KR102027677B1 - 폴리머 층 내부에 고정된 도전입자의 표면에 대한 자가 노출 방법, 상기 자가 노출 방법을 이용한 이방성 전도 필름의 제조 방법 및 상기 이방성 전도 필름 - Google Patents

폴리머 층 내부에 고정된 도전입자의 표면에 대한 자가 노출 방법, 상기 자가 노출 방법을 이용한 이방성 전도 필름의 제조 방법 및 상기 이방성 전도 필름 Download PDF

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Abstract

폴리머 층 내부에 고정된 도전입자의 표면에 대한 자가 노출 방법, 상기 자가 노출 방법을 이용한 이방성 전도 필름의 제조 방법 및 상기 이방성 전도 필름이 제시된다. 일실시예에 따른 폴리머 층 내부의 도전입자의 표면에 대한 자가 노출 방법은, 상기 폴리머 층의 제조를 위해 사용될 폴리머의 표면 에너지와 상기 폴리머 층에 포함될 다수의 도전입자들의 표면 에너지간의 차이가 기설정된 차이 이상이 되도록 상기 다수의 도전입자들의 표면 에너지를 제어하는 단계; 상기 표면 에너지가 제어된 도전입자들이 믹싱된 용매에 상기 폴리머를 용해시켜 폴리머 용액을 형성하는 단계; 및 상기 폴리머 용액을 건조시켜 표면 에너지의 차이에 의해 상기 다수의 도전입자들의 표면 중 적어도 일부가 상기 폴리머 층 외부로 노출된 폴리머 층을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

폴리머 층 내부에 고정된 도전입자의 표면에 대한 자가 노출 방법, 상기 자가 노출 방법을 이용한 이방성 전도 필름의 제조 방법 및 상기 이방성 전도 필름{SELF-EXPOSURE METHOD FOR SURFACE OF CONDUCTIVE PARTICLES ANCHORED IN POLYMER LAYER, MANUFACTURING METHOD FOR ANISOTROPIC CONDUCTIVE FILM USING THE SELF-EXPOSURE METHOD AND THE ANISOTROPIC CONDUCTIVE FILM}
아래의 실시예들은 폴리머 층 내부에 고정된 도전입자의 표면에 대한 자가 노출 방법, 상기 자가 노출 방법을 이용한 이방성 전도 필름의 제조 방법 및 상기 이방성 전도 필름에 관한 것이다.
전자 패키징 시에 사용되는 접착제는 그 사용 형태에 따라 필름과 페이스트 형태로 구분되며, 도전입자의 포함 여부에 따라 전도성, 이방 전도성, 비전도성 접착제로 구분된다. 일반적으로 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film(s), ACF(s)), 이방성 전도 페이스트(Anisotropic Conductive Paste, ACP), 비전도성 필름(Non-Conductive Film, NCF) 및 비전도성 페이스트(Non-Conductive Paste, NCP)로 구분된다.
특히, 차세대 극 미세 피치 디스플레이 기술은 고해상도와 전기적 안정성을 요구하기 때문에 전도성 도전입자를 함유한 이방성 전도 필름(ACF)이 통상적으로 사용된다. 이방성 전도 필름(ACF)을 이용한 전자 부품간의 접속 방법은 기존의 땜납 공정을 대체하는 공정(lead free)으로, 공정자체가 간단하며 친환경적이고 제품에 순간적인 고온을 가할 필요가 없으므로(저온 공정) 열적으로 더 안정적인 공정이며, 유리 기판이나 폴리에스테르 플렉스와 같은 저렴한 기판을 사용하여 공정 단가를 낮출 수 있고, 미세 도전입자를 사용하여 전기적 접속이 이루어지므로 극 미세 전극 피치(pitch)(여기에서, 간단히 극 미세 피치라고 할 수 있다.)의 구현이 가능한 장점이 있다.
이러한 장점 때문에 필름 형태의 접착제(ACF, NCF)는 스마트카드, LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), 유기 EL(Organic Light Emitting Diodes) 등의 디스플레이 패키징(display packaging), 컴퓨터, 휴대용 전화기, 통신 시스템 등의 패키징에 그 활용 범위를 넓혀가고 있다.
최근 일렉트로닉 디바이스 시장의 제품들은 고성능과 다기능을 요구하므로 부품의 I/O 수가 많아지게 되고, 이에 따라 전극 사이의 간격이 미세해지는 미세 피치화 또는 극 미세 피치화가 필수불가결하다. 하지만 미세 피치 패키징에서의 가장 큰 문제점은 좁아지는 범프(bump) 사이와 전극 사이의 간격에 의해 발생되는 전기접속 문제점이다.
특히, 이방성 전도 필름(ACF)을 사용하는 전기접속의 경우 열압착 시, 열경화성 폴리머 수지의 흐름에 의해 도전입자의 이동이 발생하고, 도전입자가 범프와 전극 사이에 포획되지 않거나 적게 포획되어 개방(open) 또는 고저항 접속 문제를 방지하기 위해 대량의 도전입자를 사용해야 한다.
하지만, 이로 인해 범프와 범프 사이, 또는 전극과 전극 사이에 폴리머와 함께 유동한 다량의 도전입자들이 끼여 전극과 전극 사이 수평방향으로 통전이 되는 전기적 오류인 단락(short) 현상이 발생하게 된다. 특히 디스플레이 제품의 미세 피치화가 급속히 진행되며 그 문제가 더욱 심화되고 있다.
도 1은 종래의 두 개의 전극을 가진 전기 접속을 위한 이방성 전도 필름(ACF)을 설명하기 위한 도면이다. 더 구체적으로 도 1a는 종래의 두 개의 전극을 가진 전기 접속을 위한 이방성 전도 필름(ACF)의 접속 전(before bonding)을 나타내고, 도 1b는 종래의 두 개의 전극을 가진 전기 접속을 위한 이방성 전도 필름(ACF)의 접속 후(after bonding)을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 이방성 전도 필름(ACF)(10)을 이용하여 상하부의 기판(20, 21)의 두 전극 간 접속 과정에서 폴리머 레진의 흐름이 발생하여 넓은 범프와 범프 사이의 공간을 채우며, 경화가 진행된 후 수직방향으로 안정적인 전기적 접속을 구현하고 수평적으로는 절연 상태를 유지해야 한다. 여기에서 이방성 전도 필름(ACF)(10)은 도전입자를 포함하는 폴리머 층(11) 및 접착제 층(12)으로 이루어질 수 있다.
그러나 극 미세 피치 전기 접속 기술이 개발되면서 범프와 범프 사이 및 전극과 전극 사이의 공간이 줄어들고, 범프와 전극의 폭도 대폭 감소하는 추세이다. 이러한 극 미세 피치 접속을 위해, 통상적인 종래의 이방성 전도 필름(ACF)(10)을 사용할 경우 전기적 단락 현상 및 불안정한 접촉 상태의 문제점이 드러난다.
