 폴리프로필렌은 독성 폐기물이나 방사물이 없으며 탄화불소나 할로겐도 포함하고 있지 않아 환경에 영향을 거의 미치지 않는 특성이 있다.

그리고 속성의 손상 없이 최대 50회 재활용할 수 있고 열량이 높아 연소 시 방출되는 CO2를 통해 에너지를 제공하기도 한다.

셀룰로스를 사용한 제품은 표백해야 한다. 그 이유는 친환경 대체재(예, 페로사이드 등)를 사용하는 선진국과는 달리 개발도상국에서는 염소 가스 또는 이산화염소를 사용할 가능성이 높기 때문이다.

염소에 대한 테스트를 통해 다음과 같은 사실을 알 수 있었다.

셀룰로스·폴리에스터 페이퍼는 다음을 포함한다(출처 : 중국)

· 염소: 11μg/g

· 황: 87.5μg/g

· PP의 18.7배

· 레이온 (viscose)·폴리에스터 페이퍼·패브릭 포함(출처 : 인도)

· 염소: 4.56μg/g

· PP의 7.77배

· 직조되지 않은 폴리프로필렌 섬유는 다음을 포함한다1).

· 염소: 0.587 μg/g

다시 강조하자면 직조되지 않은 100% 폴리프로필렌 섬유는 상단(top)에서 나오며 염소 함량이 가장 낮은데, 그 이유는 표백이 공정 내에 포함되지 않았기 때문이다.

폴리프로필렌은 이 글에서 다루고 있는 다른 제품들과 비교할 때 가장 친환경적이다. 따라서 강화되는 환경 정책에 맞춰 모든 사용자는 이 부분에 대해 진지하게 고려해봐야 할 것으로 보인다.

구성이 세척력에 미치는 영향

셀룰로스·폴리에스터 페이퍼

섬유는 제조 공정을 거치고 나면 하나의 선형 방향과 매끄러운 표면을 가진다. 단방향 섬유는 직조되지 않은 섬유만큼 세척력이 좋지 않은데, 그 이유는 라인 사이의 공간이 작아 세척력이 저하되기 때문이다. 이 같은 속성으로 인해 페이퍼 표면에 남아 있는 솔더볼이 페이퍼의 섬유 구조 내에서 캡처되지 않아 오염을 유발할 수 있다.

그림 1에 페이퍼 표면의 솔더볼을 400배의 배율로 확대한 이미지를 나타냈다. 이 중 오른쪽은 단방향의 지배적인(dominant) 섬유 방향을 나타낸다.

▲ 그림 1. 잠재적 오염을 야기하는 페이퍼 표면의 솔더볼(좌), 단방향 섬유 방향을 가진 페이퍼 표면의 솔더볼을 400배의 배율로 확대한 이미지(우)

매끄러운 표면, 섬유의 방향이 단방향, 섬유 구조의 밀도 등은 진공 효과에 영향을 미치는 요소이다. 특히 셀룰로스·폴리에스터 페이퍼는 습식 진공 주기에서 제대로 작동하지 않는다. 그 이유는 셀룰로스 섬유가 포함되어 액체가 표면에 들어오기 전에 섬유가 포화되어야 하기 때문에 더 많은 용제(예, 솔벤트 등)가 필요하기 때문이다.

만약 페이퍼가 젖는다면 건조돼있는 페이퍼와는 물리적 속성 측면에서 상당히 다르다. 그 이유는 섬유가 팽창하고 페이퍼는 흐늘거리기 때문인데, 이러한 문제는 진공 효과에도 영향을 미쳐 페이퍼 잼을 유발할 수 있다.

그림 2에는 셀룰로스·폴리에스터 페이퍼가 진공 주기에서 얼마나 비효율적인지를 보여준다. 이 그림을 보면 애퍼처가 완전히 채워지고 과도하게 페이스트가 제거되어 있는 사실과 진공 상태가 솔더 페이스트를 제거하는 충분한 공극(porosity)을 제공하지 못한다는 것을 알 수 있다.

▲ 그림 2. 셀룰로스·폴리에스터 페이퍼는 진공 주기에서 비효율적이다

Hydro-entangled 셀룰로스·폴리에스터

이번에는 hydro-entangled 셀룰로스·폴리에스터에 대해 다뤄보려고 한다. 

이 제품은 ‘어떠한 화학적 바인더도 사용되지 않는다’는 사실과 달리 전반적인 구성은 앞서 설명한 셀룰로스·폴리에스터 페이퍼와 비슷하다.

또한 고압 워터 제트 및 hydro ent-angling을 통해 섬유를 완전히 차단할 수 있다. 하지만 그림 2에서 확인할 수 있듯이 섬유에 지배적인 선형 방향이 나타난다. 

이 공정으로 인해 훨씬 표면이 매끄럽고 보다 세밀한(compact) 페이퍼를 만들어낼 수 있기 때문에 결과적으로 세척력이 줄어들고 섬유 보이드가 줄어 페이퍼 면적밀도가 높아진다. 

이로 인해 더 좋은 섬유를 만들 수 있는 반면(스텐실 세척을 위해 필요하지 않음), 진공 효과는 줄어든다.

이는 큰 모순이 있는 부분인데 공기가 통과할 공간이 줄어드는 것은 효과적인 진공 주기를 확보하기 위해 필요하지만, 스텐실 세척에서 필요하지 않은 더 좋은 섬유를 만드는 것은 불필요하기 때문이다.

