KR101816028B1 - 금속 접합기판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 접합기판에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 서로 접합되어 있는 비전도성의 기재와 금속층 간의 접합력이 현저히 향상된 금속 접합기판에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 기재; 상기 기재 상에 형성되는 금속층; 및 상기 기재와 상기 금속층 사이에 형성되고, 상기 기재와 상기 금속층을 화학적으로 연결시키는 실레인으로 이루어진 자기조립단분자층을 포함하되, 상기 실레인의 말단기는 6원자 고리의 포화 또는 불포화 헤테로 원자를 포함하는 아미노 실레인으로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 접합기판을 제공한다.

Description

금속 접합기판{METAL BONDED SUBSTRATE}
본 발명은 금속 접합기판에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 서로 접합되어 있는 비전도성의 기재와 금속층 간의 접합력이 현저히 향상된 금속 접합기판에 관한 것이다.
유리는 재료의 높은 투과율과 우수한 열적 안정성 및 기계적 특성을 나타내어, 각종 기능성 용기, 자동차, 건축자재, 그리고 스마트 폰, 디스플레이와 같은 전자소자 분야 등 많은 분야에 응용되고 있다. 현대 산업은 기술 집약적인 분야일수록, 응용에 적합한 소재에 대한 요구가 증가되기 때문에, 유리의 상기와 같은 우수한 특성을 필요로 하는 산업 분야들이 지속적으로 발생하고 있다. 특히, 터치 스크린, 디스플레이 및 반도체 기판 소재 등과 같은 전기 소자들에서는 미세한 전기적 회로 패턴을 형성하는 소자들 간의 전기적 연결이 중요하다. 이때, 상기와 같은 전기 소자들에 유리 소재를 사용하는 경우, 유리 소재 위에 전기 회로를 구현하기 위한 구리(Cu)와 같은 금속 소재의 증착이 필수적이다.
일반적으로, 유리를 디스플레이 공정에 적용하는 경우, 스퍼터(sputter) 장비를 이용하여, 유리 위에 접합력 강화를 위한 시드층(seed layer)을 형성한 후, 그 위에 구리를 증착시킨다. 하지만, 스퍼터와 같은 진공 장비를 사용하게 되면, 장비 및 장비 운용 비용이 고가이고, 장비가 차지하는 부피도 크며, 전체 공정시간 또한 상당히 소요되는 등 많은 문제점들이 발생된다. 특히, 종래에는 주로 2차원적인 즉, 한 방향만으로 구리를 증착한 관계로, 3차원적인 모든 방면에 균질한 증착을 위해서는 장비의 구조적 변형이 필요한데, 이는 추가적인 비용 발생과 설비 부피의 증가를 초래하게 된다.
한편, 무전해 Cu 도금의 경우, Cu2 + 이온의 화학적 환원반응을 통해 도금하고자 하는 매질에 Cu를 석출시켜 도금시키는 공정으로, 전체 공정이 용액기반으로 이루어지고, 전체 시료를 모두 도금할 수 있으며, 대량 생산 공정이 가능하기 때문에, 다양한 산업 분야에 적용되고 있다. 하지만, 유리 기반 재료는 기본적으로 Cu와의 접합력이 좋지 않기 때문에, 서로 간의 접합력을 강화시킬 수 있는 방법이나 기술이 요구되고 있는 상황이다.
대한민국 등록특허공보 제10-0846318호(2008.07.09.)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 서로 접합되어 있는 비전도성의 기재와 금속층 간의 접합력이 현저히 향상된 금속 접합기판을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 기재; 상기 기재 상에 형성되는 금속층; 및 상기 기재와 상기 금속층 사이에 형성되고, 상기 기재와 상기 금속층을 화학적으로 연결시키는 실레인으로 이루어진 자기조립단분자층을 포함하되, 상기 실레인의 말단기는 6원자 고리의 포화 또는 불포화 헤테로 원자를 포함하는 아미노 실레인으로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 접합기판을 제공한다.
여기서, 상기 실레인은 APTMS(3-aminopropyl-trimethoxy silane), MPTMS(3-mercaptopropyl-trimethoxy silane), TESPA(triazinethiol silane), AEAPTMS(trimethoxysilylpropyldiethlenetriamine) 및 DPPETES(diphenylphosphino-ethyltriethoxy silane)를 포함하는 후보군 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 아미노 실레인은 트리아진티올(triazinethiol), 티아진티올(thiazinethiol), 트리옥산티올(trioxanethiol), 피란티올(pyranthiol), 싸이오피란티올(thiopyranthiol), 트리포스포르티올(triphosphorthiol), 스타나벤젠(stanabenzene), 헥사진(hexazine), 피리딘(pyridine), 테트라진(tetrazine) 및 2트리아진-버티컬(2triazinethiol-vertical)을 포함하는 후보군 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어질 수 있다.