도 2는 종래의 극 미세 피치 접속에서 나타나는 전기적 단락 현상 및 불안정한 접촉 상태를 설명하기 위한 도면이다. 더 구체적으로 도 2a는 종래의 극 미세 피치의 두 개의 전극을 가진 전기 접속을 위한 이방성 전도 필름(ACF)의 접속(본딩) 전(before bonding)을 나타내고, 도 2b는 종래의 극 미세 피치의 두 개의 전극을 가진 전기 접속을 위한 이방성 전도 필름(ACF)의 접속 후(after bonding)를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 통상적인 종래의 이방성 전도 필름(ACF)(10)는 접속 과정에서 레진의 흐름에 의한 도전입자의 유동을 억제하지 못하고, 좁아진 상하부의 기판(20, 21)의 범프와 범프 사이 혹은 전극과 전극 사이에 도전입자의 뭉침 현상을 야기하여 전기적 단락회로를 발생시키고, 많은 도전입자의 유실로 인해 불안정한 접속 특성을 나타낸다.
한국공개특허 10-2012-0028583호는 이러한 나노파이버를 이용한 전도성 폴리머 접착제에 관한 것으로, 나노파이버에 도전 볼(도전입자(들))을 넣어 도전 볼의 유동을 억제하는 나노파이버 층을 함유한 나노파이버 이방성 전도 필름(ACF) 장치에 관한 기술을 기재하고 있다.
그러나 나노파이버 이방성 전도 필름(ACF)의 경우 도전 볼의 범프당 포획률을 올리기 위해 레진 플로우라는 추가적인 접속(bonding) 공정을 필요로 하여 기존 이방성 전도 필름(ACF) 공정에 비해 생산성이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 전기접속에 많이 이용되는 미세 피치용 이방성 전도 필름(ACF)의 경우 절연코팅 도전입자와 2중층을 사용하는 일본의 이방성 전도 필름(ACF) 제품이 아직 세계 이방성 전도 필름(ACF) 시장을 독점하고 있는 상황이다. 하지만, 이 또한 미세 피치에서 접속 불량이 많이 발생하기 때문에 새로운 개념의 미세 피치 접속용 이방성 전도 필름(ACF) 기술 개발이 필요하다.
도전입자가 포함된 폴리머 층을 제조하는 과정에서, 도전입자의 표면 에너지를 제어함으로써, 도전입자의 표면을 따라 폴리머가 흘러내려 도전입자의 표면 중 적어도 일부를 자가 노출시킬 수 있는 자가 노출 방법에 대한 기술을 제공한다.
상술한 자가 노출을 이용한 이방성 전도 필름의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조되는 이방성 전도 필름에 관한 기술을 제공한다.
폴리머 층 내부의 도전입자의 표면에 대한 자가 노출 방법에 있어서, 상기 폴리머 층의 제조를 위해 사용될 폴리머의 표면 에너지와 상기 폴리머 층에 포함될 다수의 도전입자들의 표면 에너지간의 차이가 기설정된 차이 이상이 되도록 상기 다수의 도전입자들의 표면 에너지를 제어하는 단계; 상기 표면 에너지가 제어된 도전입자들이 믹싱된 용매에 상기 폴리머를 용해시켜 폴리머 용액을 형성하는 단계; 및 상기 폴리머 용액을 건조시켜 표면 에너지의 차이에 의해 상기 다수의 도전입자들의 표면 중 적어도 일부가 상기 폴리머 층 외부로 노출된 폴리머 층을 생성하는 단계를 포함하는 자가 노출 방법을 제공한다.
일측에 따르면, 상기 표면 에너지를 제어하는 단계는, 상기 폴리머가 친수성을 갖는 경우에는 소수성을 갖는 물질을, 또는 상기 폴리머가 소수성을 갖는 경우에는 친수성을 갖는 물질을 상기 도전입자의 표면에 코팅하여 상기 도전입자의 표면 에너지를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 표면 에너지를 제어하는 단계는, 상기 폴리머가 친수성을 갖는 경우에는 소수성을 갖는 물질을, 또는 상기 폴리머가 소수성을 갖는 경우 친수성을 갖는 물질을 상기 다수의 도전입자들이 믹싱된 용매에 용해시켜 도전입자의 표면에 코팅될 수 있도록 스터링(stirring)하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 표면 에너지를 제어하는 단계는, 상기 다수의 도전입자들이 믹싱된 용매에 용해시키는 상기 소수성을 갖는 물질의 함량, 또는 상기 용매에 용해시키는 상기 친수성을 갖는 물질의 함량을 조절하여 도전입자의 표면 에너지가 변화되는 정도를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 도전입자의 표면에 코팅되는 소수성을 갖는 물질 또는 친수성을 갖는 물질은 전도성을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 폴리머는 친수성을 갖는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)을 포함하고, 상기 표면 에너지를 제어하는 단계는, 도전입자의 표면에 올레산(Oleic Acid)을 코팅하여 소수성을 부여함으로써, 도전입자의 표면 에너지를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 표면 에너지를 제어하는 단계는, 상기 폴리머 용액 대비 함량이 20 wt% 이상이 되는 함량의 올레산을 상기 다수의 도전입자들이 믹싱된 용매에 용해시켜 스터링(stirring)함으로써, 상기 올레산을 도전입자의 표면에 코팅하여 도전입자의 표면 에너지를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 자가 노출 방법은 상기 폴리머 층의 상부 및 하부에 비전도성 접착 필름(NCF)으로 이루어진 접착제 층을 라미네이션하여 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film, ACF)을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 폴리머 층은, 상기 다수의 도전입자들의 사이를 연결하여 접속 공정에 의한 레진의 흐름의 발생 시 상기 다수의 도전입자들의 유동을 제한하는 인장응력을 갖는 폴리머(polymer)로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 폴리머 층을 생성하는 단계는, 상기 다수의 도전입자들이 믹싱된 폴리머 용액을 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 코팅하여 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 제조하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다수의 도전입자들을 포함하는 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film, ACF)에 있어서, 상기 다수의 도전입자들의 표면 중 적어도 일부가 외부로 노출되도록 분산 배치된 폴리머 층을 포함하고, 상기 다수의 도전입자들의 표면 중 적어도 일부는, 상기 폴리머 층을 구성하는 폴리머의 표면 에너지와 상기 도전입자들의 표면 에너지의 차이에 의해 자가 노출되는 것을 특징으로 하는 이방성 전도 필름을 제공한다.
도전입자가 포함된 폴리머 층을 제조하는 과정에서, 도전입자의 표면 에너지를 제어함으로써, 도전입자의 표면을 따라 폴리머가 흘러내려 도전입자의 표면 중 적어도 일부를 자가 노출시킬 수 있는 자가 노출 방법을 제공한다.
상술한 자가 노출을 이용한 이방성 전도 필름의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조되는 이방성 전도 필름을 제공한다.
도 1은 종래의 두 개의 전극을 가진 전기 접속을 위한 이방성 전도 필름(ACF)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 극 미세 피치 접속에서 나타나는 전기적 단락 현상 및 불안정한 접촉 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 도전입자 및 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 폴리머 스킨이 제거되지 않은 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 두 개의 전극 사이에 도전입자를 이용하여 안정적인 접속 상태의 구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층의 제작 공정의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 종래의 이방성 전도 필름(ACF)의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 제조 방법의 예를 도시한 흐름도이다.
도 10은 종래의 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 시스템 적용이 어려운 이방성 전도 필름(ACF)을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 일실시예에 따른 도전입자 표면의 자가 노출 방법의 예를 도시한 흐름도이다.
도 12는 일실시예에 있어서, 도전입자 표면에 올레산이 반응한 모습의 예를 도시한 도면이다.
도 13은 일실시예에 있어서, 올레산 함량에 따른 소수성 특성 발현의 예를 도시한 도면이다.