앞서 설명한 셀룰로스·폴리에스터 페이퍼에서처럼 모든 액체가 표면으로 들어가기 전에 포화되어야 하는 섬유들에는 많은 용제가 필요하다. 

또한 이 제품 또한 페이퍼가 젖어 있을 때와 건조된 상태일 때의 물리적 속성에 차이가 있으며, 이점 때문에 진공 효과에 부정적인 영향을 미치는 것과 동시에 페이퍼 잼을 유발할 수도 있다.

▲ 그림 3. 고르지않은 세척을 야기하는 지배적인 직조 방향(좌), 세척에 사용되지 않는 페이퍼의 큰 면적(우)

레이온(viscose)·폴리에스터 페이퍼·패브릭

앞서 설명한 셀룰로스·폴리에스터 페이퍼 파트에서 설명한 부분들은 이 제품과도 관련이 있다. 제조 시에 환경적인 관점에서 보면, 이 제품을 SMT 스텐실 와이퍼 롤로 사용하길 바라는 사람들에게 의구심이 들 정도로 환경에 좋지 않다.

하지만 레이온은 인공 실크로 자주 언급될 만큼 스텐실 세척 분야에서 큰 기대를 받고 있는데, 그 이유는 매우 부드럽고 광택이 있는 마감재이기 때문이다.

매끄러운 표면, 하나의 지배적인 섬유 방향, 섬유 구조의 밀도 등의 요소들이 공기가 페이퍼를 통과하는 공간을 정의하며, 진공 효과에 영향을 미친다는 것은 앞선 파트에서도 설명했었다. 이에 따라 그림 4에 이 제품이 진공 주기에서 얼마나 비효율적인지에 대해 나타냈다.

▲ 그림 4. 부적절한 진공 효과 때문에 약 85%의 솔더 페이스트가

제거되지 않았다

이 그림을 보면 애퍼처가 완전히 채워지고 과도한 페이스트는 제거되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 진공이 솔더 페이스트를 제거하는 충분한 공극(porosity)도 없다는 것을 알 수 있다. 

이러한 이유로 셀룰로스·폴리에스터 페이퍼보다 더 나쁘다고 할 수 있다. 하지만 이러한 요인에도 불구하고 표면의 매끄러운 질감 때문에 한동안 관심을 받을 것으로 보인다.

직조되지 않은 100% 폴리프로필렌 

이 재료에서 섬유는 세척에 적합한 표면을 제공하는 단일 섬유 방향이 없고 완전한 무작위 방향을 갖는다. 또한 마찰 및 마모의 계수 간 상관관계 부분에서도 재료를 제외하면 동일한 부분이 없다.

폴리프로필렌의 마찰 계수는 0.2∼0.6 수준이지만 다른 재료도 마찬가지이기 때문에 마모되었다고는 할 수 없다. 언더 스텐실 세척을 보면 효과적인 세척을 위해서는 적정 마찰이 필요한데, 폴리프로필렌은 이를 충족해 마모 없이 긴 스텐실 수명을 가질 수 있다.

그림 5에는 지배적인 섬유 방향이 없다는 것을 보여주기 위해 400배 확대한 사진을 나타냈다. 이 중 오른쪽 사진에는 솔더 페이스트와 솔더볼이 섬유 구조 내에서 트랩된 것을 보여주고 있는데, 이 때문에 모든 오염을 막을 수 있다.

▲ 그림 5. 지배적인 섬유 방향이 없는 페이퍼 표면을 400배 확대한 사진

100% 폴리프로필렌은 직조되지 않은 건식(dry-laid) 제품으로써 섬유 사이의 공간이 충분해 매우 효과적인 진공 공정, 습식 및 건식을 보장하는 등 고성능 스텐실 와이퍼 롤에 필요한 모든 속성을 포함하고 있다. 

이는 그림 6을 보면 알 수 있는데, 그림을 보면 애퍼처는 완전히 채워져 있고 과도한 페이스트는 제거되어 있는 것을 확인할 수 있다.

▲ 그림 6. 그림설명 없음

직조되지 않은 폴리프로필렌은 약 90%의 효과를 보이는데, 이는 이 글에서 설명한 모든 제품 중에서 가장 효과가 좋은 수치이다. 

또한 이 제품의 섬유는 팽창하지 않고 습식일 때 어떤 식으로든 물리적 속성이 변하지 않기 때문에 습식·건식 주기를 모두 필요로 하는 세척 공정에서 이상적인 재료로 평가받고 있으며, 열 결합 프로세스로 인해 표면이 매끄럽지 않아 더욱 우수한 세척력을 보장할 수 있다. 용제는 섬유 바디에 흡수되지 않고 외부에 머물며 필요한 곳에 사용되기 때문에 이를 적절히 다룬다면 세척 시 필요한 용제의 양을 줄일 수 있다. 

결론

미세해지는 피치와 작아지는 애퍼처의 흐름에 따라 스텐실 세척 제품은 흐름에 맞춰 지속적인 연구·개발이 이루어져야 한다. 

또한 이외에도 스텐실 세척 와이퍼 롤이 직면한 환경 문제와 작업상의 어려움 등을 신중히 고려한 후 제품을 구매해야 한다.

Dennis O'Brien, M.D.  Swiftmode Group

This article is republished with permission from I-Connect007/SMT.