그리고 상기 기재는 유리기재로 이루어질 수 있다.
아울러, 상기 금속층은 구리로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 비전도성의 기재와 금속층 사이에 말단기가 6원자 고리의 포화 또는 불포화 헤테로 원자를 포함하는 아미노 실레인으로 형성된 실레인으로 이루어진 자기조립단분자층을 구비함으로써, 이를 매개로 기재와 금속층을 화학적으로 연결시킬 수 있게 되고, 이를 통해, 기재와 금속층 간의 접합력을 현저히 향상시킬 수 있어, 종래 무전해 도금에서 발생되는 접합력 문제를 해결할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 종래에 사용되던 무전해 도금 공정을 생략할 수 있게 되어, 공정 비용을 절감할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 금속 접합기판을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 자기조립단분자층을 이루는 실레인의 종류별 구조를 나타낸 모형도들로,
도 2는 APTMS의 구조를 나타낸 모형도.
도 3은 MPTMS의 구조를 나타낸 모형도.
도 4는 TESPA의 구조를 나타낸 모형도.
도 5는 AEAPTMS의 구조를 나타낸 모형도.
도 6은 DPPETES의 구조를 나타낸 모형도.
도 7 내지 도 16은 실레인의 말단기를 이루는 물질들의 구조를 나타낸 모형도들로,
도 7은 티아진의 구조를 나타낸 모형도.
도 8은 트리옥산의 구조를 나타낸 모형도.
도 9는 피란의 구조를 나타낸 모형도.
도 10은 싸이오피란의 구조를 나타낸 모형도.
도 11은 트리포스토르의 구조를 나타낸 모형도.
도 12는 스타나벤젠의 구조를 나타낸 모형도.
도 13은 헥사진의 구조를 나타낸 모형도.
도 14는 피라딘의 구조를 나타낸 모형도.
도 15는 2트리아진-버티컬의 구조를 나타낸 모형도.
도 16은 테트라진의 구조를 나타낸 모형도.
도 17은 기재와 금속층 사이에 자기조립단분자층의 형성 유무에 따른 결합 에너지 변화를 비교하여 나타낸 모형도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 금속 접합기판에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 금속 접합기판(100)은 예컨대, 터치 스크린, 디스플레이 및 반도체 기판 소재 등과 같은 전기 소자들에 적용되어, 내부 구성을 외부 환경으로부터 보호함과 아울러, 패터닝을 통해 이들에 전기적 회로를 제공하는 모기판이다. 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 금속 접합기판(100)은 기재(110), 금속층(120) 및 자기조립단분자층(130)을 포함하여 형성된다.
기재(110)는 자기조립단분자층(130)을 매개로 금속층(120)과 접합된다. 즉, 기재(110)와 금속층(120)은 각각 자기조립단분자층(130)의 상측 및 하측(도면 기준)과 화학적으로 연결됨으로써, 서로 접합된 구조를 이룬다.
본 발명의 실시 예에서, 이러한 기재(110)는 비전도성 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기재(110)는 소다라임 유리, 무알칼리 유리와 같은 유리기재로 이루어질 수 있다. 하지만, 이는 일례일 뿐, 기재(110)는 유리기재와 유사 혹은 동등한 특성을 갖는 다양한 물질로 이루어질 수 있다.
금속층(120)은 기재(110) 상에 형성된다. 본 발명의 실시 예에서, 금속층(120)은 구리(Cu)로 이루어질 수 있다. 일반적으로, 유리의 표면에 구리를 형성하는 경우, 유리에 대한 무전해 구리 도금 처리를 통해, 유리의 표면에 구리층을 형성한다. 이때, 유리에 대한 무전해 구리 도금의 반응을 보면, Cu2 ++2e-→Cu0와 같이, 도금된 구리는 유리 위에 단순 증착된 형태일 뿐, 유리와 어떠한 화학적인 결합 상태를 이루지 않아, 결국, 구리와 유리는 약한 접합력을 갖게 된다.