도 14는 일실시예에 있어서, 올레산 함량에 따른 PAN APL 표면의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지들을 도시한 도면이다.
도 15는 일실시예에 있어서, 올레산 함량에 따른 PAN APL 단면의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지들을 도시한 도면이다.
도 16은 일실시예에 있어서, 폴리머 스킨을 제거하는 방식의 ACFs와 자가 노출 방법에 따른 ACFs의 접촉 저항의 예를 도시한 그래프이다.
도 17은 일실시예에 있어서, 폴리머 스킨을 제거하는 방식의 ACFs와 자가 노출 방법에 따른 ACFs의 단면 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지들을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
아래의 실시예들은 도전입자의 유동을 억제하는 고정 폴리머 층(Anchoring Polymer Layer, APL)이 포함된 새로운 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film(s), ACF(s))을 제공함으로써 우수한 전기 접속 특성을 확보할 수 있다. 여기에서 고정 폴리머 층(APL)은 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 의미할 수 있으며, 고정 폴리머 층(APL)이 포함된 새로운 이방성 전도 필름(ACF)은 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름(간단히, APL ACF(s)로 표현될 수도 있다.)으로 표현될 수 있다. 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름(APL ACF)은 도전입자들을 우수한 인장강도를 갖는 고정 폴리머 층(APL)에 분산시키고 상부 및 하부에 절연 필름인 비전도성 필름(Non-conducting Film, NCF)의 폴리머 접착제 층을 라미네이션 또는 이중 코팅 방법으로 형성할 수 있다.
이와 같은 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름(APL ACF)을 사용함으로써, 강한 인장응력을 갖는 폴리머를 사용하여 도전입자의 사이를 연결하여 레진의 흐름이 발생하더라도 도전입자의 유동을 확실하게 줄일 수 있다.
또한, 도전입자를 감싸고 있는 폴리머 스킨의 제거를 위한 별도의 공정의 도입 없이도 도전입자의 표면을 자가 노출시킬 수 있는 새로운 방법을 위한 실시예들이 더 제공된다.
도 3은 일실시예에 따른 도전입자 및 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 접속 공정 중 도전입자의 움직임을 나타내며, 도 3b를 참조하면 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 접속 공정 후 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층의 상태를 나타낸다.
도 3을 참조하여, 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름(100)에 대해 구체적으로 설명한다. 여기에서 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(120)은 앞에서 설명한 고정 폴리머 층(APL)이 될 수 있다.
일실시예에 따른 전도성의 다수의 도전입자들을 포함하는 이방성 전도 필름(ACF)(100)은 폴리머 층(120) 및 접착제 층(130)을 포함하여 이루어질 수 있다.
폴리머 층(120)은 전도성의 다수의 도전입자들(110)이 분산 배치되며, 배치된 다수의 도전입자들(110)을 포획하여 이동을 제한할 수 있다.
폴리머 층(120)은 다수의 도전입자들(110)의 사이를 연결하여 접속 공정에 의한 레진의 흐름의 발생 시 다수의 도전입자들(110)의 유동을 제한하는 인장응력을 갖는 폴리머(polymer)로 이루어질 수 있다.
여기에서 폴리머 층(120)은 접착성이 없는 열가소성 폴리머로 이루어질 수 있으며, 접속 공정에 의한 레진의 흐름의 발생 시 다수의 도전입자들(110)의 유동을 제한하는 인장응력을 갖는 열가소성 폴리머이면 사용 가능하므로 재료의 선택폭이 넓다.
예컨대, 폴리머 층(120)은 아래의 표 1과 같은 재료가 사용될 수 있다.
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폴리머 층(120) 내에 배치된 다수의 도전입자들(110)의 상부 및 하부를 감싸고 있는 폴리머 스킨 층이 제거되어, 상부 전극 및 하부 전극의 사이를 전도성의 도전입자가 연결하여 전기적 접속을 형성할 수 있다.
예컨대, 폴리머 층(120)은 수직방향 초음파 접속을 통해 다수의 도전입자들(110)의 상부 및 하부를 감싸고 있는 폴리머 스킨 층이 제거되어 상부 전극 및 하부 전극의 사이에 전기적 접속이 이루어질 수 있다.
이러한 폴리머 층(120)은 폴리머 용액에 다수의 도전입자들(110)을 믹싱하여 분산시킨 후, 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 코팅을 통해 제조될 수 있다.
접착제 층은 접착성이 없는 폴리머 층(120)의 상부 및 하부에 구성되어 접착성을 부여할 수 있다.
이러한 접착제 층은 폴리머 층(120)의 상부 및 하부에 비전도성 필름(Non-conducting Film, NCF)의 폴리머 접착제 층이 라미네이션 또는 이중 코팅에 의해 형성될 수 있다. 예컨대 접착제 층은 아크릴 수지, 양이온계 에폭시 수지, 음이온계 에폭시 수지 등으로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 일실시예에 따른 전도성의 다수의 도전입자들(110)을 포함하는 이방성 전도 필름은 폴리머 층(120)이 다수의 도전입자들(110)의 유동을 억제하여 적은 양의 초기 도전입자를 사용하여 높은 포획률을 구현함에 따라 전극 사이의 간격이 미세해지는 미세 피치 또는 극 미세 피치에서 전기적 접속이 가능하다.
도 4는 일실시예에 따른 폴리머 스킨이 제거되지 않은 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(120)을 제작하는 동안 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(120) 안에 존재하는 도전입자의 윗부분과 아랫부분에 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(120)의 폴리머가 감싸고 있게 되는데, 이를 폴리머 스킨 층(121)이라고 할 수 있다. 폴리머 스킨 층(121)이 제거되지 않은 상태에서는 전극과 전극 사이에 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(120)의 도전입자가 눌리게 되는 경우, 폴리머 스킨 층(121)이 절연층 역할을 함에 따라 수직방향으로의 안정적인 전기적 접속을 방해하게 된다.
따라서, 폴리머 층 내 도전입자를 둘러싸고 있는 폴리머 스킨 층(121)을 제거해야 접속 공정 후 안정적인 전기적 접속 특성을 나타낼 수 있다. 이에 따라 이방성 전도 필름(APL ACF)의 우수한 전기적 접속 특성을 구현하기 위해서는 도전입자의 표면 노출이 요구된다.
이러한 폴리머 스킨 층(121)을 제거하여 도전입자의 표면을 노출시키기 위해서는, 폴리머 층(120)을 구성하는 폴리머의 녹는점보다 더 높은 온도에서 고온 접속 공정을 진행하거나 또는 플라즈마 에칭의 공정이나 초음파 공정 등의 추가적인 공정이 요구된다. 이때, 고온 접속 공정이나 추가적인 공정 없이 도전입자의 표면에 대한 자가 노출을 통해 안정적인 전기적 접속을 얻을 수도 있다. 이러한 자가 노출에 따른 실시예들에 대해서는 추후 더욱 자세히 설명한다.
도 5는 일실시예에 따른 두 개의 전극 사이에 도전입자를 이용하여 안정적인 접속 상태의 구조체를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 두 개의 전극 사이에 도전입자를 이용하여 안정적인 접속 상태의 구조체의 예를 나타내는 것으로, 도전입자(110)를 감싸고 있는 얇은 두께의 폴리머 스킨 층을 초음파 등을 이용하여 제거할 수 있다. 예컨대 수직방향 초음파 접속을 통해 도전입자(110)의 폴리머 스킨 층을 제거한 후, 두 개의 전극 사이에 도전입자(110)를 이용하여 안정적인 접속이 이루어지도록 할 수 있다.
일실시예에 따른 두 개의 전극 사이에 도전입자를 이용하여 안정적인 접속 상태의 구조체는 도 3 및 도 4에서 설명한 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 포함하는 이방성 전도 필름(100)을 포함하여 이루어질 수 있다.
일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 포함하는 이방성 전도 필름(100)을 포함하는 구조체는 상부 기판(210)과 하부 기판(200)의 사이에 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 포함하는 이방성 전도 필름(ACF)(100)을 배치하고, 초음파(ultrasonic, U/S) 방식 또는 열과 압력을 가하여 위아래 수십 ㎛ 두께의 전극 사이에 다수의 도전입자들(110)을 통해 전기적인 접속을 이루도록 할 수 있다.
상부 기판(210)은 하부에 상부 전극(211)이 형성될 수 있다. 예를 들어 상부 기판(210)은 연성 기판(Flexible Printed Circuit Board, FPCB)으로 이루어질 수 있으나, 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB) 등으로 이루어질 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.
또한 하부 기판(200)은 상부에 하부 전극(201)이 형성될 수 있다. 예를 들어 하부 기판(200)은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB)으로 이루어질 수 있으나, 연성 기판(Flexible Printed Circuit Board, FPCB) 등으로 이루어질 수 있으며 이에 제한되지는 않는다.
여기에서 상부 기판(210) 및 하부 기판(200)은 전자기기의 소형화에 따라 미세 피치 또는 극 미세 피치화된 기판으로 이루어질 수 있다.
도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 포함하는 이방성 전도 필름(100)은 상부 기판(210)과 하부 기판(200) 사이에 압착되는 것으로, 다수의 도전입자들(110)이 배치되는 폴리머 층(120)을 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때, 폴리머 층(120) 내에 배치된 다수의 도전입자들(110)의 상부 및 하부를 감싸고 있는 폴리머 스킨 층이 제거되어, 상부 기판(210)의 상부 전극(211) 및 하부 기판(200)의 하부 전극(201)의 사이를 전도성의 도전입자(110)가 연결하여 전기적 접속을 형성할 수 있다.
더 구체적으로, 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 포함하는 이방성 전도 필름(100)은 폴리머 층(120) 및 접착제 층을 포함하여 이루어질 수 있고, 폴리머 층(120)은 전도성의 다수의 도전입자들(110)이 분산 배치되며 배치된 다수의 도전입자들(110)을 포획하여 이동을 제한할 수 있다. 여기에서 폴리머 층(120) 내에 배치된 다수의 도전입자들(110)의 상부 및 하부를 감싸고 있는 폴리머 스킨 층이 제거되어, 상부 전극(211) 및 하부 전극(201) 사이를 전도성의 도전입자(110)가 연결하여 전기적 접속을 형성할 수 있다. 예를 들어 폴리머 층(120)은 수직방향 초음파 접속을 통해 다수의 도전입자들(110)의 상부 및 하부를 감싸고 있는 폴리머 스킨 층이 제거되어 상부 전극(211) 및 하부 전극(201) 사이에 전기적 접속이 이루어질 수 있다.
따라서 최종적으로 수직방향 초음파 접속을 통해 도전입자의 폴리머 스킨 층을 효과적으로 제거하여 안정적인 전기적 접속을 이루도록 할 수 있다. 또한 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(120)을 이용하여 도전입자(110)의 유동을 억제하여, 적은 양의 초기 도전입자(110)를 사용하지만 높은 도전입자(110)의 포획률을 구현함으로써 저가의 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름(100)을 사용하여 미세피치 접속이 가능하게 되어 가격적인 경쟁력을 동시에 확보할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층의 제작 공정의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층은 도전입자와 폴리머 용액을 믹싱한 용액(410)에 도전입자를 분산시킨 후, 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 코팅 방식을 통해 쉽게 제조할 수 있다. 이 때, 롤과 롤 사이에 믹싱한 용액(410)을 통과시켜 건조시키는 캘린더 롤(calender roll)(420)이 사용될 수 있고, 용액을 이동시키기 위한 이형지(release paper )가 사용될 수 있다. 또한, 이동을 위한 리시빙 롤(receiving roll)(430)이 사용될 수 있다.
이에 따라 도 6b에 도시된 바와 같이 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(440)이 형성될 수 있다. 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(440)은 다수의 도전입자들(441)이 분산 배치되어 폴리머 레진의 유동에도 움직임을 제한하여 고정시킬 수 있다.
여기에서 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(440)은 접착성이 없는 열가소성 폴리머이기 때문에 디스플레이 어플리케이션에 사용하기 위해서 접착성을 부여해야 한다. 이에 따라 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(440)의 상부 및 하부에 접착제 층을 구성함으로써 접착성을 부여할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름(510)의 제조 방법은 폴리머 용액과 다수의 도전입자들(511)을 믹싱하여 분산시킨 후, 다수의 도전입자들(511)이 믹싱된 폴리머 용액에 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 코팅을 통해 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(512)을 제조할 수 있다.
그리고 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(512)의 상부 및 하부에 비전도성 접착 필름(NCF)으로 이루어진 접착제 층(513)을 라미네이션하여 접착성을 부여할 수 있다.
또한 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(512) 내에 배치된 다수의 도전입자들(511)의 상부 및 하부를 감싸고 있는 폴리머 스킨 층을 제거하여, 상부 전극 및 하부 전극 사이를 전도성의 다수의 도전입자들(511)가 직접 연결하여 전기적 접속을 형성할 수 있다.
한편, 도 8은 종래의 이방성 전도 필름(ACF)의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하여 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름(510)의 제조 공정과 종래의 이방성 전도 필름(ACF)의 제조 공정을 비교할 수 있다.
일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름(510)의 제조 공정은 일반적인 종래의 이방성 전도 필름(ACF)(51)의 제조 공정과 동일하거나 유사한 롤 라미네이터(520)를 이용하여, 도전입자를 함유하지 않은 비전도성 접착 필름(NCF)인 접착제 층(513)과의 라미네이션 공정을 통해 간단히 제작될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 종래의 이방성 전도 필름(ACF)(50)의 경우, 도전입자가 포함된 폴리머 층(51)과 비전도성 접착 필름(NCF)(52)의 롤 라미네이터(53)를 이용한 라미네이션 공정 시, 전기적 접속에 따라 비전도성 접착 필름(NCF)(52)의 레진 흐름이 발생하여 도전입자 또한 흐름이 발생할 수 있다.
반면, 도 7에 도시된 바와 같이 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름(510)은 비전도성 접착 필름(NCF)인 접착제 층(513)과 라미네이션 공정으로 인하여 접착성이 부여된 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(512)이 포함된 이방성 전도 필름(510)을 사용하여 접속을 발생시킬 때, 도전입자(511)가 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층(512)에 포획되어 있으므로 비전도성 접착 필름(NCF)인 접착제 층(513)의 레진 흐름에 상관없이 도전입자(511)의 유동이 거의 발생하지 않으며, 이로 인해 접속 전, 후에 도전입자(511)의 움직임을 억제할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 제조 방법은 폴리머와 용매를 일정 비율로 섞어 폴리머를 용해시키는 단계(910), 용해된 폴리머 용액에 다수의 도전입자들을 믹싱하여 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 용액을 형성하는 단계(920), 및 상기 다수의 도전입자들이 믹싱된 상기 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 용액을 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 코팅하여 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 제조하는 단계(930)를 포함하여 이루어진다.