본 발명의 실시 예에서는 기재(110)와 금속층(120)을 자기조립단분자층(130)을 매개로 접합시켜, 이들 간의 접합력을 현저히 향상시키는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
자기조립단분자층(self-assembled monolayers; SAMs)(130)은 기재(110)와 금속층(120) 사이에 형성된다. 본 발명의 실시 예에 따른 자기조립단분자층(130)은 실레인(silane)으로 이루어진다. 실레인은 유리로 이루어진 기재(110) 상에 분자 배열이 규칙적으로 잘 이루어져, 단분자층 형성에 유리한 특성을 갖는다.
이와 같이, 자기조립단분자층(130)이 실레인으로 이루어지면, 유리로 이루어진 기재(110)의 표면과 실레인의 실라놀기(silanol group)가 공유결합(covalent bonding)을 이루게 되고, 높거나 낮은 pH 용액에서 실레인의 말단기(terminal group)는 탈수소화되어, 친핵체(nucleophile)로 작용하여, 구리로 이루어진 금속층(120)과도 공유결합을 이루게 된다.
여기서, 구리와의 화학적 친화력을 높일 수 있는 다수의 질소, 황, 산소 등을 포함하는 헤테로고리화합물(heterocyclic compound) 말단기를 사용하면, 실레인으로 이루어진 자기조립단분자층(130)과 금속층(120) 간의 접합력 향상이 가능해진다. 또한, π-공액분자(π-conjugated molecule)가 금속표면에서 화학결합을 이루는 특성을 이용하면, 자기조립단분자층(130)과 금속층(120) 간의 접합력 향상에 효과가 있다.
이에, 본 발명의 실시 예에 따른 자기조립단분자층(130)을 이루는 실레인의 말단기는 상기의 두 특성을 융합한 6원자 고리(6-membered rings)의 포화 또는 불포화 헤테로 원자를 포함하는 아미노 실레인(amino silane)으로 이루어진다.
이와 같이, 자기조립단분자층(130)이, 말단기가 6원자 고리의 포화 또는 불포화 헤테로 원자를 포함하는 아미노 실레인으로 형성된 실레인으로 이루어지면, 자기조립단분자층(130)의 일측과 타측이 각각, 기재(110) 및 금속층(120)과 화학결합을 이루게 되어, 결국, 자기조립단분자층(130)을 매개로 연결되어 있는 기재(110)와 금속층(120) 간의 접합력이 현저히 향상될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 자기조립단분자층(130)을 이루는 실레인으로는 APTMS(3-aminopropyl-trimethoxy silane), MPTMS(3-mercaptopropyl-trimethoxy silane), TESPA(triazinethiol silane), AEAPTMS(trimethoxysilylpropyldiethlenetriamine) 및 DPPETES(diphenylphosphino-ethyltriethoxy silane)를 포함하는 후보군 중 선택된 어느 하나가 사용되거나 둘 이상이 조합된 형태로 사용될 수 있다.
여기서, 도 2 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 실레인으로 APTMS가 사용된 경우, 구리로 이루어진 금속층(격자 배열 입자; 도면 기준)과의 결합 에너지(Ebinding)는 -2.85eV, 실레인으로 MPTMS가 사용된 경우, 금속층과의 결합 에너지(Ebinding)는 -3.31eV, 실레인으로 TESPA가 사용된 경우, 금속층과의 결합 에너지(Ebinding)는 -4.78eV, 실레인으로 AEAPTMS가 사용된 경우, 금속층과의 결합 에너지(Ebinding)는 -4.89eV, 실레인으로 DPPETES가 사용된 경우, 금속층과의 결합 에너지(Ebinding)는 -4.50eV로 측정된다. 이때, 결합 에너지가 낮을수록 실레인과 금속층 간의 접합력이 우수함을 의미한다. 또한, 상기의 결합 에너지는 유리기재와 구리 사이에 실레인이 형성된 경우, 실레인과 구리 간의 결합 에너지가 아닌, 유리기재가 배제된 상태에서의 실레인 자체와 구리와의 결합 에너지이다.