그리고 폴리머 층의 상부 및 하부에 비전도성 접착 필름(NCF)으로 이루어진 접착제 층을 라미네이션하여 접착성을 부여하는 단계(940)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 폴리머 층 내에 배치된 다수의 도전입자들의 상부 및 하부를 감싸고 있는 폴리머 스킨 층을 제거하여, 상부 전극 및 하부 전극의 사이를 전도성의 도전입자가 연결하여 전기적 접속을 형성하는 단계(950)를 더 포함할 수 있다.
여기에서 폴리머 층은 접속 공정에 의한 레진의 흐름의 발생 시 다수의 도전입자들을 포획하여 이동을 제한할 수 있다.
아래에서 일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 제조 방법의 각 단계에 대해 하나의 예를 들어 더 구체적으로 설명한다.
일실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 제조 방법은 도 3 내지 도 7에서 설명한 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름을 제조하기 위해 사용될 수 있으며, 예컨대 이방성 전도 필름의 제조 시스템에 의해 구현될 수 있다.
단계(910)에서, 폴리머와 용매를 일정 비율로 섞어 폴리머를 용해시킬 수 있다. 이 때 폴리머의 함량은 7wt% 이상이며, 7wt% 미만으로 용해시킬 경우 필름으로 제작되는 과정 중 하나인 건조 과정 시 필름으로 제작되지 않는다.
단계(920)에서, 용해된 폴리머 용액에 다수의 도전입자들을 믹싱하여 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 용액을 형성할 수 있다. 이 때 다수의 도전입자들이 믹싱된 폴리머 용액에 다수의 도전입자들을 분산 배치시킬 수 있다.
단계(930)에서, 다수의 도전입자들이 믹싱된 상기 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 용액을 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 코팅하여 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 제조할 수 있다. 여기에서 폴리머 층은 접속 공정에 의한 레진의 흐름의 발생 시 다수의 도전입자들을 포획하여 이동을 제한할 수 있다.
더 구체적으로 다수의 도전입자들이 믹싱된 상기 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 용액을 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 필름 코터 입구에 주입한 후 롤이 일정속도로 회전하게 하여 폴리머 용액이 두 롤 사이의 좁은 갭을 통과하도록 할 수 있다. 이 후 건조 구간을 거치면서 용매가 증발하여 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 제조될 수 있다. 폴리머 층은 다수의 도전입자들의 사이를 연결하여 접속 공정에 의한 레진의 흐름의 발생 시 다수의 도전입자들의 유동을 제한하는 인장응력을 갖는 폴리머(polymer)로 이루어질 수 있다.
그리고, 다수의 도전입자들은 솔더(solder)로 이루어지거나 솔더가 포함되는 도전입자로 이루어질 수 있다. 폴리머 층은 솔더로 이루어지거나 솔더가 포함되는 도전입자로 이루어지는 다수의 도전입자들이 분산 배치되어, 접속 공정에 의한 레진의 흐름의 발생 시 다수의 도전입자들을 포획하여 이동을 제한할 수 있다.
단계(940)에서 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층의 제조 후, 폴리머 층의 상부 및 하부에 비전도성 접착 필름(NCF)으로 이루어진 접착제 층을 라미네이션하여 접착성을 부여할 수 있다.
단계(950)에서, 폴리머 층 내에 배치된 다수의 도전입자들의 상부 및 하부를 감싸고 있는 폴리머 스킨 층을 제거하여, 상부 전극 및 하부 전극의 사이를 전도성의 도전입자가 연결하여 전기적 접속을 형성할 수 있다.
이 때, 수직방향 초음파 접속 공정을 통해 다수의 도전입자들의 상부 및 하부를 감싸고 있는 폴리머 층의 폴리머 스킨 층을 제거할 수 있다.
실시예들에 따르면 다양한 열가소성 폴리머를 기반으로 한 금속 도전입자를 함유한 고정 폴리머 층(APL)을 이용한 이방성 전도 필름(ACF)과 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 접속 공정을 진행할 때 수직방향 초음파를 이용하여 도전입자를 둘러싸고 있는 폴리머 스킨 층을 제거하여 우수한 전기 접속을 형성할 수 있다.
이는, 기존의 폴리머로 둘러 쌓인 도전입자를 노출시키기 위한 고가의 플라즈마 에칭 방법과 비교하여 접속 공정 중 수직방향 초음파를 발생시켜 도전입자를 폴리머로부터 노출시키며 동시에 접속을 가능하게 한다.
이러한 도전입자의 움직임을 근본적으로 억제하는 폴리머 층을 포함하는 이방성 전도 필름(ACF)의 경우 종래의 이방성 전도 필름(ACF)에 비해 완전히 다른 새로운 구조이며, 도전입자의 움직임을 억제하는 역할을 고가의 나노파이버 등에 국한하지 않고 재료, 형태 및 제작 방식의 제한 없이 도전입자의 움직임을 더욱 억제시킬 수 있다.
더욱이, 사용되는 폴리머 재료의 선택폭이 넓고, 고가의 플라즈마 에칭 공정을 통하지 않고 접속 공정 중에서 발생하는 수직방향 초음파를 통해 저가의 공정을 가능하게 한다.
극 미세 피치 어셈블리를 지닌 디스플레이는 TV는 물론 노트북, 휴대폰, 게임기, ATM기 등 가전제품과 산업용 IT 기기에 장착되어 계속적으로 성장하고 있으며 산업전반에 파급효과가 큰 산업분야로 이러한 디스플레이 및 반도체 패키징(packaging) 제품에 필수로 사용되어야 하는 이방성 전도 필름(ACF) 또한 꾸준히 성장세를 보이고 다른 분야로까지 확대 적용되고 있는 상황이다. 고정 폴리머 층(APL) 이방성 전도 필름(ACF) 제품은 극 미세 피치의 대형/중소형 LCD(Liquid Crystal Display)/OLED(Organic Light Emitting Diode) 평판 디스플레이의 칩 온 글래스(Chip on Glass, COG), 칩 온 플렉스(Chip on Flex, COF), 칩 온 패키징(Chip on Packaging, COP)에 광범위하게 적용 가능하다. 뿐만 아니라 도전입자의 종류만 바꾸어 준다면, 매년 고화질의 카메라의 화소수를 높이기 위한 CCD-CMOS 카메라 모듈 접속분야와 UHD 이상의 화질을 요구하는 VR(Virtual Reality)용 OLED에 적용 가능하고, 또한 고 신뢰성이 보장된 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 경우 웨어러블 전자 기기에 적용도 가능하다.
특히, 대형 박형 TV, 노트북 및 스마트폰 등의 전자기기의 수요가 늘어나고, 또한 게임기, 차량 내비게이션, 자동차 등의 중소형 디스플레이에서도 이방성 전도 필름(ACF)의 수요가 늘어남에 따라 이방성 전도 필름(ACF) 시장은 2010년 이후 5~6%대의 꾸준한 성장을 보이고 있다. 그러나 이방성 전도 필름(ACF)는 디스플레이 부품에 사용되는 소재로 단가 인하 압력이 심하기 때문에 최종 디스플레이 수요가 증대하더라도 이방성 전도 필름(ACF) 성장 폭은 낮게 나타나 규모의 경제 진입 장벽이 나타나는 상황이다.
실시예들에 따르면 고강도 얇은 폴리머 필름을 사용하여 도전입자의 움직임을 최대한 억제하여 극 미세 피치 어플리케이션에서 발생할 수 있는 전기적 단락 및 높은 접촉저항 문제점을 해결할 수 있다. 이는, 기존 일본의 미세피치용 이방성 전도 필름(ACF)와 완전히 차별화된 기술로 기존 일본의 특허보다 진보한 원천 특허 기술이다.
도 10은 종래의 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 시스템 적용이 어려운 이방성 전도 필름(ACF)을 설명하기 위한 도면이다.
예컨대, 현재 이방성 전도 필름(ACF) 시장을 독점하고 있는 Hitachi Chemical과 Dexerials는 고정용 폴리머 층과 같은 특정 구조물을 이용한 도전입자의 유동억제 및 응집 방지 시스템을 구현하지 못하고 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이 Hitachi의 경우 도전입자의 초분산에 집중하며, 도 10b에 도시된 바와 같이 Dexerials의 경우 도전입자의 배열에 집중하고 있다. 하지만 두 회사 모두 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 시스템의 적용이 어려워 대량 생산에 어려움을 겪고 있다.
이와 다르게, 본 실시예에 따른 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름의 경우 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 시스템으로 간단한 공정에 의해 제작이 가능하며, 상부 및 하부에 형성되는 비전도성 필름(NCF)과의 라미네이션 접합 역시 기존 산업에서 널리 사용되고 있는 롤 라미네이터를 이용 가능하다. 이에 따라 대량 생산에 쉽게 접목시킬 수 있는 혁신성이 있으며 장비 셋업 및 공정 최적화 과정에서 큰 비용을 절감할 수 있다. 따라서 고성능의 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층이 포함된 이방성 전도 필름을 저렴한 가격으로 공급하여 국내 전자재료 기업들에게 새로운 성장동력을 제공할 수 있으며, 그 동안 독과점 형태로 시장을 장악한 Hitachi Chemical과 Dexerials의 시장 점유율을 상당 부분 가져 올 수 있을 것이라 예상된다.
한편, 앞서 도 4를 통해 설명한 바와 같이, 도전입자를 감싸고 있는 폴리머 스킨 층(121)을 제거하여 도전입자의 표면을 노출시키기 위해서는, 폴리머 층(120)을 구성하는 폴리머의 녹는점보다 더 높은 온도에서 고온 접속 공정을 진행하거나 또는 플라즈마 에칭의 공정이나 초음파 공정 등의 추가적인 공정이 요구된다. 이후에서는 고온 접속 공정이나 추가적인 공정 없이 도전입자의 표면에 대한 자가 노출을 통해 안정적인 전기적 접속을 얻을 수 있는 실시예들을 설명한다.
도 11은 일실시예에 따른 도전입자 표면의 자가 노출 방법의 예를 도시한 흐름도이다. 자가 노출 방법은 폴리머 층을 제공하는 과정 중에 폴리머 층에 포함된 도전입자의 표면 중 적어도 일부를 폴리머 층 외부로 자가 노출(self-exposure)시킬 수 있는 기술을 포함할 수 있으며, 도 11을 참조하면, 일실시예에 따른 폴리머 층 내부의 도전입자의 표면에 대한 자가 노출 방법은 폴리머 층의 제조를 위해 사용될 폴리머의 표면 에너지와 폴리머 층에 포함될 다수의 도전입자들의 표면 에너지간의 차이가 기설정된 차이 이상이 되도록 다수의 도전입자들의 표면 에너지를 제어하는 단계(1110), 표면 에너지가 제어된 도전입자들이 믹싱된 용매에 폴리머를 용해시켜 폴리머 용액을 형성하는 단계(1120), 폴리머 용액을 건조시켜 표면 에너지의 차이에 의해 다수의 도전입자들의 표면 중 적어도 일부가 폴리머 층 외부로 노출된 폴리머 층을 생성하는 단계(1130) 및 폴리머 층의 상부 및 하부에 비전도성 접착 필름(NCF)으로 이루어진 접착제 층을 라미네이션하여 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film, ACF)을 제조하는 단계(1140)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 단계(1110)은 일례로, 폴리머가 친수성을 갖는 경우에는 소수성을 갖는 물질을, 또는 폴리머가 소수성을 갖는 경우에는 친수성을 갖는 물질을 도전입자의 표면에 코팅하여 도전입자의 표면 에너지를 제어하는 과정일 수 있다. 여기서 친수성을 갖는다는 것은 상대적으로 표면 에너지가 높다는 것을 의미할 수 있으며, 소수성을 갖는다는 것은 상대적으로 표면 에너지가 낮다는 것을 의미할 수 있다. 다시 말해, 폴리머가 친수성을 갖는 경우에는 소수성을 갖는 물질을 도전입자의 표면에 코팅하여 도전입자의 표면 에너지를 낮춤으로서 폴리머와 도전입자의 표면 에너지 차이를 증가시킬 수 있다. 역으로 폴리머가 소수성을 갖는 경우에는 친수성을 갖는 물질을 도전입자의 표면에 코팅하여 도전입자의 표면 에너지를 높임으로써 폴리머와 도전입자의 표면 에너지 차이를 증가시킬 수 있다.
이러한 표면 에너지의 차이가 기설정된 차이 이상이 되면, 단계(1140)에서 폴리머 용액을 건조시켜 폴리머 층을 생성하는 과정 중에 폴리머가 도전입자의 표면을 따라 흘러내리면서 도전입자의 표면 중 적어도 일부가 자가 노출될 수 있다. 따라서, 이미 폴리머 스킨이 존재하지 않는 상태의 폴리머 층을 통해 앞서 설명했던 고온 접속 공정이나 플라즈마 에칭의 공정 또는 초음파 공정 등의 추가적인 공정 없이도 수직방향으로 안정적인 전기적 접속을 구현할 수 있게 된다.
일례로, 단계(1110)에서는 폴리머가 친수성을 갖는 경우에는 소수성을 갖는 물질을, 또는 폴리머가 소수성을 갖는 경우 친수성을 갖는 물질을 다수의 도전입자들이 믹싱된 용매에 용해시켜 도전입자의 표면에 코팅될 수 있도록 스터링(stirring)하는 방식을 통해 도전입자 표면의 자가 노출을 구현할 수 있다.
이때, 다수의 도전입자들이 믹싱된 용매에 용해시키는 소수성을 갖는 물질의 함량, 또는 용매에 용해시키는 친수성을 갖는 물질의 함량을 조절함으로써, 도전입자의 표면 에너지가 변화되는 정도를 제어할 수 있다.
이때, 도전입자의 표면에 코팅되는 소수성을 갖는 물질 또는 친수성을 갖는 물질은 안정적인 전기적 접속을 위해 전도성을 가질 수 있다.
보다 구체적인 실시예로, 폴리머는 친수성을 갖는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)을 포함할 수 있다. 이때, 단계(1110)에서는 도전입자의 표면에 올레산(Oleic Acid)을 코팅하여 소수성을 부여함으로써, 도전입자의 표면 에너지를 제어할 수 있다. 다시 말해, 친수성을 갖는 폴리머가 폴리머 층의 제조 과정에서 소수성을 갖는 도전입자의 표면을 따라 흘러내리면서 도전입자의 표면 일부가 폴리머 층의 외부로 자가 노출될 수 있다.