또한, 도 7 내지 도 16에 나타낸 바와 같이, 실레인의 말단기로는 트리아진티올(triazinethiol; NH(CH2)3Si(OMe)3), 티아진티올(thiazinethiol; (CH2)2Si(OMe)3), 트리옥산티올(trioxanethiol; NH(CH2)2Si(OMe)3), 피란티올(pyranthiol; NH(CH2)2Si(OMe)3), 싸이오피란티올(thiopyranthiol; NH(CH2)2Si(OMe)3), 트리포스포르티올(triphosphorthiol; NH(CH2)3Si(OMe)3), 스타나벤젠(stanabenzene; NH(CH2)2Si(OMe)3), 헥사진(hexazine; NH(CH2)3Si(OMe)3), 피리딘(pyridine; NH(CH2)2Si(OMe)3), 테트라진(tetrazine; NH(CH2)3Si(OMe)3) 및 2트리아진-버티컬(2triazinethiol-vertical; NH(CH2)3Si(OMe)3)을 포함하는 후보군 중 선택된 어느 하나가 사용되거나 둘 이상이 조합된 형태로 사용될 수 있다.
도 17은 기재와 금속층 사이에 자기조립단분자층의 형성 유무에 따른 결합 에너지 변화를 비교하여 나타낸 모형도로, 왼쪽의 모형도는 유리기재 상에 구리가 직접 형성된 구조이다. 이 경우에는 유리기재와 구리 간의 결합 에너지(Ebinding)가 -2.8eV를 나타낸다. 반면, 오른쪽 모형도는 본 발명의 실시 예와 같이, 유리기재와 구리 사이에 실레인, 즉, 상기 도 7 내지 도 16의 말단기들 중 어느 하나를 갖는 TESPA가 형성된 구조이다. 이 경우에는 TESPA와 구리 간의 결합 에너지(Ebinding)가 -8.145eV를 나타낸다. 이와 같이, 유리기재와 구리를 실레인을 매개로 연결시키면, 결합 에너지(Ebinding)가 대략 3배 가량 증가되는데, 이는, 유리기재와 구리 간의 접합력이 실레인을 통해 현저히 향상되었음을 의미한다.
여기서, 유리기재와 구리를 실레인을 매개로 연결시킨 경우, 유리기재 상에 구리를 직접 형성한 경우보다 결합 에너지가 증가되는 이유는 6원자 고리의 포화 또는 불포화 헤테로 원자를 포함하는 아미노 실레인으로 이루어진 실레인의 말단기로 인해, 유리기재에 구리가 직접 연결될 때보다 구리와 실레인이 결합하는 본딩 사이트(bonding sites)가 상대적으로 증가되었기 때문이다.
한편, 유리기재와 구리 사이에 실레인이 형성된 경우의 실레인과 구리 간의결합 에너지(Ebinding)를 상기 도 2 내지 도 6의 실레인 자체와 구리 간의 결합 에너지(Ebinding)와 비교해보면, 실레인-구리 구조에서의 실레인과 구리의 결합 에너지(Ebinding)보다 유리-실레인-구리 구조에서의 실레인과 구리의 결합 에너지(Ebinding)가 훨씬 더 증가되는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 금속 접합기판(100)은 비전도성의 기재(110)와 금속층(120) 사이에 말단기가 6원자 고리의 포화 또는 불포화 헤테로 원자를 포함하는 아미노 실레인으로 형성된 실레인으로 이루어진 자기조립단분자층(130)을 구비한다. 이를 통해, 금속 접합기판(100)은 기재(110)와 금속층(120)을 화학적으로 연결시킬 수 있게 되어, 기재(110)와 금속층(120) 간의 우수한 접합력을 나타내게 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 금속 접합기판 110: 기재
120: 금속층 130: 자기조립단분자층

Claims (5)

  1. 기재;
    상기 기재 상에 형성되는 금속층; 및
    상기 기재와 상기 금속층 사이에 형성되고, 상기 기재와 상기 금속층을 화학적으로 연결시키는 실레인으로 이루어진 자기조립단분자층;
    을 포함하되,
    상기 실레인의 말단기는 6원자 고리의 포화 또는 불포화 헤테로 원자를 포함하는 아미노 실레인으로 이루어지고,
    상기 실레인은 TESPA(triazinethiol silane) 및 AEAPTMS(trimethoxysilylpropyldiethlenetriamine) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 접합기판.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아미노 실레인은 트리아진티올(triazinethiol), 티아진티올(thiazinethiol), 트리옥산티올(trioxanethiol), 피란티올(pyranthiol), 싸이오피란티올(thiopyranthiol), 트리포스포르티올(triphosphorthiol), 스타나벤젠(stanabenzene), 헥사진(hexazine), 피리딘(pyridine), 테트라진(tetrazine) 및 2트리아진-버티컬(2triazinethiol-vertical)을 포함하는 후보군 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 접합기판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 유리기재로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 접합기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 접합기판.
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