이 경우, 단계(1110)에서는 폴리머 용액 대비 함량이 20 wt% 이상이 되는 함량의 올레산을 다수의 도전입자들이 믹싱된 용매에 용해시켜 스터링(stirring)함으로써, 올레산을 도전입자의 표면에 코팅하여 도전입자의 표면 에너지를 제어할 수 있다.
또한, 상기 폴리머 층은, 다수의 도전입자들의 사이를 연결하여 접속 공정에 의한 레진의 흐름의 발생 시 다수의 도전입자들의 유동을 제한하는 인장응력을 갖는 폴리머(polymer)로 이루어질 수 있다. 이러한 도전입자의 고정(anchoring)에 대해서도 이미 자세히 설명한 바 있다.
또한, 단계(1130)에서는 표면 에너지가 제어된 다수의 도전입자들이 믹싱된 폴리머 용액을 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 코팅하여 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 제조할 수 있다. 이러한 롤-투-롤 코팅에 대해서는 도 6 및 도 7을 통해 자세히 설명한 바 있다.
한편, 이방성 전도 필름의 제조를 위해, 자가 노출 방법은 폴리머 층의 상부 및 하부에 비전도성 접착 필름(NCF)으로 이루어진 접착제 층을 라미네이션하여 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film, ACF)을 제조하는 단계(1140)를 포함할 수 있으며, 이러한 단계는 도 9의 단계(940)에 대응될 수 있다. 생성된 이방성 전도 필름을 상부 전극 및 하부 전극 사이에 연결하여 전도성의 도전입자가 전기적 접속을 형성함에 대해서는 이미 자세히 설명하였다.
도 12는 일실시예에 있어서, 도전입자 표면에 올레산이 반응한 모습의 예를 도시한 도면이다. 도 12는 코어 폴리머(Core polymer)와, 코어 폴리머상의 니켈 층(Ni layer) 및 니켈 층 상의 금(Au) 층(1220)을 갖도록 형성된 도전입자(1210)의 예를 나타내고 있다. 또한, 이러한 금 층(1220)에 올레산(oleic acid)을 코팅할수록 도전입자(1210)의 표면이 친수성 리간드(1230)에서 소수성 리간드화(1240)될 수 있음을 나타내고 있다. 다시 말해, 도전입자(1210)의 표면에 올레산을 코팅함으로써, 도전입자(1210)의 표면이 친수성에서 소수성으로 변경되고, 그에 따라 표면 에너지가 낮아지게 된다. 만약, 친수성의 폴리머를 이용하는 경우 표면 에너지의 차이가 커지게 되고, 이러한 표면 에너지의 차이를 이용하여 도전입자(1210)의 표면에 대한 자가 노출이 가능해진다.
도 13은 일실시예에 있어서, 올레산 함량에 따른 소수성 특성 발현의 예를 도시한 도면이다. 도 13의 제1 실험예(1310)는 폴리머로서 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, 이하 'PAN')을 사용하기 위해, PAN 필름을 제작하여 친수성/소수성 특성을 확인한 예를 나타내고 있다. 보다 구체적으로, 제1 실험예(1310)는 PAN 필름에 정제수(D.I.water)를 떨어뜨리고 젖음각을 측정하였다. 이때, 제1 실험예(1310)에서는 56.32°와 같이 PAN이 친수성을 가짐을 보이고 있다.
이와 유사하게, 도 13의 제2 실험예(1320), 제3 실험예(1330), 제4 실험예(1340) 및 제5 실험예(1350)는 도전입자의 표면에 대한 친수성/소수성 특징을 확인한 예들을 나타내고 있다. 이때, 폴리머 용액 내의 올레산 함량을 각각 0 wt%, 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%와 같이 증가시켜 가면서 실험을 진행한 결과, 도전입자의 표면이 소수성을 나타내며, 올레산을 함유시킴에 따라 소수성이 증가하였음을 나타내고 있다.
도 14는 일실시예에 있어서, 올레산 함량에 따른 PAN APL 표면의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지들을 도시한 도면이다. 올레산과 PAN을 모두 녹일 수 있는 용매에 올레산과 도전입자를 첨가한 후, 올레산이 도전입자의 표면에 코팅될 수 있도록 스터링(stirring)하였으며, 그 후 PAN과 믹싱하여 폴리머 용액을 제작하였다. 이후, 롤-투-롤 필름 코팅 방식을 이용하여 앞서 설명하였던 실시예들에 따라 폴리머 용액을 필름 형태로 제작하였다.
이때, 도 14의 주사전자현미경 이미지들은 올레산의 함량에 따라 제작된 PAN 고정 폴리머 층(Anchoring Polymer Layer, APL)의 표면을 나타내고 있다. 이때, 폴리머 용액에 함유된 올레산의 함량이 0 wt%인 제1 실시예(1410)와 10 wt%인 제2 실시예(1420)에서는 폴리머 스킨이 보이는 반면, 폴리머 용액에 함유된 올레산의 함량이 20 wt%인 제3 실시예(1430)와 30 wt%인 제4 실시예(1440)에서는 폴리머 스킨 없이 도전입자의 표면이 폴리머 층 외부로 자가 노출되었음을 확인할 수 있다.
도 15는 일실시예에 있어서, 올레산 함량에 따른 PAN APL 단면의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지들을 도시한 도면이다. 도 15는 도 14에서 설명한 것과 동일한 방식으로 제조된 네 가지 실시예들(1510 내지 1540)을 나타내고 있다. 이때, 폴리머 용액에 함유된 올레산의 함량이 0 wt%인 제1 실시예(1510)에서는 도전입자의 상부와 하부 모두에 폴리머 스킨이 존재함을 나타내고 있다. 또한, 폴리머 용액에 함유된 올레산의 함량이 10 wt%인 제2 실시예(1520)에서는 도전입자의 상부에는 폴리머 스킨이 존재하지 않으나, 하부에 폴리머 스킨이 존재함을 보이고 있다. 반면, 폴리머 용액에 함유된 올레산의 함량이 20 wt%인 제3 실시예(1530)와 함량이 30 wt%인 제4 실시예(1540)에서는 도전입자의 상부와 하부 모두에 폴리머 스킨 없이 고정 폴리머 층이 잘 제작되는 것을 확인할 수 있다.
도 16은 일실시예에 있어서, 폴리머 스킨을 제거하는 방식의 ACFs와 자가 노출 방법에 따른 ACFs의 접촉 저항의 예를 도시한 그래프이다. 도 16의 상단 그래프에서 제1 결과(1610)는 초음파 공정을 통해 폴리머 스킨을 제거하여 제조된 이방성 전도 필름을 활용한 접속 공정에서의 접촉저항(contact resistance)을 나타내고 있으며, 도 16의 상단 그래프에서 제2 결과(1620)는 폴리머 용액에 올레산을 20 wt% 함량으로 함유시켜 도전입자의 자가 노출을 유도하여 제조된 이방성 전도 필름을 활용한 접속 공정에서의 접촉저항을 나타내고 있다. 제1 결과(1610)와 제2 결과(1620)가 유사하다는 것은 폴리머 스킨을 제거하기 위한 추가적인 공정의 도입 없이, 도전입자의 표면 에너지를 조절하는 것만으로도 도전입자의 자가 노출이 잘 이루어짐에 따라 안정적인 전기적 접속이 이루어짐을 의미할 수 있다.
또한, 도 16의 하단 그래프에서 제3 결과(1630)는 종래기술의 도전입자의 캡쳐율(capture rate)을, 제4 결과(1640)는 고정된 폴리머 층에 O2 플라즈마 에칭(plasma etching)을 적용하여 폴리머 스킨을 제거한 경우의 도전입자의 캡쳐율을 제5 결과(1650)는 도전입자의 자가 노출 방법을 활용한 경우의 도전입자의 캡쳐율을 각각 나타내고 있다. 이 경우에도 폴리머 스킨을 제거하기 위한 추가적인 공정의 도입 없이, 도전입자의 표면 에너지를 조절하는 것만으로도 도전입자의 자가 노출이 잘 이루어짐에 따라 안정적인 전기적 접속이 이루어짐을 나타내고 있다.
도 17은 일실시예에 있어서, 폴리머 스킨을 제거하는 방식의 ACFs와 자가 노출 방법에 따른 ACFs의 단면 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지들을 도시한 도면이다. 도 17은 초음파 공정을 통해 폴리머 스킨을 제거하여 제조된 이방성 전도 필름을 활용한 접속 공정에 따른 제1 단면 이미지(1710)와 폴리머 용액에 올레산을 20 wt% 함량으로 함유시켜 도전입자의 자가 노출을 유도하여 제조된 이방성 전도 필름을 활용한 접속 공정에 따른 제2 단면 이미지(1720)가 모두 상부 전극과 하부 전극 사이에 약 600nm의 유사한 조인트 갭 크기(joint gap size)를 가짐을 나타내고 있다. 이러한 도 17 역시 폴리머 스킨을 제거하기 위한 추가적인 공정의 도입 없이, 도전입자의 표면 에너지를 조절하는 것만으로도 도전입자의 자가 노출이 잘 이루어짐에 따라 안정적인 전기적 접속이 이루어짐을 의미할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 폴리머 층 내부의 도전입자의 표면에 대한 자가 노출 방법에 있어서,
    상기 폴리머 층의 제조를 위해 사용될 폴리머의 표면 에너지와 상기 폴리머 층에 포함될 다수의 도전입자들의 표면 에너지간의 차이가 기설정된 차이 이상이 되도록 상기 다수의 도전입자들의 표면 에너지를 제어하는 단계;
    상기 표면 에너지가 제어된 도전입자들이 믹싱된 용매에 상기 폴리머를 용해시켜 폴리머 용액을 형성하는 단계; 및
    상기 폴리머 용액을 건조시켜 표면 에너지의 차이에 의해 상기 다수의 도전입자들의 표면 중 적어도 일부가 상기 폴리머 층 외부로 노출된 폴리머 층을 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 폴리머는 친수성을 갖는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)을 포함하고,
    상기 표면 에너지를 제어하는 단계는,
    도전입자의 표면에 올레산(Oleic Acid)을 코팅하여 소수성을 부여함으로써, 도전입자의 표면 에너지를 제어하는 것을 특징으로 하는 자가 노출 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 표면 에너지를 제어하는 단계는,
    상기 다수의 도전입자들이 믹싱된 용매에 용해시키는 소수성을 갖는 물질의 함량을 조절하여 도전입자의 표면 에너지가 변화되는 정도를 제어하는 것을 특징으로 하는 자가 노출 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도전입자의 표면에 코팅되는 소수성을 갖는 물질은 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 자가 노출 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 표면 에너지를 제어하는 단계는,
    상기 폴리머 용액 대비 함량이 20 wt% 이상이 되는 함량의 올레산을 상기 다수의 도전입자들이 믹싱된 용매에 용해시켜 스터링(stirring)함으로써, 상기 올레산을 도전입자의 표면에 코팅하여 도전입자의 표면 에너지를 제어하는 것을 특징으로 하는 자가 노출 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 층의 상부 및 하부에 비전도성 접착 필름(NCF)으로 이루어진 접착제 층을 라미네이션하여 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film, ACF)을 제조하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 노출 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 층은, 상기 다수의 도전입자들의 사이를 연결하여 접속 공정에 의한 레진의 흐름의 발생 시 상기 다수의 도전입자들의 유동을 제한하는 인장응력을 갖는 폴리머(polymer)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자가 노출 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 층을 생성하는 단계는,
    상기 폴리머 용액을 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 코팅하여 도전입자의 이동을 제한하는 폴리머 층을 제조하는 것을 특징으로 하는 자가 노출 방법.
  11. 다수의 도전입자들을 포함하는 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Film, ACF)에 있어서,
    상기 다수의 도전입자들의 표면 중 적어도 일부가 외부로 노출되도록 분산 배치된 폴리머 층
    을 포함하고,
    상기 다수의 도전입자들의 표면 중 적어도 일부는, 상기 폴리머 층을 구성하는 폴리머의 표면 에너지와 상기 도전입자들의 표면 에너지의 차이에 의해 자가 노출되고,
    상기 폴리머는 친수성을 갖는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)을 포함하고,
    도전입자의 표면에 올레산(Oleic Acid)을 코팅하여 소수성을 부여함으로써, 도전입자의 표면 에너지가 제어되어 상기 표면 에너지의 차이가 발생하는 것을 특징으로 하는 이방성 전도 필름.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 다수의 도전입자들이 믹싱된 용매에 용해시키는 소수성을 갖는 물질의 함량을 조절하여 도전입자의 표면 에너지가 변화되는 정도를 제어하는 것을 특징으로 하는 이방성 전도 필름.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 도전입자의 표면에 코팅되는 소수성을 갖는 물질은 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 이방성 전도 필름.
  16. 삭제
  17. 제11항에 있어서,
    상기 폴리머 층의 제조를 위한 폴리머 용액 대비 함량이 20 wt% 이상이 되는 함량의 올레산을 상기 다수의 도전입자들이 믹싱된 용매에 용해시켜 스터링(stirring)하여, 상기 올레산을 도전입자의 표면에 코팅함에 따라 도전입자의 표면 에너지가 제어되어 상기 표면 에너지의 차이가 발생하는 것을 특징으로 하는 이방성 전도 필름.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 폴리머 층의 상부 및 하부에 구성되어 접착성을 부여하는 접착제 층
    을 더 포함하고,
    상기 폴리머 층의 상부 및 하부에 비전도성 필름(Non-conducting Film, NCF)의 폴리머 접착제 층이 라미네이션 또는 이중 코팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이방성 전도 필름.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 폴리머 층은, 상기 다수의 도전입자들의 사이를 연결하여 접속 공정에 의한 레진의 흐름의 발생 시 상기 다수의 도전입자들의 유동을 제한하는 인장응력을 갖는 폴리머(polymer)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이방성 전도 필름.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 폴리머 층은 상기 다수의 도전입자들이 믹싱된 폴리머 용액을 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 코팅하여 도전입자의 이동을 제한하도록 제조되는 것을 특징으로 하는 이방성 전도 필름.
KR1020180009182A 2018-01-25 2018-01-25 폴리머 층 내부에 고정된 도전입자의 표면에 대한 자가 노출 방법, 상기 자가 노출 방법을 이용한 이방성 전도 필름의 제조 방법 및 상기 이방성 전도 필름 KR102027677B1 (ko)

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